多级压裂套管偏心条件下微环隙发展规律研究

页岩储层开发过程中主要采用水平井和多级压裂技术,其水平段较长易导致套管偏心,进而影响到井筒水泥环密封完整性。为此,基于多级压裂过程中套管内压多次升高和降低的实际情况,建立了套管偏心条件下、循环加卸载作用下微环隙产生和发展的数值模型,基于Mohr-Coulomb准则和损伤理论,计算了多级压裂过程中循环载荷作用下水泥环内边界处累积塑性应变以及微环隙宽度,分析了偏心距、偏心角对于微环隙发展的影响。研究结果表明:相比于套管居中条件,套管偏心后同等循环次数下微环隙宽度更大,增大了水泥环密封完整性失效的风险;随着偏心距的不断增加,最大塑性累积应变区域发生变化,且微环隙宽度不断增加;当水平最小主应力低于垂向地应力时,且循环加卸载次数高于一定值时,随着偏心角的不断增加,微环隙宽度不断降低,且降幅不断增加。研究结果可为多级压裂过程中井筒密封完整性的预防和控制提供参考。

水力压裂过程中微环隙的产生和扩展的数值模拟

套管-水泥环-地层两两界面的密封失效致使高压气体上窜至井口而引起环空带压,给油气田的勘探开发带来安全和环保隐患.采用Abaqus的黏弹性损伤cohesive孔压单元建立套管-水泥环-地层界面水力压裂过程中压裂液周向窜流的有限元模型,对水力压裂过程中微环隙的产生和扩展的数值模拟进行分析.结果表明:只要第一界面或者第二界面胶结强度小于地层的抗拉强度,不论射孔方位大小,井眼周围均会产生微环隙.在油气田完井时需要合理确定水泥石的强度参数,以避免微环隙的产生.

页岩气体积压裂固井界面微环隙产生机理研究

页岩气体积压裂施工过程中地层性质以及固井质量的变化,可能会导致固井界面微环隙的产生,从而威胁油气井的正常生产。为了准确了解页岩气井施工过程中固井界面微环隙的产生规律,基于分步有限元方法,采用场变量以及生死单元技术构建了考虑固井界面存在微环隙的井筒组合体变形数值模型,分析了水泥浆失重、压裂过程中地应力、地层弹性模量变化以及水泥环性质对固井界面微环隙的影响。研究结果表明:压裂过程中地应力的亏空以及水泥浆的失重提高了微环隙产生的概率。微环隙尺寸随着压裂过程中地层弹性模量的降低有所减小;根据施工环境,适当降低水泥环弹性模量有助于降低固井界面微环隙产生的概率。建立的有限元模型以及研究结果能够为压裂施工作业中油气井环空带压的产生提供理论依据。

微环隙带压对套管可靠性的影响

页岩气开发目前仍存在诸多问题,水平井分段体积压裂中套管失效是其中之一。基于弹塑性力学原理和平面应变问题求解方法,应用ABAQUS软件建立了微环隙带压下套管受力和位移的有限元计算模型。应用该模型进行了算例分析和现场验证,并分析了施工压力、套管的几何及物理参数等可控因素对套管可靠性的影响。研究表明,套管本身强度足以应对正常设计方案中的受力情况,然而微环隙带压等特殊事件会导致套管失效。另外,套管压力和微环隙压力共同对套管可靠性产生影响,两者差值越小套管可靠性越高。而对于套管的弹性模量和壁厚来说,数值越大,套管可靠性越高。结合模型和影响因素分析,建立了一套工作流程作为控制方法,使得在压裂设计阶段,可以对现有设计方案进行优选及改进,从而能够在存在微环隙带压的恶劣情况的实际作业中,保护套管的可靠性。

固井第一界面微环隙对声波传播规律的影响

为消除微环隙对固井质量评价的影响,研究微环隙对声波传播的影响规律是非常必要的。针对微环隙对声波传播的影响,分别进行了实验室试验和理论计算。试验采用简化的平板模型,用中间挖空填水的超薄塑料薄膜来模拟充水微环隙。根据试验模型的特点,由声波在多层介质平面层的透射理论得到微环隙影响声波传播的理论计算公式。试验结果表明,声波首波幅度随微环隙尺寸的增大而减小,当微环隙尺寸增大至0.1mm时声波透射幅度减小70%左右,这会造成测井时接收到的反射波声幅的增大,可能将固井质量合格的井解释为不合格。理论计算印证了试验结果,同时也说明声波传播对充气微环隙的敏感程度高于充水微环隙。研究得出,微环隙对声波传播的影响是非常显著的,在声波测井中其影响规律可以应用于对固井质量的评价中。

关于固井质量解释中微环隙的问题

在固井候凝期间,由于蹩压引起套管弹性膨胀,在水泥环与套管之间形成微环隙。本文就此问题进行理论推算,并针对国内各种规格套管作出微环隙计算图版。

微环隙对CBL/VDL测井曲线的影响分析

由于水泥凝固时的温度、压力变化,新套管上的油漆或套管上的油脂等都会使套管与水泥之间产生微小间隙,此间隙一般在0.1mm左右,不会造成窜槽,但使套管波波幅变大,形同胶结不好。此种情况下,CBL和VDL测井所受的影响基本相同,无法准确判断实际的固井情况。根据理论模拟和实际资料分析,探讨了微环隙存在时的套管波特征。研究发现,利用CBL/VDL现有的评价固井质量标准会产生测井解释错误。因此,各个油田应根据自身经验,在CBL/VDL现有的评价固井质量标准基础上制订适合该油田的固井质量评价体系。

连续变化内压下套管-水泥环-围岩组合体微环隙计算

固井后井筒内压力的变化可能导致水泥环破坏或使水泥环产生塑性变形,从而在第一界面或第二界面处产生微环隙。基于Mohr-Coulomb准则,建立了套管-水泥环-围岩组合体弹塑性分析模型,对套管内压力加载和卸载过程进行分析,以界面拉力大小判定是否产生微环隙,并给出了微环隙大小的计算公式。使用该模型对前人的气窜实验进行模拟,理论结果与实验结果相符。分析结果表明,微环隙的产生由加载和卸载过程共同决定。加载过程可能会使水泥环进入塑性,而卸载时内压降低将导致界面受拉,从而产生微环隙。第一界面、第二界面均可能产生微环隙,取决于界面胶结强度与界面拉力的关系。卸载时,第一界面拉力大于第二界面拉力,当两个界面胶结强度接近时,第一界面更容易产生微环隙。该模型可用于评价水力压裂等过程中水泥环密封失效的风险,为现场施工提供依据,从而降低井筒密封完整性失效的风险。

体积压裂过程中固井界面微环隙扩展的数值模拟

射孔完井作业中射孔会对水泥环完整性造成破坏,尤其是固井界面微环隙的产生,导致后续压裂过程中出现环空带压与环空窜流的问题。针对此问题,建立压裂过程中水泥环界面微环隙扩展三维模型,通过Cohesive单元损伤模型模拟固井界面在体积压裂过程中微环隙的扩展,对界面微环隙的扩展长度进行分析计算,研究不同参数对压裂过程中固井界面失封长度的影响。结果表明:适当降低水泥环弹性模量,提高水泥石与套管、地层的胶结强度有利于减小水泥环界面微环隙扩展长度,保证水泥环有效封固;研究结果能够对体积压裂条件下的水泥环封固性能进行评价和预测。

利用预应力固井方法预防水泥环微环隙研究

深层页岩气水平井环空带压问题较为普遍,套管-水泥环界面处微环隙是导致环空带压的主要原因。针对该问题,运用力学实验手段和数值模拟方法,分析了预应力固井条件下微环隙的产生与发展,明确了不同预应力条件下水泥环耐受压裂段数。结果表明:套管内压越小,水泥环保证密封完整性时可承受的循环载荷次数越多;循环载荷作用下微环隙宽度为30.89μm是发生气窜的临界值。预应力固井显著降低了初次塑性变形量,增大了塑性变形增量;考虑预应力作用下套管产生的径向预应变,预应力固井技术显著降低了微环隙的宽度,增加了多级压裂过程中水泥环密封完整性的耐受压裂段数。预应力值越高,微环隙出现前的耐受压裂段数越多;压裂段数相同的情况下,预应力越大水泥环微环隙越小。现场应用结果表明,采用预应力固井技术及低弹性模量水泥浆,可以有效缓解深层页岩气水平井套管环空带压现象。研究结果可为页岩气水平井固井提供技术支持。

循环载荷作用下微环隙的产生及演变

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。

固井界面微环隙产生机制及计算方法

针对油气井生产过程中固井界面微环隙的产生和发展规律进行仿真试验研究,并对套管-水泥环界面的黏结力进行测量,基于以上研究建立固井界面微环隙的理论计算方法。结果表明:套管内压过大导致水泥环产生塑性变形,套管内压减小时固井界面将受拉,实测固井界面存在数量级为0.1 MPa的黏结力,当界面拉力足以克服界面黏结力时,固井界面将会脱离产生微环隙;套管内压值越大,压力卸载后产生微环隙的机率越大,且微环隙尺寸越大;相同胶结质量下固井一界面比二界面更容易产生微环隙;理论计算结果与仿真试验结果具有较好的一致性。

微环隙对声幅测井影响的定量计算及校正

为了消除微环隙对声幅测井曲线的影响,提高固井质量评价精度,在分析声波在介质中传播特性的基础上,分别建立了胶结良好时和微环隙存在时的各界面分层介质模型,并对2种情况下声幅测井接收到的声波强度表达式进行了推导,得到了声幅比值的表达式。该表达式可以量化微环隙对声幅测井的影响,并对声幅测井曲线进行校正。实例应用表明,实例井声幅测井曲线在校正后的最高相对声幅值从57%～59%降至36%～38%,固井质量评价结果由原来的胶结差变为胶结一般。由此可以看出,微环隙对声幅测井评价固井质量的影响是很大的,很容易对固井质量产生错误的评价,因此有必要对其校正,以提高固井质量评价的准确性。

循环载荷作用下水泥环完整性试验研究

在页岩气井多级压裂过程中,从地下很难直接获取水泥环温度和应变等用于评估其完整性的信息。为此,结合光纤光栅传感技术和全尺寸物理模拟试验装置,通过试验获得了水泥环在候凝阶段和完井阶段的温度和应变变化规律,分析了压力和温度循环载荷对水泥环完整性的影响。研究结果表明:在候凝阶段,水泥环峰值温度比养护温度高1.9℃,水泥环周向应变为拉应变,最大值为403.7×10^(-6)m/m;在完井阶段,在40和50 MPa内压循环载荷作用下,水泥环产生塑性应变并不断累积,当累积塑性应变达到临界值87.1×10^(-6)m/m时,界面微环隙会导致环空气体泄漏;在温度循环载荷作用下,水泥环产生周向压应变,该收缩会在第一界面产生周向和径向拉应力,导致出现微环隙的风险增加。研究结论可为多级压裂现场施工提供理论参考。

套管与水泥环微间隙的计算

根据弹性力学原理，计算了固井施工作业后浮鞋、浮箍失灵需井口施压时套管和水泥环界面（即第一界面）的微间隙。计算结果和现场试验均表明，大庆地区调整井固井后井口施压高于平衡压力２．０～３．

循环应力作用下水泥环密封性实验研究

利用自主研发的水泥环密封性实验装置研究了套管内加卸压循环作用下水泥环的密封性,根据实验结果得出了循环应力作用下水泥环密封性失效的机理。实验结果显示,在较低套管内压循环作用下,水泥环保持密封性所能承受的应力循环次数较多;在较高循环应力作用下,水泥环密封性失效时循环次数较少。表明在套管内较低压力作用下,水泥环所受的应力较低,应力水平处于弹性状态,在加卸载的循环作用下,水泥环可随之弹性变形和弹性恢复;在较高应力作用下,水泥环内部固有的微裂纹和缺陷逐渐扩展和连通,除了发生弹性变形还产生了塑性变形;随着应力循环次数的增加,塑性变形也不断地累积。循环压力卸载时,套管弹性回缩而水泥环塑性变形不可完全恢复,2者在界面处的变形不协调而引起拉应力。当拉应力超过界面处的胶结强度时出现微环隙,导致水泥环密封性失效,水泥环发生循环应力作用的低周期密封性疲劳破坏。套管内压力越大,水泥环中产生的应力水平越高,产生的塑性变形越大,每次卸载时产生的残余应变和界面处拉应力也越大,因此引起密封性失效的应力循环次数越少。

套管试压对水泥环密封性的影响

套管试压后产生的微环隙是导致水泥环密封性下降的主要原因之一.根据套管-水泥环受力模型,推导了套管试压后产生的微环隙的定量计算公式.通过计算对影响微环隙尺寸的因素进行了分析.结果表明:试压时微环隙的尺寸与井口压力成正比;与围岩压力、水泥环的厚度呈负线性相关;随套管壁厚的增加而减小;随水泥环弹性模量的增加呈先增大后减小趋势.在水泥环弹性模量为25GPa时,微环隙的尺寸最大,但在其弹性模量小于25GPa时,弹性模量对减小微环隙尺寸的作用更明显,故对于需要高压套管试压的油气井,宜选用低弹性模量的水泥石.

页岩气井套管内压周期变化对水泥环密封失效的实验研究

压裂、回注、储气库注采等作业将造成套管内压的循环变化,最终导致水泥环的密封失效。针对前人套管内压循环变化造成水泥环密封失效破坏的实验研究并结合最新的实验结果,分析了是否考虑地层岩石约束两种井眼系统工况条件下的水泥环失效破坏方式。分析结果显示:未考虑地层岩石约束的实验易导致水泥环的周向拉伸破坏而产生径向裂纹;套管-水泥环界面过渡区的存在能降低水泥环的径向压应力和周向拉应力,从而降低水泥环产生拉伸破坏的风险;考虑地层岩石的约束时,水泥环内外界面受到套管和地层岩石的径向和周向约束,阻止了已经达到拉伸强度极限的水泥环发生拉伸破坏而产生径向裂纹的趋势;套管内压增大时,井下工况中水泥环主要发生塑性屈服破坏产生微环隙,基本不会发生周向拉伸破坏。研究成果可为固井优化设计提供参考。

CO_(2)封存井筒密封性及强化方法

考虑CO_(2)封存井筒的实际服役环境,基于有限元方法建立了含水泥腐蚀层的井筒屏障模型,模拟了水泥塞-地层界面微环隙发育过程,厘清了流体驱动下微环隙扩展机制及主控因素,提出了井筒密封性强化方法。模拟结果表明:超临界CO_(2)聚积会引起水泥胶结面应力改变,当界面处应力由压应力转为拉应力,且应力值高于界面胶结强度时,井筒便会产生微环隙;若水泥腐蚀后腐蚀层刚度、界面胶结强度下降,则井筒密封能力下降;膨胀性添加剂可提高胶结面初始压应力,进而增强井筒密封性。当水泥塞膨胀率为0.5‰时,微环隙扩展压力上升43.7%,微环隙长度下降了42.7%,井筒密封性得到显著增强。

套管内压周期变化水泥环应力计算与失效分析

套管内压周期变化导致的水泥环密封失效已经严重影响到天然气的安全高效开发,试验结果显示,是否考虑地层岩石的存在将导致研究结果中水泥环破坏方式的差异。鉴于此,建立了不同地层岩石存在情况下水泥环应力状态力学分析模型并计算了水泥环的应力状态。研究结果表明:未考虑地层岩石约束时水泥环发生的拉伸破坏与试验结果相同;考虑地层岩石约束的水泥环,由于套管和水泥环外壁地层岩石的约束,水泥环径向裂纹的发生和发展受到限制,即使套管内压增加使水泥环周向应力大于其抗拉强度,水泥环上仍然不会产生径向裂纹;周期载荷作用下水泥环的残余应变将造成套管-水泥环界面径向压应力降低甚至变为径向拉应力,产生界面微环隙,这是最终导致水泥环密封失效的主要因素。研究成果可为油田现场固井优化设计提供参考。