页岩气水平井压裂对井筒完整性的影响
发布时间：2020-02-19 18:14
【摘要】：以弹塑性力学为基础,借助复变函数与应力场分解,对页岩气压裂过程中水平段套管-水泥环-地层系统的力学行为进行分析研究,通过接触面上位移连续条件得到了系统各接触表面的受力表达式;以Drucker-Prager岩土屈服条件为破坏准则,得到了水泥环达到屈服时的最大套管内压力,并讨论了套管及水泥环参数变化对系统受力行为的影响规律。计算结果表明:水泥环内表面比套管更容易达到屈服极限,水泥环厚度对水泥环内壁受力影响较小;增加套管壁厚,有利于保护井筒的完整性;套管内径和水泥环弹性模量对水泥环内壁受力影响较大,套管内径和水泥弹性模量越小,则水泥环越安全。研究结果对于页岩气压裂过程中井筒完整性设计控制具有一定的参考价值。
【图文】：
第3期刘奎等:页岩气水平井压裂对井筒完整性的影响407裂过程中套管-水泥环-地层系统的受力与屈服问题进行探讨，并探讨不同完井压裂参数时水平井筒的完整性，以获得水平井压裂完井时井筒完整性破坏的最大内压载荷判据，可为相关工程设计控制提供参考。1力学模型及其简化图1为页岩气水平井压裂作业示意图，水平段井眼轴线沿地层最小水平主应力方向延伸，页岩气水平井完井时依次对3#、2#、1#水平段进行分段压裂，，水平段经水泥固井后，首先对图中3#水平段进行射孔、压裂，而压裂作业过程中，将对1#、2#井段的套管和水泥环产生较大的作用力，造成套管-水泥环系统的屈服破坏。本文选择2#水平段中套管-水泥环-地层系统作为分析对象，研究压裂对此段井筒完整性的影响。图1页岩气压裂施工示意Fig．1Shalegasfracturingoperationschematic按照页岩气水平井的完井井身结构，计算模型分为单层套管和多层套管2类模型。本文主要对单层套管模型进行受力分析，多层套管模型的分析方法与单层类似［9］。水平井固井结束后，套管-水泥环沿井眼轴线方向的变形受到限制，其分析模型可以简化为平面应变模型(图2)。采用笛卡尔坐标系:x为最大主应力方向，y为垂直地应力方向，z为井眼轴线方向。如图2所示，水平井完井后形成套管-水泥环-地层系统，套管-水泥环接触面称为第一界面，水泥环-地层接触面称为第二界面。系统受套管内压和非均匀地应力的作用，最大水平地应力为σH，垂直地应力为σv，压裂时的套管内压为pin。该模型为无体力模型，将模型分为3组受力模型的叠加:含中心孔的无限远地层+水泥环+套管环，分别如图2中由外向内3个圆环。使用复变函数求解该平面应变问题，应力函数用二元的双调和函数U表示［17］，即:Δ2U=P(
作业过程中，将对1#、2#井段的套管和水泥环产生较大的作用力，造成套管-水泥环系统的屈服破坏。本文选择2#水平段中套管-水泥环-地层系统作为分析对象，研究压裂对此段井筒完整性的影响。图1页岩气压裂施工示意Fig．1Shalegasfracturingoperationschematic按照页岩气水平井的完井井身结构，计算模型分为单层套管和多层套管2类模型。本文主要对单层套管模型进行受力分析，多层套管模型的分析方法与单层类似［9］。水平井固井结束后，套管-水泥环沿井眼轴线方向的变形受到限制，其分析模型可以简化为平面应变模型(图2)。采用笛卡尔坐标系:x为最大主应力方向，y为垂直地应力方向，z为井眼轴线方向。如图2所示，水平井完井后形成套管-水泥环-地层系统，套管-水泥环接触面称为第一界面，水泥环-地层接触面称为第二界面。系统受套管内压和非均匀地应力的作用，最大水平地应力为σH，垂直地应力为σv，压裂时的套管内压为pin。该模型为无体力模型，将模型分为3组受力模型的叠加:含中心孔的无限远地层+水泥环+套管环，分别如图2中由外向内3个圆环。使用复变函数求解该平面应变问题，应力函数用二元的双调和函数U表示［17］，即:Δ2U=P(1)将U表示为两个复应力函数φ(z)和Ψ(z)的表达式:U=12［zs甩
本文编号：2581081
【图文】：
第3期刘奎等:页岩气水平井压裂对井筒完整性的影响407裂过程中套管-水泥环-地层系统的受力与屈服问题进行探讨，并探讨不同完井压裂参数时水平井筒的完整性，以获得水平井压裂完井时井筒完整性破坏的最大内压载荷判据，可为相关工程设计控制提供参考。1力学模型及其简化图1为页岩气水平井压裂作业示意图，水平段井眼轴线沿地层最小水平主应力方向延伸，页岩气水平井完井时依次对3#、2#、1#水平段进行分段压裂，，水平段经水泥固井后，首先对图中3#水平段进行射孔、压裂，而压裂作业过程中，将对1#、2#井段的套管和水泥环产生较大的作用力，造成套管-水泥环系统的屈服破坏。本文选择2#水平段中套管-水泥环-地层系统作为分析对象，研究压裂对此段井筒完整性的影响。图1页岩气压裂施工示意Fig．1Shalegasfracturingoperationschematic按照页岩气水平井的完井井身结构，计算模型分为单层套管和多层套管2类模型。本文主要对单层套管模型进行受力分析，多层套管模型的分析方法与单层类似［9］。水平井固井结束后，套管-水泥环沿井眼轴线方向的变形受到限制，其分析模型可以简化为平面应变模型(图2)。采用笛卡尔坐标系:x为最大主应力方向，y为垂直地应力方向，z为井眼轴线方向。如图2所示，水平井完井后形成套管-水泥环-地层系统，套管-水泥环接触面称为第一界面，水泥环-地层接触面称为第二界面。系统受套管内压和非均匀地应力的作用，最大水平地应力为σH，垂直地应力为σv，压裂时的套管内压为pin。该模型为无体力模型，将模型分为3组受力模型的叠加:含中心孔的无限远地层+水泥环+套管环，分别如图2中由外向内3个圆环。使用复变函数求解该平面应变问题，应力函数用二元的双调和函数U表示［17］，即:Δ2U=P(
作业过程中，将对1#、2#井段的套管和水泥环产生较大的作用力，造成套管-水泥环系统的屈服破坏。本文选择2#水平段中套管-水泥环-地层系统作为分析对象，研究压裂对此段井筒完整性的影响。图1页岩气压裂施工示意Fig．1Shalegasfracturingoperationschematic按照页岩气水平井的完井井身结构，计算模型分为单层套管和多层套管2类模型。本文主要对单层套管模型进行受力分析，多层套管模型的分析方法与单层类似［9］。水平井固井结束后，套管-水泥环沿井眼轴线方向的变形受到限制，其分析模型可以简化为平面应变模型(图2)。采用笛卡尔坐标系:x为最大主应力方向，y为垂直地应力方向，z为井眼轴线方向。如图2所示，水平井完井后形成套管-水泥环-地层系统，套管-水泥环接触面称为第一界面，水泥环-地层接触面称为第二界面。系统受套管内压和非均匀地应力的作用，最大水平地应力为σH，垂直地应力为σv，压裂时的套管内压为pin。该模型为无体力模型，将模型分为3组受力模型的叠加:含中心孔的无限远地层+水泥环+套管环，分别如图2中由外向内3个圆环。使用复变函数求解该平面应变问题，应力函数用二元的双调和函数U表示［17］，即:Δ2U=P(1)将U表示为两个复应力函数φ(z)和Ψ(z)的表达式:U=12［zs甩
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