針對頁巖氣井多級壓裂過程中出現(xiàn)的環(huán)空帶壓問題,運用力學(xué)實驗手段以及數(shù)值分析方法,明確了導(dǎo)致B環(huán)空帶壓的主控因素,分析了循環(huán)載荷作用下直井段、斜井段、水平段Ⅰ,Ⅱ界面微環(huán)隙產(chǎn)生和演變的過程。實驗結(jié)果表明:循環(huán)載荷作用下水泥石產(chǎn)生了累積塑性應(yīng)變,初始塑性應(yīng)變最大（0.28%）,后續(xù)呈近似線性增長,20次循環(huán)后達(dá)0.65%。全尺寸水泥環(huán)密封能力評價實驗表明,B環(huán)空Ⅰ界面在14個循環(huán)加卸載后監(jiān)測到氣體。數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果具有較好的一致性。降低套管內(nèi)壓、降低彈性模量至2～4 GPa、提高泊松比至0.27以上,有利于保持水泥環(huán)密封完整性。研究成果可為壓裂過程中水泥環(huán)密封完整性設(shè)計及控制提供參考,并具有重要的理論和工程意義。 

【文章來源】：斷塊油氣田. 2020,27(04)北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

研究目標(biāo)及數(shù)值模型

斷塊油氣田2020年7月mm）和外筒（外徑244.5mm，鋼級N80）模擬套管￣水泥環(huán)￣地層組合體，然后通過套管內(nèi)加卸載方式模擬多級壓裂過程。模擬過程中，在裝置底端通入氣體，在外筒￣水泥環(huán)界面（Ⅰ界面）和水泥環(huán)￣套管界面（Ⅱ界面）進行氣密封監(jiān)測，用以確定循環(huán)載荷作用下導(dǎo)致水泥環(huán)密封失效的主要原因。裝置如圖3所示。圖3全尺寸水泥環(huán)密封能力評價裝置模擬壓裂施工過程中，對套管內(nèi)施加70MPa內(nèi)壓，然后卸載至0，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。實驗裝置Ⅰ界面在第14個循環(huán)后監(jiān)測到氣體，Ⅱ界面始終無氣體產(chǎn)生。與此同時，通過該實驗還可知兩界面沒有出現(xiàn)竄通，水泥環(huán)本體并沒有出現(xiàn)破壞。由此可以判斷，頁巖氣井多級壓裂過程中，Ⅰ界面所產(chǎn)生的微環(huán)隙是導(dǎo)致B環(huán)空出現(xiàn)環(huán)空帶壓的主要原因。陶謙等［8］通過開展物理模擬實驗得出了類似的結(jié)論。但是物理模擬實驗無法充分反映非均勻地應(yīng)力條件下多級壓裂過程中微環(huán)隙產(chǎn)生和演變的過程，因此，分別依托實際井工程和地質(zhì)參數(shù)，建立一、二、三開井段井筒組合體模型，分析不同力學(xué)條件下B環(huán)空微環(huán)隙產(chǎn)生和演變的過程。圖4循環(huán)加卸載過程中的氣體檢測情況2數(shù)值模型建立2.1模型建立目前三開井身結(jié)構(gòu)是頁巖井廣泛使用的井身結(jié)構(gòu)。分別選取頁巖氣井一開、二開、三開不同位置作為研究對象，建立相應(yīng)三維數(shù)值模型（見圖5）。其中：一開模型位于直井段，二開模型位于斜井段，三開模型位于水平段。所建立數(shù)值模型的大小為5m×5m×5m，模型邊界為井眼直徑?

第27卷第4期化使得水泥環(huán)徑向、周向和軸向應(yīng)力發(fā)生改變，容易導(dǎo)致徑向裂紋和膠結(jié)失效；Xi等［5￣6］建立了壓裂過程中井筒組合體瞬態(tài)溫度￣壓力耦合力學(xué)模型，采用Mohr￣Coulomb準(zhǔn)則對水泥環(huán)完整性進行了判定，指出瞬態(tài)溫度￣壓力作用是導(dǎo)致水泥環(huán)出現(xiàn)拉破壞的主要原因；Guo等［7］建立了水泥環(huán)密封失效預(yù)測解析模型，計算結(jié)果表明套管高內(nèi)壓誘發(fā)的徑向裂紋為氣竄提供了通道；劉仍光、陶謙等［8￣9］利用全尺寸水泥環(huán)密封能力評價裝置開展物理模擬實驗，結(jié)果表明，循環(huán)載荷作用下累積塑性變形導(dǎo)致一界面處出現(xiàn)微環(huán)隙是B環(huán)空（即生產(chǎn)套管和技術(shù)套管間的環(huán)空）帶壓的主要原因；Andrade等［10￣11］通過開展室內(nèi)實驗得到了類似的結(jié)論，但未進一步量化循環(huán)加卸載與累積塑性變形之間的關(guān)系。前人雖然分析了頁巖氣井壓裂過程中壓力、溫度等不同因素對水泥環(huán)應(yīng)力￣應(yīng)變的影響，研究了導(dǎo)致水泥環(huán)密封完整性失效的不同原因，但目前尚無一致結(jié)論。本文針對頁巖氣水平井多級壓裂過程中的環(huán)空帶壓問題，開展了循環(huán)載荷作用下水泥石力學(xué)實驗以及全尺寸水泥環(huán)密封能力評價實驗，明確了循環(huán)加卸載過程中導(dǎo)致B環(huán)空帶壓的主控因素，量化了水泥石累積塑性應(yīng)變與循環(huán)加卸載次數(shù)的關(guān)系�；趯嶒灚@取的參數(shù)，建立了三開井結(jié)構(gòu)不同開次三維數(shù)值模型，研究了多級壓裂過程中直井段、斜井段、水平段B環(huán)空Ⅰ，Ⅱ界面微環(huán)隙出現(xiàn)和演變的具體過程，分析了井筒內(nèi)壓、水泥環(huán)與地層的彈性模量、泊松比對微環(huán)隙的影響。研究成果明確了導(dǎo)致水泥環(huán)B環(huán)空密封失效的主要原因

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3088874