水壓作用下套管井的應力分析與流體竄槽機制研究.pdf

1、水力壓裂的目的在于增加地層的裂縫，但壓裂也可能導致壓裂液沿套管井的水泥環(huán)及其周圍空間流動，俗稱竄槽。竄槽會使儲層之間相互污染，導致試井時油層出水等現(xiàn)象，并且影響壓裂的順利進行。本文研究水力壓裂引起竄槽的條件，并考慮避免竄槽的對策。
　　本文分別按強度理論和斷裂力學方法研究了壓裂過程中引起套管井失去水力封隔效能的兩類通道的形成機制。這兩類通道是：套管井水泥膠結(jié)良好，但水泥環(huán)因強度不足而發(fā)生脆性破壞，形成竄槽通道；水泥與套管之間（第一

2、界面）或者水泥與地層之間（第二界面）在壓裂之前就存在微小流體間隙，壓裂過程中微間隙擴展而形成竄槽通道。針對界面膠結(jié)完好的套管井段，利用三維有限元模擬了水泥環(huán)脆性破壞導致的竄槽行為。分析了水壓作用下套管井射孔附近區(qū)域的應力狀態(tài)，計算了使地層或水泥環(huán)破壞的臨界注水壓力，并研究了不同介質(zhì)參數(shù)、射孔條件和地應力條件下水泥環(huán)的抗竄能力。研究表明，用低楊氏模量、高泊松比的水泥進行固井，可以有效防止水泥環(huán)竄槽。在低楊氏模量、高泊松比的地層進行壓裂會導

3、致水泥環(huán)竄槽的發(fā)生。射孔條件以及地應力的偏應力對水泥環(huán)竄槽機制影響不大。而地應力的靜水壓會影響水泥環(huán)的水力封隔能力。
　　本研究將界面流體間隙視為含水界面裂紋，研究了套管井界面裂紋在水壓作用下的擴展。壓裂過程中界面裂紋的擴展會導致竄槽發(fā)生。本文分別針對第一界面和第二界面存在裂紋的套管井，利用內(nèi)聚力單元模擬界面的力學行為，分析了水泥屬性、地層屬性和地應力對界面竄槽的影響。結(jié)果表明，高楊氏模量、高泊松比的水泥會提高固井界面的抗竄能力。