体积压裂时套管弯曲应力放大计算分析.pdf

第 卷第 期 钻采工艺 钻井工艺 体积压裂时套管弯曲应力放大计算分析 董文涛 吴 萌 张 弘 申瑞臣 付利 中国石油勘探开发研究院 大连理工大学盘锦产业技术研究院 中国石油集团工程技术研究院有限公司 董文涛等体积压裂时套管弯曲应力放大计算分析钻采工艺 摘 要 页岩气井体积压裂过程中套管所处力学环境复杂体积压裂中套管受力情况目前尚未得到清晰的解 释 针对此力学问题研究认为存在套管应力放大的问题文章系统阐述了体积压裂过程中套管弯曲应力放大诱 因建立了轴向拉力下套管弯曲应力放大模型推导了弯曲应力放大计算公式 结果表明轴向拉力和狗腿角是影 响体积压裂中套管弯曲应力放大的主要因素水泥环虚空段长度影响较小 此外拉 弯应力与泵压联合作用使 套管抗外挤强度降幅达 套管抗外挤安全系数已经低于三轴安全系数规定值严重威胁套管安全极易在体 积压裂中诱发套变 最后文章提出规避体积压裂套管弯曲应力放大的技术对策 关键词 弯曲应力放大 体积压裂 计算模型 套管强度 体积压裂中套管所处复杂力学环境导致井筒完 上附着油膜难以清洗不利于水泥石的胶结 同时 一次性上返固井作业油层套管封固段长超过 整性问题得到了研究人员的广泛关注 我国南 方页岩气开发过程中长宁威远及昭通区块在体 易混浆油基钻井液难以顶替等因素使水平段固 井质量较低导致水泥环虚空段产生 此外长水平 积压裂中出现了不同程度的套管变形 针对此 问题国内外学者对体积压裂中套管弯曲应力放大 段处套管下入困难套管居中度难以保证如图 影响做了相关研究 然而研究并未对体积压裂 测井分析所示 使固井质量更加难以保证部分井 过程中套管弯曲应力放大产生机理做详细的阐 段存在水泥环虚空段 述 已有关于弯曲应力放大的研究主要集中于 钻柱弯曲 其产生机理与体积压裂过程中套管弯 曲应力放大不同难以借鉴 对体 积压裂中套管弯曲应力放大做了研究但其计算中 未考虑套管自重影响同时研究未对影响体积压裂 套管弯曲应力放大因素做分析 本文在分析体积压 裂工艺特点现场相关数据的基础上系统阐述了体 图 井套管居中情况分析 积压裂过程中套管弯曲应力放大的诱因同时根据 页岩气井体积压裂过程中由于压裂施工排量 材料力学理论建立了体积压裂中套管弯曲应力放大 大压裂液注入时间长等因素导致井筒急剧降温并 计算模型推导了弯曲应力放大计算公式并结合实 诱发套管轴向拉应力 水泥环虚空段弯曲套管 例分析弯曲应力放大对套管抗外挤强度的影响 在轴向拉力作用下的变形受到水泥环边界约束导 致在虚空段水泥环与套管交界处 图 中点与 一弯曲应力放大诱因 点处产生弯曲应力放大效应弯曲应力放大使套 页岩气藏开发以水平井为主固井时由于高密 管强度降低恶化套管受力环境 分析可见体积压 度油基钻井液不易冲洗顶替和隔离井壁及套管壁 裂中套管弯曲应力放大效应是压裂中井筒降温引发 收稿日期 修回日期 基金项目 中石油集团公司项目页岩气钻采