温压交变对压裂井固井界面胶结的损伤分析_李微.pdf

收稿日期：；修订日期：。作者简介：李微（），女，在读硕士研究生，现从事石油与天然气固井工艺研究。：。通信作者：钱肖峰（），男，在读硕士研究生，现从事石油天然气固井工艺研究。：。基金项目：油气钻采工程湖北省重点实验室开放基金资助项目（），西安市致密油（页岩油）开发重点实验室开放基金资助项目（），湖北省教育厅重点项目（）。文章编号：（）温压交变对压裂井固井界面胶结的损伤分析李 微，钱肖峰，程荣升，杜海滨（长江大学石油工程学院，湖北武汉；油气钻采工程湖北省重点实验室（长江大学），湖北武汉；中国石化胜利石油工程有限公司，山东东营）摘要：多段压裂是低渗透、低丰度非常规油气藏投产和提高采收率的有效手段。分轮次多段压裂会导致井筒内温度压力产生周期性变化，从而对固井界面胶结密封性造成损伤，破坏水泥环完整性。为定量分析固井界面胶结的损伤程度，采用 顺序耦合将井筒温度场与压力场进行热力耦合分析，并在组合体模型界面间定义 胶结属性来模拟和分析循环温度应力场作用下的界面胶结情况。结果表明：中的 接触能有效地模拟井筒界面间的胶结状态，其分析压裂工况对界面胶结损伤的解析结果与实验数据吻合较好；井筒内周期性温度变化会加剧固井界面胶结损伤，减小水泥环弹性模量与热膨胀系数、增大水泥环泊松比能降低多段压裂工况条件下界面胶结失效的风险。分析结果可为降低多段压裂井水泥环损伤措施的制定提供依据。关键词：温压变化；界面损伤；数值模拟；物模实验；井筒完整性中图分类号：文献标识码：，（，；，；，）：，：，年 月石 油 地 质 与 工 程 第 卷 第 期：；目前国内普遍采用多段压裂技术进行储层改造，提高低渗透、低丰度等非常规油气藏的采收率。压裂过程中会向井筒内注入大排量冷流压裂液，井筒内持续增压的同时温度也会全面降低；此后，在地层热量传导作用下，井筒内温度又会逐渐恢复。在多段压裂过程中，位于射孔段上部井筒会反复承受压裂液与井筒间温差效应所产生的热应力荷载。由于地层 水泥环 套管组合体各自不同的热膨胀特性使得三者产生的变形量不一致，从而可能造成组合体界面胶结失效引发环空微环隙（以下简称微环隙），进而造成环空带压。国内外学者针对固井界面胶结失效产生微环隙的机理作了许多研究，黄熠等通过建立井筒组合体力学模型，得出固井一界面、二界面是水泥环封隔失效的风险点；赵效锋、初纬等 通过建立井筒组合体力学模型，得出固井界面受拉超过胶结强度是产生微环隙的主要原因；闫炎、朱海燕等 通过 单元模拟了微环隙的产生与扩展；范明涛、席岩等 采用数值模拟手段深入分析了套管内循环温压变化对于井筒密封性的影响。温压周期性变化会影响固井水泥环胶结密封性，但目前国内学者仅着重于界面胶结失效原理研究，尚未提出定量分析温压周期性变化对界面间胶结损伤程度的有效方法。王成文等通过 中的 值评估了界面的损伤程度，本文在此基础上通过 有限元软件建立了地层 水泥环 套管组合体模型，在组合体界面间定义 接触属性来模拟固井界面胶结状态，结合 和 计算并定义模型的周期性温压场，在数值模拟结果中监测 参数来分析温压周期性变化对于固井界面胶结的损伤程度，为制定降低多段压裂井水泥环损伤措施提供依据，预防过度压裂而导致的固井界面胶结失效问题。界面损伤模型采用 中 内聚力接触属性来模拟组合体界面间胶结密封状态，该属性基于双线性牵引分离法则混合失效模式来建立界面胶结力学性能退化模型。在该混合失效模式条件下，判断 胶结损伤分为损伤起始和损伤演化两个阶段，本模型在损伤起始阶段采用目前常用的二次名义应力准则来作为损伤起始准则。（）式中：，分别为界面法向和双切向应力，（时，；时，）；，分别为界面法向和双切向能承受的临界应力，。损伤演化阶段一般在混合模式下基于能量准则来判断，本模型在损伤演化阶段采用 准则来作为损伤演化准则：（）|（）其中 （）（）式中：、分别为胶结层、型应变能释放率，；、分别为胶结层、型临界应变能释 放 率，；为 总 应 变 能 释 放 率，；为复合断裂韧度，；为界面刚度，；为混合模式下界面开始损伤的位移，；为混合模式下界面失效时的位移，；为 常数。数值模拟研究 模型建立依据所研究井段建立的数值模拟模型（图），采用 顺序热力耦合对井筒组合体模型进行压力场与温度场耦合分析，分析压力场时，对模型施加地应力及循环管内压力载荷来模拟井筒受力情况，此时模型网格单元类型为；分析温度场时，通过 建立井筒模型来计算压裂液注入后该井段套管内温度变化数据，并将其输入 后施加周期性管内温度场，同时在 内施加地层温度来模拟井下温度环境，此时模型网格类型为。在压裂过程中，固井一界面相比于二界面胶结失效几率更高，通过 在套管 水泥环接触李 微等 温压交变对压裂井固井界面胶结的损伤分析面定义 胶结属性来模拟固井一界面胶结状态，在结果中通过监测界面 参数来分析界面胶结损伤情况，二界面设置绑定约束则不讨论。图 井筒组合体模型所建立的井筒组合体模型的几何参数、材料力学参数及材料热力学参数如表、所示，地层与套管在组合体中视为弹性体，水泥环通过赋予 塑性参数视为弹塑性体。模型几何参数取自顺南区块某井井况，水泥石材料参数为该井固井水泥石试验参数，套管型号为 套管，在建模时，为消除边界处地应力影响，地层模型边界尺寸为 ，为井眼直径的 倍以上，采用 功能设置三向地应力均为 ，设置 个分析步来模拟 个压裂轮次，注液压裂时套管内峰值压力取 ，压力卸载之后管内压力降低至 。该井段地层温度为 ，压裂液注入时该井段初始温度设为 ，由 解析出压裂液注入井筒后管内温度变化数据，并通过 中的 功能将该数据输入 作为单次压裂后管内温度变化参数。属性中接触行为刚度为，抗拉强度为 ，临界能量为 ，因子为。表 有限元模型热力学参数介质密度（）比热容（）导热系数（）膨胀系数（）套管 水泥环 地层 压裂液 表 有限元模型几何及力学参数介质外径内径弹性模量泊松比内摩擦角（）内聚力套管 水泥环 地层 结果分析固井一界面 参数随压裂轮次的变化情况如图 所示，该参数具体计算流程如图 所示。参数值等于界面间三向应力率平方和，该值达到 时即满足损伤起始条件，此时界面间达到最大胶合力，继续压裂将导致界面胶结失效而产生微环隙。由图 可见，在仅施加压力场情况下，随压裂轮次增加，水泥环会产生塑性应变并持续累积，其力学性能逐渐降低，导致固井一界面所能承载的拉应力不断降低，界面间 值逐渐增长并在 次增泄压后达到，继续压裂将使得泄压时所产生的界面拉应力超过其界面胶结强度，从而开始逐渐产生界面微环隙。在同时施加温度场和压力场的情况下，地层 水泥环 套管三者产生的热应变差异将会加剧循环应力场的影响，界面 值增长率提高，相比仅施加压力场，该值提前 个压裂轮次增长至；一界面达到界面损伤起始条件更迅速，故相同的工况条件下，井筒温度循环变化会加快固井界面的胶结损伤，更容易产生微环隙。图 界面 值随压裂轮次的变化图 参数计算流程 物模实验验证图 为固井封隔实验装置，能模拟多段压裂工石 油 地 质 与 工 程 年 第 期况来验证水泥环在循环温度压力作用下界面密封性失效情况，每次循环结束之后，通过检测一界面气窜量来判断界面间是否产生微环隙，并根据气窜量来分析微环隙扩展情况。图 为气窜量随实验循环轮次变化曲线，可见，在仅施加管内循环压力条件下，循环轮次达到 次左右时，一界面检测到气窜，说明界面拉应力已经超过了界面胶结强度，微环隙已经产生，之后气窜量随着循环轮次增加逐渐升高。在增设温度循环条件后，一界面产生气窜的循环轮次降低至 个轮次左右，相比于仅施加压力循环条件，温度循环造成组合体三者间热应变差异对微环隙的形成影响效果显著。图 固井封隔实验装置图 温压循环加载结果结合数值模拟与水泥环封隔完整性实验结果可知，通过 参数来表征固井界面的损伤状态具有较好的适用性，可为定量分析多段压裂过程中固井界面胶结损伤程度提供依据。影响因素分析水泥环完整性与其力学参数关联性极大，在保持上述温度场与压力场的条件下，开展了水泥环弹性模量、泊松比及热膨胀系数等力学参数差异对固井界面胶结损伤的影响分析。水泥环弹性模量在循环温压交变条件下，不同水泥环弹性模量（）条件下界面 参数随压裂轮次变化如图 所示。水泥环弹性模量越低，在经历压裂工况后初始界面 值越低，且增长至 所经历压裂轮次更多。说明水泥环弹性模量越低，其经历压裂工况后塑性应变累积量越低，界面胶结强度退化越缓慢，承载多段压裂工况能力更强，故压裂井应选择低弹性模量水泥环。图 水泥环弹性模量对界面 值的影响规律 水泥环泊松比图 为不同泊松比（）水泥环在循环温压条件下界面 参数随压裂轮次变化规律。泊松比对固井界面胶结强度的影响程度要低于弹性模量，泊松比为 时，水泥环在压裂轮次达到 次之后界面 值逐渐达到，界面胶结开始失效；而低泊松比水泥环界面 值相对更快增长到，界面胶结产生损伤所经历压裂次数更低，故高泊松比水泥环有利于保障压裂井水泥环密封完整性。水泥环热膨胀系数图 为不同水泥环热膨胀系数（）条件下界面 参数随压裂轮次增长的变化规律。随水泥环热膨胀系数增大，界面 值增长速率逐渐提高，水泥环热膨胀系数增大提高了水泥环受热后产生的热应变，使水泥环在经历压裂工况后塑性应变量增大，更容易产生界面损伤。故适当降低水泥环热膨胀系数有利于降低压裂对于固井界面胶结的损伤。李 微等 温压交变对压裂井固井界面胶结的损伤分析图 水泥环泊松比对界面 值的影响规律图 水泥环热膨胀系数对界面 值的影响规律 结论（）多段压裂过程中周期性温度变化会加剧固井界面胶结损伤，导致水泥环塑性应变累积加快，更容易引发微环隙的产生。（）在 中定义组合体之间 接触能较好地模拟井筒组合体界面间的胶结状态，界面 参数的变化与多段压裂对界面胶结的损伤程度有较好的吻合性，该方法能有效分析多段压裂对界面胶结强度的损伤情况。（）低弹性模量、高泊松比、低热膨胀系数水泥环能弱化压裂过程中温压变化对井筒组合体界面胶结的损伤程度，为制定降低多段压裂井水泥环损伤措施提供了依据。参考文献 孔祥迪 油田压裂增产改造工艺技术探讨 中国化工贸易，（）：刘巨保，黄茜，杨明，等 水平井分段压裂工具技术现状与展望 石油机械，（）：罗振清 压裂工艺在低渗透油藏的应用 石化技术，（）：李强 油田压裂增产改造工艺技术研究 当代化工研究，（）：田中兰，石林，乔磊 页岩气水平井井筒完整性问题及对策 天然气工业，（）：李德旗，张华，郭玉超，等 气井生产期间井筒内温度变化对水泥环密封完整性影响的研究及应用 钻采工艺，（）：林元华，邓宽海，易浩，等 强交变热载荷下页岩气井水泥环完整性测试 天然气工业，（）：郭辛阳，步玉环，沈忠厚，等 井下复杂温度条件对固井界面胶结强度的影响 石油学报，（）：，：，（）：黄熠，陈浩东，郑浩鹏，等 套管偏心对压裂井水泥环力学完整性的影响研究 中国海上油气，（）：赵效锋，管志川，史玉才，等 固井界面微环隙产生机制及计算方法 中国石油大学学报（自然科学版），（）：初纬，沈吉云，杨云飞，等 连续变化内压下套管 水泥环 围岩组合体微环隙计算 石油勘探与开发，（）：闫炎，管志川，徐申奇，等 体积压裂过程中固井界面微环隙扩展的数值模拟 中国石油大学学报（自然科学版），（）：朱海燕，赵军，邓金根，等 水力压裂过程中微环隙的产生和扩展的数值模拟 计算机辅助工程，（）：范明涛，柳贡慧，李军，等 热交变压力下水泥环界面微间隙产生机理研究 科学技术与工程，（）：席岩，李方园，王松，等，利用预应力固井方法预防水泥环微环隙研究 特种油气藏，（）：王成文，杨乐，薛毓铖，等 南海天然气水合物地层固井二界面胶结特性模拟 中南大学学报（自然科学版），（）：王才，史宏斌，刘沛，等 温度循环载荷对柔性接头界面损伤的影响 计算力学学报，（）：（编辑 杜建波）石 油 地 质 与 工 程 年 第 期