射孔條件和材料屬性對(duì)水壓作用下套管井強(qiáng)度影響的研究.pdf

1、水力壓裂的目的在于壓裂儲(chǔ)層使其產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，提高滲透率，增加產(chǎn)量、延長(zhǎng)套管井的使用壽命等，它不僅廣泛用于油氣田中后期開(kāi)采，而且是頁(yè)巖氣、致密油氣田等非常規(guī)油氣田開(kāi)發(fā)的必不可少的工程措施。水力壓裂作業(yè)之前，需對(duì)套管井射孔，使孔洞穿透鋼套管和水泥環(huán)并進(jìn)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(dǎo)致水泥封隔能力失效，引起儲(chǔ)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(huì)連通

2、油氣儲(chǔ)層和水層，從而污染油氣層，降低出油效率，甚至直接導(dǎo)致井孔報(bào)廢。目前，只是在射孔和壓裂前采用聲波測(cè)井方法測(cè)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(duì)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(duì)地層壓裂和套管井破壞先后次序影響的研究還缺少細(xì)致的研究。本文研究含射孔的套管井在水壓作用下的應(yīng)力分布、破壞先后次序，給出壓裂過(guò)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?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　?。?）針對(duì)套管-水泥環(huán)-地層界面膠結(jié)良好的情況，應(yīng)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(yīng)力分布狀態(tài)。
　?。?）采用最大拉應(yīng)力強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，計(jì)算致使地層和水泥環(huán)破壞的臨界注水壓強(qiáng)，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(guò)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(jìn)行水力壓裂有利于避免竄槽現(xiàn)象的發(fā)生。地應(yīng)力中的靜水壓對(duì)竄槽現(xiàn)象有影響，但偏應(yīng)力部分對(duì)其作用不大。
　　（3）考察了射孔條件對(duì)水泥環(huán)水力封隔能力的影響，發(fā)現(xiàn)射孔條件對(duì)于水壓作用下套管井周圍的應(yīng)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(shí)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(duì)射孔密度、射孔角度、射

5、孔半徑以及射孔長(zhǎng)度等要素進(jìn)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(qiáng)的大小，對(duì)水力封隔能力影響不大。射孔半徑過(guò)小或者過(guò)大都會(huì)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(yù)防竄槽的方案。固井時(shí)盡可能選擇高泊松比，低楊氏模量的水泥；壓裂時(shí)盡可能選擇低泊松比，高楊氏模量的地層，且水平地應(yīng)力較大，垂直地應(yīng)力較小的地段進(jìn)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