复杂应力条件下水泥环力学响应及密封失效机理分析

摘要

页岩气井分段压裂后环空带压比例高,实践表明分段压裂易导致水泥环密封失效、进而引发环空带压.基于水泥石的高温单三轴压缩试验及三轴循环加卸载试验结果,量化了多级压裂过程中套管内压力变化对水泥环造成的塑性损伤累积,建立了符合压裂过程的套管-水泥环-地层组合体有限元计算模型,计算了多级压裂过程中水泥环力学变化及分布.试验研究表明:(1)在高温三轴条件下(95°C、围压15MPa),水泥石具有较高的强度,极强的抵抗变形性能,受压产生宏观裂缝的可能性极小.(2)水泥石三轴循环加卸载试验表明,随着循环加卸载次数的增加,水泥石的累积塑性应变不断增大,卸载弹性模量逐渐降低,水泥石的弹性性能逐渐衰退.数值分析结果表明:循环载荷导致水泥环第一界面处塑性损伤区域范围不断扩大,损伤程度增强,容易引发水泥环、套管变形不协调,导致水泥环胶结失效,同时也易引发压缩破坏,大大增加了界面气窜的可能性,是诱发环空密封失效的重要原因之一.研究结果对于指导页岩气井固井设计施工具有重要的理论和工程价值.