【摘要】：頁巖儲層具有低孔隙度和低基質(zhì)滲透率特征,通常采用體積壓裂技術(shù)對儲層進行增產(chǎn)改造。我國頁巖氣井體積壓裂改造過程中,很多井次都出現(xiàn)了井筒完整性失效的問題。一是套管損壞變形,導(dǎo)致壓裂工具無法下入,改造完成后橋塞無法鉆磨,后期無法進行生產(chǎn)測井等。二是水泥環(huán)密封失效導(dǎo)致環(huán)空帶壓,井口安全控制風(fēng)險大。頁巖氣井井筒完整性失效問題嚴(yán)重影響了我國頁巖氣的開發(fā)效果,亟待解決。因此,本文以頁巖氣水平井套管-水泥環(huán)-地層組合體為研究對象,分析了頁巖氣井體積壓裂過程中井筒組合體的力學(xué)行為變化規(guī)律,明確了頁巖氣井井筒完整性的失效機理,可為頁巖氣井體積壓裂井筒完整性控制方法的改進提供參考。本文主要取得了以下成果:針對頁巖氣井體積壓裂過程中儲層力學(xué)性質(zhì)、井筒溫度場、壓力場均動態(tài)變化的特點,基于順序耦合的方法,將井筒溫度場瞬態(tài)變化過程中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力與壓裂過程中井筒壓力場變化產(chǎn)生的應(yīng)力進行疊加,建立了頁巖氣井井筒組合體力學(xué)新模型,該模型考慮了壓裂前水泥石的初始應(yīng)力應(yīng)變,克服了常規(guī)模型未考慮水泥環(huán)初始應(yīng)力變化的不足�；诮⒌捻搸r氣井井筒組合體力學(xué)新模型,分析了頁巖氣井壓裂過程中地層性質(zhì)變化、水泥環(huán)形態(tài)、水泥環(huán)空隙內(nèi)高壓束縛流體等因素對套管Mises應(yīng)力的影響,并與傳統(tǒng)模型的計算結(jié)果進行了對比。結(jié)果表明:頁巖氣井體積壓裂過程中,近井地層彈性模量的下降和水泥環(huán)缺失的綜合作用會增加套管變形的風(fēng)險;地層彈性模量降低幅度較小的區(qū)域,水泥環(huán)空隙內(nèi)高壓束縛流體容易導(dǎo)致套管發(fā)生擠毀變形。針對頁巖儲層天然裂縫/斷層發(fā)育、體積壓裂改造級數(shù)多的特點,建立了頁巖氣井三維地層滑移模型。分析了體積壓裂過程中,斷層滑移界面走向、改造級數(shù)、改造程度、儲層非對稱改造等因素對長水平段套管Mises應(yīng)力分布的影響。研究表明,增加壓裂改造位置與滑移界面的距離,并降低滑移界面處儲層的改造體積,可有效降低套管發(fā)生剪切破壞的幾率。研究了頁巖氣井體積壓裂過程中水泥環(huán)密封失效的機理。首先,基于頁巖氣井井筒組合體力學(xué)模型,分析了壓裂過程中地層性質(zhì)變化、水泥環(huán)初始應(yīng)力變化對水泥石結(jié)構(gòu)的影響。其次,采用帶罰剛度摩爾庫倫模型的無厚度接觸單元,建立了考慮固井一、二界面存在微間隙的井筒組合體變形數(shù)值新模型,分析了固井界面微間隙的演變過程,克服了傳統(tǒng)模型無法分析地層性質(zhì)以及井筒內(nèi)溫度瞬態(tài)變化對微間隙影響的不足。最后,基于Cohesive孔壓單元建立了固井二界面裂縫擴展有限元計算模型。研究表明,壓裂過程中井筒內(nèi)溫度的瞬態(tài)變化、地層有效應(yīng)力以及水泥環(huán)初始應(yīng)力的降低是影響水泥環(huán)密封完整性的三個主要因素。
【學(xué)位授予單位】：中國石油大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TE377
【圖文】：

致水泥環(huán)空隙中的束縛液體積收縮，使得水泥環(huán)空隙中的壓力下降。由于致密頁巖儲層的滲透率極低，儲層不能在短時間內(nèi)補充壓力，進而導(dǎo)致套管受到局部非均勻載荷的作用。壓裂過程中，在內(nèi)部高壓和局部外載的綜合作用下，可能會導(dǎo)致井下套管的變形。其次，Jandhyala、Chiney、尹飛等人研究了封閉套管水泥環(huán)空隙內(nèi)束縛水流體壓力增加（APB[60]）對井筒的影響，認為在極端條件下 APB 效應(yīng)可能會對水泥環(huán)和套管造成嚴(yán)重的破壞[59,61]。Maurice B、Dusseault[62]、 Daneshy A A[63]等人研究認為，壓裂作業(yè)期間，壓裂液的注入會使得套管和地層之間出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致在井眼周圍形成一種偽裸眼環(huán)境，而裂縫的出現(xiàn)會使得地層強度有所降低[27]，同時不對稱的裂縫延展又可能導(dǎo)致地層滑移，在這種情況下，有可能發(fā)生套管損壞的現(xiàn)象（圖 1.1-1.2）。陳朝偉[25,64]利用地震和測井資料，對四川長寧-威遠頁巖氣示范區(qū)套管變形點所處的地質(zhì)狀況做了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)套管變形多數(shù)發(fā)生在壓裂段中后部，因此認為套管變形與斷層、裂縫和層理的相關(guān)性較高[12]。高利軍[65,66]采用單元埋入技術(shù)建立了考慮水平井尺度的二維套損有限元模型，認為天然裂縫長度和傾角對套損有較大影響。

致水泥環(huán)空隙中的束縛液體積收縮，使得水泥環(huán)空隙中的壓力下降。由于致密頁巖儲層的滲透率極低，儲層不能在短時間內(nèi)補充壓力，進而導(dǎo)致套管受到局部非均勻載荷的作用。壓裂過程中，在內(nèi)部高壓和局部外載的綜合作用下，可能會導(dǎo)致井下套管的變形。其次，Jandhyala、Chiney、尹飛等人研究了封閉套管水泥環(huán)空隙內(nèi)束縛水流體壓力增加（APB[60]）對井筒的影響，認為在極端條件下 APB 效應(yīng)可能會對水泥環(huán)和套管造成嚴(yán)重的破壞[59,61]。Maurice B、Dusseault[62]、 Daneshy A A[63]等人研究認為，壓裂作業(yè)期間，壓裂液的注入會使得套管和地層之間出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致在井眼周圍形成一種偽裸眼環(huán)境，而裂縫的出現(xiàn)會使得地層強度有所降低[27]，同時不對稱的裂縫延展又可能導(dǎo)致地層滑移，在這種情況下，有可能發(fā)生套管損壞的現(xiàn)象（圖 1.1-1.2）。陳朝偉[25,64]利用地震和測井資料，對四川長寧-威遠頁巖氣示范區(qū)套管變形點所處的地質(zhì)狀況做了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)套管變形多數(shù)發(fā)生在壓裂段中后部，因此認為套管變形與斷層、裂縫和層理的相關(guān)性較高[12]。高利軍[65,66]采用單元埋入技術(shù)建立了考慮水平井尺度的二維套損有限元模型，認為天然裂縫長度和傾角對套損有較大影響。

【參考文獻】

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本文編號：2725377