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。     

页岩气井环空带压临界控制值计算方法

页岩气井由于大规模压裂导致井筒完整性破坏而引起大量环空带压问题，严重影响页岩气井的安全生产。针对页岩气井环空带压问题，基于API RP 90-2环空带压临界控制值计算方法，考虑页岩气井储层压力、产量变化、腐蚀以及磨损等因素，分析实际生产中环空各组件承压能力随服役时间的变化情况，建立了页岩气井环空带压临界控制值计算方法及环空带压控制图版，并进行了实例计算。研究结果表明，页岩气井环空带压临界控制值在服役早期主要受井口装置、技术套管承压能力影响，到服役后期时，随着腐蚀及地层压力降低，主要受油管薄弱点抗外挤强度影响，且随服役时间、腐蚀速率增加而不断降低，当环空带压控制值小于地层压力时，需要对环空压力值进行监测并采取相应措施，以保证现场安全生产。     

热交变压力下水泥环界面微间隙产生机理研究

目前中国四川地区页岩气开发均采用大排量分段压裂工艺技术,压裂改造过程中套管内温度以及压力的变化可能会导致油气井水泥环界面微间隙的产生。为此利用ABAQUS软件建立了热力耦合下的套管-水泥环-地层组合体有限元瞬态分析模型。基于前人实验的基础上,对温压耦合下的固井界面力学响应进行了模拟;同时分析了交变压力下微间隙的产生对组合体温度场分布的影响。研究结果表明:1微间隙的产生改变了组合体温度变化的连续性,后续施工过程中,套管温度基本接近注液温度;2井筒内的温度变化、套管内压作用下的水泥环塑性变形以及泄压后的井筒内压是导致微间隙产生的主要原因;3不同注液温度下,微间隙尺寸随着水泥环弹性模量的增大而增大。上述研究成果为压裂施工作业中油气井发生气窜以及环空带压的产生机理提供了理论依据。     

分段压裂过程中射孔段水泥环密封完整性的数值模拟

水平井射孔段井筒由于孔眼的存在,在分段压裂过程中应力集中现象极易加剧固井水泥环的破坏。此外,由于高压压裂液直接作用在水泥环孔眼壁面上,使其完整性在压裂过程中遭受的挑战更大。本文建立了热流固耦合数值模型旨在分析分段压裂过程中射孔段水泥环内部的温度与应力变化,研究了套管内压、压裂液排量、水泥弹性模量、孔径与孔密对于水泥环密封完整性的影响规律。计算结果表明,压裂过程中水泥环一界面、二界面以及孔眼处均会产生剪切破坏。考虑瞬态力热耦合作用时,水泥环孔眼处失封风险提高。压裂液排量、孔径与孔密对水泥环切向应力影响较小;套管内压与水泥环弹性模量的降低虽然可在一定程度降低剪切破坏系数,但难以避免射孔段水泥环压裂初期的剪切破坏。     

页岩气井环空带压安全风险定量评价方法研究

针对页岩气开发过程中井筒完整性失效引发的环空带压问题,开展了页岩气井井筒环空带压安全风险定量评估研究。基于模糊综合评判理论,充分考虑页岩气井的井筒实体屏障、流体屏障、运行管理等实际情况,建立了以环空压力、固井质量和地层完整性3个关键风险指标为依据的页岩气环空带压井安全风险评估方法,在某页岩气田进行了应用,对19口环空带压井的风险值和风险度进行了定量评估,并根据风险评价结果,从环空最大许可带压值确定、环空带压诊断、环空带压监测管理等方面给出了一套页岩气井环空带压安全管控推荐作法,研究成果为页岩气井的安全生产提供了重要的技术指导。     

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.     

页岩气钻采技术现状及展望

作为发展迅速的非常规能源,页岩气已成为全球能源界的焦点。页岩气钻采技术不同于普通油气井。本文回顾了页岩气钻井发展过程,介绍了页岩气开发中的水平井技术。组合式桥塞完井、水力喷射射孔完井、机械式组合完井是页岩气井完井的主要方式。页岩气开发的核心技术之一是压裂技术,主要包括水平井多级压裂、重复压裂、清水压裂、水力喷射压裂、同步压裂等。最后本文对页岩气的水平井钻井技术和压裂技术的发展方向进行了展望。     

乌石17-2油田压裂井水泥环完整性评价

为了准确评价压裂井固井水泥环完整性,针对乌石17-2油田压裂井开展了交变载荷条件下的水泥环完整性失效评价实验,并基于交变压力疲劳累积损伤原理及失效准则分析了压裂井水泥环完整性失效原因,并得到了围压30MPa及交变载荷条件下水泥环完整性的失效规律。结果表明：①交变压力使水泥石内部组织受到损伤,其力学性能指标（如抗压强度等）随着交变压力循环次数的增加而降低;②套管-水泥石界面粘结强度较小,压裂加压过程中水泥环塑性累积导致卸压时套管与水泥环界面应变不一致,当界面拉应力超过界面粘结强度时,界面分离形成微环隙;③围压30MPa及交变载荷条件下水泥环完整性失效首先以微环隙为主,增大水泥石弹性及变形能力有助于保障其完整性。该结论可为乌石17-2油田压裂井水泥浆体系完善及压裂施工作业提供技术参考,有助于保证压裂井水泥环完整性。     

固井滑套多级分段压裂完井水泥环对地层破裂影响研究

固井开关滑套多级分段压裂完井工艺是为解决胜利油田低渗透难动用储量和非常规油藏的新技术,在非射孔条件下水力能量是否能突破水泥环并成功压裂地层是该工艺面临的主要问题。通过数值模拟结合室内试验,评价该完井工艺中水泥环弹性参数的影响。研究表明,水泥环强度降低过程,储层井周地层最大主应力呈增大趋势,有利于岩石起裂。但增大滑套通道口与原始最大水平地应力间的方位角时,井周地层最大主应力会降低,降低了压裂的进程,使得井周地层应力处于临界应力状态。水泥环胶结强度的数值模拟研究表明一旦突破水泥环后,压开地层效果显著,水泥胶结强度的影响是可忽略的。室内实验证实固井开关滑套压裂完井工艺水泥环在较低的压力下即可破裂,对压裂时压开储层影响不大。研究结论对优化和改进固井开关滑套多级分段压裂完井工艺及其在低渗透储层油藏应用提供了理论支持。     

CCUS地质封存下水泥环密封完整性失效机理及控制措施

CO₂封存过程中,水泥环作为套管-水泥环-地层组合体中最薄弱的环节,在压力变化尤其是交变压力的作用下,水泥环密封完整性失效的风险极大,其完整性失效容易导致CO₂从环空中泄露至地表,严重影响CO₂的封存。基于已建立的水泥环组合体弹塑性模型,利用MATLAB进行模拟分析,研究了全井段水泥环密封完整性失效机理以及相应的控制措施。研究结果表明,水泥环密封完整性失效主要与水泥环进入塑性产生的塑性应变累积有关,并且无论是在浅层段还是深层段,只要水泥环进入塑性,在多次交变压力的作用下,就有产生“界面应力反转”的风险,导致水泥环密封完整性的失效。要想避免水泥环密封完整性的失效,应首先避免水泥环进入塑性状态,即提高水泥环屈服内压；浅层段,低弹性模量的水泥环可增加水泥环屈服内压；深层段,在水泥环泊松比“临界点”之上,降低水泥环弹性模量可有效提高水泥环屈服内压,在水泥环泊松比“临界点”之下,增加水泥环弹性模量可提高水泥环屈服内压。当由于套管压力过大,水泥环不得不进入塑性状态时,低弹性模量和高泊松比的水泥环可以降低卸载后的水泥环残余应力,延缓“界面应力反转”现象的发生。     

基于分步有限元法的多级压裂过程中套管应力敏感性分析

目前中国四川地区页岩气开发大多采用大排量分段压裂工艺技术,部分页岩气井在施工过程中出现套管变形的现象,导致后续施工改造无法顺利进行,严重影响了页岩气井的正常生产。因此准确了解压裂过程中套管应力的变化规律具有重要意义。区别于传统模型,基于分步有限元方法,考虑了钻井、完井、压裂整个施工过程,构建了页岩各向异性下套管-水泥环-地层组合体有限元分析模型,模拟多级压裂过程中组合体应力以及温度场随时间的变化特征。分析了两种模型下注液温度、套管内压、地应力变化、地层孔隙压力变化、水泥环弹性模量以及地层弹性模量等因素对套管受力状态的影响。研究结果表明:(1)压裂过程中,采用传统模型会低估套管应力的增大程度;(2)大排量压裂施工过程中,井筒内温度震荡变化,注液温降导致套管应力明显升高;(3)地应力分均匀性以及孔隙压力的增大会导致套管应力有所增加;(4)页岩各向异性对套管应力的影响较小,其中地层性质的下降会导致套管损坏的几率增加。因此在今后的页岩气压裂改造过程中,有必要采用分步有限元模型,综合考虑这些影响因素,合理优化相关的压裂作业参数,从而确保后续压裂完井作业的正常进行。     

断层滑移条件下页岩气井套管变形影响因素分析

目前,中国四川盆地页岩气区水平井多级压裂过程中的套管变形问题日益突出,导致桥塞无法顺利下入,丢段现象突出,严重影响页岩气的高效开发.研究表明,断层滑移剪切套管是造成套管变形失效的主要因素之一,而断层滑移对套管变形量的影响规律有待进一步理清.为研究上述问题,建立了断层界面滑移下的井筒变形数值模型,分析了断层滑移条件下套管变形量及相关影响因素.结果表明:地层滑移量与套管变形量间基本呈线性正关系;断层夹角即滑移界面与井筒的夹角对套管变形量影响明显,当夹角为90°时套管变形量最大;低弹性模量水泥环对套管的保护更为有利;通过优选与井眼相配合的套管尺寸有利于缓解套管变形问题.断层滑移条件下套管变形量的计算模型对于中国页岩气井套管变形问题的缓解可以奠定理论基础.     

水力压裂过程中水泥环裂缝扩展的数值模拟

射孔后水泥环内产生初始裂缝,压裂过程中裂缝的扩展将为环空窜流的发生提供通道。针对此问题,根据水力压裂流固耦合理论模拟水泥环径向裂缝在体积压裂过程中的扩展过程,分析了套管内压、水泥弹性模量、地层孔隙压力等参数对压裂过程中水泥环裂缝扩展长度的影响规律。结果表明：压裂过程中射孔段水泥环径向裂缝扩展过程主要发生在压裂初期,且缝口与缝尖处的压力差随着压裂的进行逐渐缩小。较高的地层孔隙压力、较低的套管内压与高强度低模量水泥有利于减小水泥环径向裂缝扩展长度,保证水泥环有效封固。本文研究结果可为水平井体积压裂的射孔簇间距与压裂段间距的选取提供参考。     

页岩气试井技术在分段压裂水平井中的应用

目前已掀起页岩气勘探开发的热潮,针对页岩气的研究主要集中在地质及钻完井,而针对页岩气试井动态方面的研究几乎是空白,研究具一定的先导性。建立了页岩气藏无限导流分段压裂水平井评价模型,讨论了扩散、吸附等参数对压力动态的影响,分析了均质页岩气藏中无限导流分段压裂水平井的压力动态特征,解决了无法确定页岩气藏分段压裂水平井动态参数的难题,形成了均质页岩气藏分段压裂水平井的典型曲线。研究成果可为页岩气藏分段压裂水平井的合理高效开发提供技术支持。     

基于拉伸胶结强度的水泥环一界面完整性评价

油气井工作液密度降低或油气开采必将导致井筒内压降低,使水泥环一界面受到拉伸作用,造成水泥环与套管发生剥离,从而产生微环隙。过去由于没有拉伸胶结强度测量装置和方法,在进行水泥环封隔完整性研究和设计时,均采用水泥环一界面的剪切胶结强度或者水力胶结强度,导致在水泥浆体系优选和封隔完整性设计时存在不足。为此,根据水泥环工作时的受力过程,研制了水泥环一界面拉伸胶结强度测试装置并提出了相应的测量方法,基于该装置进行了水泥浆体系优选及一界面封隔完整性评价。通过对比水泥环一界面拉伸胶结强度和剪切胶结强度,发现前者约是后者的0.37～0.45,采用剪切胶结强度进行水泥浆体系优选或封隔完整性评价可能导致水泥环一界面封隔失效。实验发现,在高压养护条件下胶乳水泥浆体系一界面拉伸胶结强度大于膨胀增韧水泥浆体系和自愈合水泥浆体系一界面拉伸胶结强度。将水泥环一界面拉伸胶结强度作为油气井固井水泥浆实验设计、评价水泥环封隔完整性的重要依据之一,更能保证油气井安全生产运行。     

页岩气水平井油井水泥的原位增韧技术研究

针对页岩气水平井开发过程中油井水泥作为一种非均质多孔脆性复合材料，难以承受大型水力压裂带来的非均质载荷，导致水泥环的力学完整性失效破坏问题，开展了油井水泥原位增韧技术研究。研究中采用了固相烧结法和球形重淬技术，获得了微晶铁铝酸钙（MB）作为原位增韧材料。研究结果表明，制备的原位增韧材料在提升力学性能的基础上降低了水泥石的弹性模量，养护7 d后的抗压强度可达24 MPa，抗拉强度提升50%，弹性模量降至5.55 GPa。微晶铁铝酸钙的增韧机制为：“裂纹偏转”、“裂纹终止”、“消耗断裂能”。该研究的开展对满足以页岩气开采条件下的油井水泥服役要求，延长页岩气井寿命，增加页岩气产能具有重要意义。     

模拟压裂作用对水泥环密封性破坏及改善研究

利用全尺寸水泥环密封性评价装置,研究了多段压裂作用下水泥环的密封完整性。分析了密封性破坏的机理;并提出了相应改善措施和评价标准。试验结果显示基浆水泥环在压裂交变应力作用下,加卸载次数较少时,水泥环密封完整性即遭到破坏;密封性失效发生在卸压阶段水泥环与套管之间的界面处。表明在套管内压高应力作用下,弹性模量较高的基浆水泥环中产生较大的应力,除了发生弹性变形还产生了塑性变形;卸载时套管弹性回缩,水泥环中塑性变形不可完全恢复而存在残余应变,导致二者在界面处的变形不协调一致而引起拉应力。随着压裂应力交变次数的增加,水泥环塑性变形不断累积,卸载后的残余变形和拉应力也随之增大。当拉应力超过界面处的胶结强度时出现微环隙,水泥环密封性破坏。采用掺入胶乳、弹性粒子等形成弹塑性水泥石,弹性模量降低并保持较高的抗压强度,压裂作用时水泥环中产生的应力相对其抗压强度较低,产生的塑性变形较小,因此提高了水泥环保持密封完整性时压裂应力交变的次数,改善了水泥环的密封性。