页岩气水平井压裂过程中水泥环完整性分析

摘要

页岩气井工程实践表明套管压裂易导致水泥环完整性破坏,进而引发环空带压。统计数据表明:中国涪陵页岩气田投产井166口,出现环空带压井占比达79.52%。进一步分析研究表明:一级套管头(生产套管和技术套管之间)压裂前后带压比例从14.85%提升至50.05%;二级套管头(技术套管和表层套管之间)压裂前后带压井比例从15.84%提升至53.01%,充分说明页岩气井压裂对环空带压影响较大。针对该问题,基于页岩气井压裂工程实际,在考虑压裂液摩擦生热和排量对换热系数影响的基础上,建立了压裂过程中井筒温度场模型和套管—水泥环—地层组合体有限元模型,采用解析法和数值法相结合的方式,计算了页岩气井压裂过程中瞬态温度—压力耦合作用下水泥环径向、切向应力变化规律,开展了井筒内压、压裂液排量、初始温度、弹性模量、泊松比对水泥环应力影响的敏感性分析,并基于Mohr-Coulomb准则对水泥环是否失效进行了分析。研究结果表明:(1)页岩气井压裂过程中,水泥环温度随时间发生剧烈变化,且内外壁之间存在显著温差,该温差随压裂作业的进行先增大、后减小。(2)页岩气井压裂过程中,水泥环径向、切向应力随时间不断变化,径向应力先减小、后增大,切向应力先降低、后升高,然后再降低。依照Mohr-Coulomb准则分析可知,压裂过程中水泥环易发生拉伸破坏,压裂初期为水泥环失效的''风险段''。(3)降低井筒内压,可以显著降低水泥环径向、切向应力;降低压裂液排量,水泥环径向、切向应力有所降低,但降低幅度不明显;提升压裂液初始温度,将会提高水泥环径向应力、降低水泥环切向应力;水泥石弹性模量降低至4 GPa时,水泥环径向、切向应力低于水泥石抗拉、抗压强度,在压裂过程中有利于保持水泥环的完整性;提高水泥石泊松比,对径向应力影响极小,可忽略不计,但可以有效降低水泥环切向应力。依据计算结果设计了一种新型水泥浆体系,降低了水泥石弹性模量。应用该水泥桨的工程实践表明,压裂后并未出现环空带压情况,保证了分段压裂后页岩气井的安全生产。研究结果可为页岩气井压裂过程中水泥浆设计以及井筒完整性控制提供参考。