循环载荷作用下微环隙的产生及演变

发布时间：2021-03-18 20:15

　　针对页岩气井多级压裂过程中出现的环空带压问题,运用力学实验手段以及数值分析方法,明确了导致B环空带压的主控因素,分析了循环载荷作用下直井段、斜井段、水平段Ⅰ,Ⅱ界面微环隙产生和演变的过程。实验结果表明:循环载荷作用下水泥石产生了累积塑性应变,初始塑性应变最大（0.28%）,后续呈近似线性增长,20次循环后达0.65%。全尺寸水泥环密封能力评价实验表明,B环空Ⅰ界面在14个循环加卸载后监测到气体。数值模拟结果与实验结果具有较好的一致性。降低套管内压、降低弹性模量至2～4 GPa、提高泊松比至0.27以上,有利于保持水泥环密封完整性。研究成果可为压裂过程中水泥环密封完整性设计及控制提供参考,并具有重要的理论和工程意义。 

【文章来源】：断块油气田. 2020,27(04)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

研究目标及数值模型

断块油气田2020年7月mm）和外筒（外径244.5mm，钢级N80）模拟套管￣水泥环￣地层组合体，然后通过套管内加卸载方式模拟多级压裂过程。模拟过程中，在装置底端通入气体，在外筒￣水泥环界面（Ⅰ界面）和水泥环￣套管界面（Ⅱ界面）进行气密封监测，用以确定循环载荷作用下导致水泥环密封失效的主要原因。装置如图3所示。图3全尺寸水泥环密封能力评价装置模拟压裂施工过程中，对套管内施加70MPa内压，然后卸载至0，监测结果如图4所示。实验装置Ⅰ界面在第14个循环后监测到气体，Ⅱ界面始终无气体产生。与此同时，通过该实验还可知两界面没有出现窜通，水泥环本体并没有出现破坏。由此可以判断，页岩气井多级压裂过程中，Ⅰ界面所产生的微环隙是导致B环空出现环空带压的主要原因。陶谦等［8］通过开展物理模拟实验得出了类似的结论。但是物理模拟实验无法充分反映非均匀地应力条件下多级压裂过程中微环隙产生和演变的过程，因此，分别依托实际井工程和地质参数，建立一、二、三开井段井筒组合体模型，分析不同力学条件下B环空微环隙产生和演变的过程。图4循环加卸载过程中的气体检测情况2数值模型建立2.1模型建立目前三开井身结构是页岩井广泛使用的井身结构。分别选取页岩气井一开、二开、三开不同位置作为研究对象，建立相应三维数值模型（见图5）。其中：一开模型位于直井段，二开模型位于斜井段，三开模型位于水平段。所建立数值模型的大小为5m×5m×5m，模型边界为井眼直径?

第27卷第4期化使得水泥环径向、周向和轴向应力发生改变，容易导致径向裂纹和胶结失效；Xi等［5￣6］建立了压裂过程中井筒组合体瞬态温度￣压力耦合力学模型，采用Mohr￣Coulomb准则对水泥环完整性进行了判定，指出瞬态温度￣压力作用是导致水泥环出现拉破坏的主要原因；Guo等［7］建立了水泥环密封失效预测解析模型，计算结果表明套管高内压诱发的径向裂纹为气窜提供了通道；刘仍光、陶谦等［8￣9］利用全尺寸水泥环密封能力评价装置开展物理模拟实验，结果表明，循环载荷作用下累积塑性变形导致一界面处出现微环隙是B环空（即生产套管和技术套管间的环空）带压的主要原因；Andrade等［10￣11］通过开展室内实验得到了类似的结论，但未进一步量化循环加卸载与累积塑性变形之间的关系。前人虽然分析了页岩气井压裂过程中压力、温度等不同因素对水泥环应力￣应变的影响，研究了导致水泥环密封完整性失效的不同原因，但目前尚无一致结论。本文针对页岩气水平井多级压裂过程中的环空带压问题，开展了循环载荷作用下水泥石力学实验以及全尺寸水泥环密封能力评价实验，明确了循环加卸载过程中导致B环空带压的主控因素，量化了水泥石累积塑性应变与循环加卸载次数的关系。基于实验获取的参数，建立了三开井结构不同开次三维数值模型，研究了多级压裂过程中直井段、斜井段、水平段B环空Ⅰ，Ⅱ界面微环隙出现和演变的具体过程，分析了井筒内压、水泥环与地层的弹性模量、泊松比对微环隙的影响。研究成果明确了导致水泥环B环空密封失效的主要原因

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3088874