【摘要】：以彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ),借助復(fù)變函數(shù)與應(yīng)力場分解,對頁巖氣壓裂過程中水平段套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)的力學(xué)行為進(jìn)行分析研究,通過接觸面上位移連續(xù)條件得到了系統(tǒng)各接觸表面的受力表達(dá)式;以Drucker-Prager巖土屈服條件為破壞準(zhǔn)則,得到了水泥環(huán)達(dá)到屈服時的最大套管內(nèi)壓力,并討論了套管及水泥環(huán)參數(shù)變化對系統(tǒng)受力行為的影響規(guī)律。計算結(jié)果表明:水泥環(huán)內(nèi)表面比套管更容易達(dá)到屈服極限,水泥環(huán)厚度對水泥環(huán)內(nèi)壁受力影響較小;增加套管壁厚,有利于保護(hù)井筒的完整性;套管內(nèi)徑和水泥環(huán)彈性模量對水泥環(huán)內(nèi)壁受力影響較大,套管內(nèi)徑和水泥彈性模量越小,則水泥環(huán)越安全。研究結(jié)果對于頁巖氣壓裂過程中井筒完整性設(shè)計控制具有一定的參考價值。
【圖文】：

第3期劉奎等:頁巖氣水平井壓裂對井筒完整性的影響407裂過程中套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)的受力與屈服問題進(jìn)行探討，并探討不同完井壓裂參數(shù)時水平井筒的完整性，以獲得水平井壓裂完井時井筒完整性破壞的最大內(nèi)壓載荷判據(jù)，可為相關(guān)工程設(shè)計控制提供參考。1力學(xué)模型及其簡化圖1為頁巖氣水平井壓裂作業(yè)示意圖，水平段井眼軸線沿地層最小水平主應(yīng)力方向延伸，頁巖氣水平井完井時依次對3#、2#、1#水平段進(jìn)行分段壓裂，，水平段經(jīng)水泥固井后，首先對圖中3#水平段進(jìn)行射孔、壓裂，而壓裂作業(yè)過程中，將對1#、2#井段的套管和水泥環(huán)產(chǎn)生較大的作用力，造成套管-水泥環(huán)系統(tǒng)的屈服破壞。本文選擇2#水平段中套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)作為分析對象，研究壓裂對此段井筒完整性的影響。圖1頁巖氣壓裂施工示意Fig．1Shalegasfracturingoperationschematic按照頁巖氣水平井的完井井身結(jié)構(gòu)，計算模型分為單層套管和多層套管2類模型。本文主要對單層套管模型進(jìn)行受力分析，多層套管模型的分析方法與單層類似［9］。水平井固井結(jié)束后，套管-水泥環(huán)沿井眼軸線方向的變形受到限制，其分析模型可以簡化為平面應(yīng)變模型(圖2)。采用笛卡爾坐標(biāo)系:x為最大主應(yīng)力方向，y為垂直地應(yīng)力方向，z為井眼軸線方向。如圖2所示，水平井完井后形成套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)，套管-水泥環(huán)接觸面稱為第一界面，水泥環(huán)-地層接觸面稱為第二界面。系統(tǒng)受套管內(nèi)壓和非均勻地應(yīng)力的作用，最大水平地應(yīng)力為σH，垂直地應(yīng)力為σv，壓裂時的套管內(nèi)壓為pin。該模型為無體力模型，將模型分為3組受力模型的疊加:含中心孔的無限遠(yuǎn)地層+水泥環(huán)+套管環(huán)，分別如圖2中由外向內(nèi)3個圓環(huán)。使用復(fù)變函數(shù)求解該平面應(yīng)變問題，應(yīng)力函數(shù)用二元的雙調(diào)和函數(shù)U表示［17］，即:Δ2U=P(

作業(yè)過程中，將對1#、2#井段的套管和水泥環(huán)產(chǎn)生較大的作用力，造成套管-水泥環(huán)系統(tǒng)的屈服破壞。本文選擇2#水平段中套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)作為分析對象，研究壓裂對此段井筒完整性的影響。圖1頁巖氣壓裂施工示意Fig．1Shalegasfracturingoperationschematic按照頁巖氣水平井的完井井身結(jié)構(gòu)，計算模型分為單層套管和多層套管2類模型。本文主要對單層套管模型進(jìn)行受力分析，多層套管模型的分析方法與單層類似［9］。水平井固井結(jié)束后，套管-水泥環(huán)沿井眼軸線方向的變形受到限制，其分析模型可以簡化為平面應(yīng)變模型(圖2)。采用笛卡爾坐標(biāo)系:x為最大主應(yīng)力方向，y為垂直地應(yīng)力方向，z為井眼軸線方向。如圖2所示，水平井完井后形成套管-水泥環(huán)-地層系統(tǒng)，套管-水泥環(huán)接觸面稱為第一界面，水泥環(huán)-地層接觸面稱為第二界面。系統(tǒng)受套管內(nèi)壓和非均勻地應(yīng)力的作用，最大水平地應(yīng)力為σH，垂直地應(yīng)力為σv，壓裂時的套管內(nèi)壓為pin。該模型為無體力模型，將模型分為3組受力模型的疊加:含中心孔的無限遠(yuǎn)地層+水泥環(huán)+套管環(huán)，分別如圖2中由外向內(nèi)3個圓環(huán)。使用復(fù)變函數(shù)求解該平面應(yīng)變問題，應(yīng)力函數(shù)用二元的雙調(diào)和函數(shù)U表示［17］，即:Δ2U=P(1)將U表示為兩個復(fù)應(yīng)力函數(shù)φ(z)和Ψ(z)的表達(dá)式:U=12［zs甩

本文編號：2581081