射孔條件和材料屬性對水壓作用下套管井強度影響的研究.pdf

1、水力壓裂的目的在于壓裂儲層使其產(chǎn)生裂紋并擴展，提高滲透率，增加產(chǎn)量、延長套管井的使用壽命等，它不僅廣泛用于油氣田中后期開采，而且是頁巖氣、致密油氣田等非常規(guī)油氣田開發(fā)的必不可少的工程措施。水力壓裂作業(yè)之前，需對套管井射孔，使孔洞穿透鋼套管和水泥環(huán)并進入地層，形成流體通道。射孔和水力壓裂，可能致使套管井的水泥環(huán)破壞，導致水泥封隔能力失效，引起儲層與相鄰層之間流體沿套管井水泥環(huán)周圍的竄通，即石油工程界特別不希望出現(xiàn)的“竄槽”現(xiàn)象。竄槽會連通

2、油氣儲層和水層，從而污染油氣層，降低出油效率，甚至直接導致井孔報廢。目前，只是在射孔和壓裂前采用聲波測井方法測量套管井的水泥固井質(zhì)量，以便發(fā)現(xiàn)由于固井質(zhì)量差引起的竄槽。工程技術(shù)人員已經(jīng)注意到了水力壓裂對套管井水力封隔能力的影響，但關(guān)于射孔形狀和射孔尺寸對地層壓裂和套管井破壞先后次序影響的研究還缺少細致的研究。本文研究含射孔的套管井在水壓作用下的應力分布、破壞先后次序，給出壓裂過程中防止竄槽建議，其中特別考察了射孔形狀、射孔尺寸、水泥和地

3、層參數(shù)的影響。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　?。?）針對套管-水泥環(huán)-地層界面膠結(jié)良好的情況，應用ABAQUS有限元軟件建立套管井的三維模型，分析了壓裂液水壓作用下套管井射孔附近區(qū)域的應力分布狀態(tài)。
　?。?）采用最大拉應力強度破壞準則，計算致使地層和水泥環(huán)破壞的臨界注水壓強，比較分析水壓作用下地層與水泥破壞的優(yōu)先次序，考察了破壞次序隨水泥和地層參數(shù)的變化。如果水泥先于地層破壞，水泥環(huán)就失去水力封隔能力。通過模擬，發(fā)現(xiàn)使用低楊

4、氏模量、高泊松比的水泥可以提高水泥環(huán)的水力封隔能力。在高楊氏模量、低泊松比的地層進行水力壓裂有利于避免竄槽現(xiàn)象的發(fā)生。地應力中的靜水壓對竄槽現(xiàn)象有影響，但偏應力部分對其作用不大。
　?。?）考察了射孔條件對水泥環(huán)水力封隔能力的影響，發(fā)現(xiàn)射孔條件對于水壓作用下套管井周圍的應力分布和破壞次序至關(guān)重要。射孔尖端形狀很重要，選取合適的射孔尖端形狀，是模擬接近真實情況的保障。本文選取射孔尖端為圓錐面的套管井模型，分別對射孔密度、射孔角度、射

5、孔半徑以及射孔長度等要素進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)除了射孔半徑尺寸外，其余條件僅影響破裂壓強的大小，對水力封隔能力影響不大。射孔半徑過小或者過大都會引起水泥環(huán)的竄槽現(xiàn)象，合理的選取射孔半徑尺寸是保證正常水力壓裂的前提。
　?。?）提出了預防竄槽的方案。固井時盡可能選擇高泊松比，低楊氏模量的水泥；壓裂時盡可能選擇低泊松比，高楊氏模量的地層，且水平地應力較大，垂直地應力較小的地段進行。射孔方面最主要是控制好射孔半徑的尺寸，合理的控制射孔條件