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页岩气水平井压裂工况下水泥环力学特性的研究
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Abstract:
本文主要目的是探究在页岩气水平井压裂过程中的水泥环的物理性质。我们利用有限元建模技术来精确划分子单元格并设置约束条件,以深入了解射孔孔径、密度、方向角度及相位角等因素如何影响水泥环的压力状态。此外,我们也考察了分段压裂期间射孔段水泥环内的温度和压力的变化情况,同时还研究了套管内压、孔径和孔密度对水泥环封闭效果的影响模式。我们的实验表明,射孔参数的调整会对水泥环的压力分布产生重大影响,进而影响到井壁的安全性。当考虑到瞬间的热力和机械相互作用时,水泥环孔口处的失效概率会有所增加。虽然孔径和孔密度的变动对水泥环的剪切应力的影响相对较小,但这些结论为实际操作提供有价值的理论参考,有利于提升压裂设计的质量和增强井筒的安全性能。结论和建议部分总结了研究的主要发现,并提出了未来研究方向。
The main purpose of this article is to explore the physical properties of cement sheath during the fracturing process of shale gas horizontal wells. We utilize finite element modeling technology to precisely divide sub-cells and set constraint conditions, aiming to gain a deep understanding of how factors such as perforation diameter, density, direction angle, and phase angle affect the pressure state of the cement sheath. Additionally, we investigate the changes in temperature and pressure within the cement sheath of perforated sections during staged fracturing. Furthermore, we examine the patterns of influence on the sealing effect of the cement sheath caused by changes in the internal pressure of the casing, aperture, and hole density. Our experiments indicate that adjustments to perforation parameters have a significant impact on the pressure distribution of the cement sheath, further affecting the safety of the wellbore. When considering the instantaneous thermal and mechanical interactions, the failure probability at the orifice of the cement sheath increases. Although variations in aperture and hole density have a relatively minor influence on the shear stress of the cement sheath, these conclusions provide valuable theoretical references for practical operations, contributing to improving the quality of fracturing designs and enhancing the safety performance of wellbores. The conclusion and recommendations section summarizes the key findings of the study and proposes directions for future research.
[1] | 陈川. 地震载荷作用下盐穴型地下储气库安全稳定性研究[D]: [硕士学位论文]. 成都: 西南石油大学, 2019. |
[2] | 汪衍刚. 热采井套管-水泥环界面破坏机理研究[D]: [硕士学位论文]. 北京: 中国石油大学, 2019. |
[3] | 邓宽海. 套管非均匀挤毁及修复工作力学研究[D]: [博士学位论文]. 成都: 西南石油大学, 2018. |
[4] | 熊浩. 气井自由套管力学行为与井口抬升相关性研究[D]: [硕士学位论文]. 成都: 西南石油大学, 2017. |
[5] | 张景富, 张德兵, 张强, 岳宏野, 王博, 杨金龙. 水泥环弹性参数对套管-水泥环-地层固结体结构完整性的影响[J]. 石油钻采工艺, 2013(5): 39-46. |
[6] | 吴烁, 房军, 王宴滨, 翁炜, 贺云超, 张德龙. 一种非均匀地应力下椭圆井眼套管-水泥环-地层力学特性半解析解[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(3): 997-1003. |
[7] | 范明涛, 李军, 柳贡慧. 页岩地层体积压裂过程中水泥环完整性研究[J]. 石油机械, 2017, 45(8): 40-49. |
[8] | 刘奎, 丁士东, 初永涛, 刘仍光. 页岩气井压裂交变载荷水泥环密封能力研究[J]. 石油机械, 2023, 51(11): 79-86. |
[9] | 张智, 王嘉伟, 吴优, 霍宏博, 谢涛, 李金蔓. 页岩气水平井固井水泥环状态对套管力学完整性的影响[J]. 石油学报, 2022, 43(8): 1158-1172. |
[10] | 王宴滨, 高德利, 房军. 页岩气水平井压裂过程水泥环力学特性评价研究[J]. 石油管材与仪器, 2020, 6(4): 51-55. |
[11] | 王宴滨, 曾静, 高德利, 房军. 橡胶套筒对非均匀地应力下固井水泥环受力的影响分析[J]. 应用力学学报, 2020, 37(4): 1731-1736, 1872. |
[12] | 胡佳雯. 油气井水泥环初始应力状态实验与数值模拟研究[D]: [硕士学位论文]. 北京: 中国石油大学, 2021. |
[13] | 刘奎, 丁士东, 周仕明, 陶谦, 杨广国, 刘仍光, 高元. 套管内压周期变化水泥环应力计算与失效分析[J]. 石油机械, 2021, 49(5): 1-8. |
[14] | 席岩, 王海涛, 李军, 王江涛, 吴宏明. 循环载荷对水泥环密封性影响试验与数值研究[J]. 石油机械, 2021, 49(2): 88-93. |
[15] | 刘硕琼, 李德旗, 袁进平, 等. 页岩气井水泥环完整性研究[J]. 天然气工业, 2017, 37(7): 76-82. |
[16] | 孙锐, 梁飞, 杨钊, 高丽, 王宇. 页岩气井多簇压裂套管应力影响因素分析[J]. 石油机械, 2023, 51(8): 148-156. |
[17] | 林魂, 宋西翔, 孙新毅, 杨兵. 深层页岩气压裂井套管应力影响因素分析[J]. 石油机械, 2022, 50(6): 84-90. |
[18] | 聂荣国, 蔡明杰, 毛良杰, 傅栋, 夏宏伟. 压裂工况对页岩气套管应力分布的影响[J]. 石油机械, 2019, 47(12): 139-146. |
[19] | 高德利, 刘奎, 王宴滨, 刘金海, 李轩. 页岩气井井筒完整性失效力学机理与设计控制技术若干研究进展[J]. 石油学报, 2022, 43(12): 1798-1812. |
[20] | 丁士东, 陆沛青, 郭印同, 李早元, 卢运虎, 周仕明. 复杂环境下水泥环全生命周期密封完整性研究进展与展望[J]. 石油钻探技术, 2023, 51(4): 104-113. |