水平井压裂工况下套损机理研究

作     者：孙锐 

作者单位：东北石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨钊;王鹏

授予年度：2023年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：有限元 井眼曲率 弯曲段 水平段 多簇压裂 

摘      要：近年来为高效开发非常规油气藏而发展了一项水平井压裂技术,伴随着水平井压裂技术的发展与应用,出现了套管变形和损坏问题。受井眼曲率变化影响,全管柱存在弯曲现象,同时固井质量、地应力场、温度差、断层和多簇压裂会使得套管载荷分布的非均匀性增大,套管易受到挤压、剪切和弯曲载荷的作用,导致套管发生损坏或者失效,最终难以达到压裂增产目的。因此研究压裂工况下套管的失效因素,从而找出预防、治理措施对保障油气田的持续生产及套管安全尤为重要。本文针对水平井压裂工况条件下的套管工作状态做了以下研究工作:(1)通过大量文献调研,对套管失效形式进行总结,并从地质因素和工程因素两个方面,对套管损坏机理进行分析。(2)从理论层面对水平井进行受力分析,建立套管弯曲时的抗挤强度计算模型,从而得到井眼曲率对套管抗挤强度的影响;通过单轴实验和地应力测井解释获得岩石力学参数和地应力参数,应用ABAQUS有限元软件建立全管柱套管-水泥环-地层三维有限元模型,并模拟在不同井眼曲率下的套管Mises应力分布情况。研究结果表明:套管最大Mises应力随井眼曲率变化趋势与套管抗挤强度随井眼曲率变化趋势本质上相同,从而验证了有限元模型的可靠性,再研究井眼曲率耦合地应力场对套管最大Mises应力的影响规律,得到了危险井眼曲率值42.9°/30m。(3)建立井眼曲率值为42.9°/30m的弯曲段三维有限元模型,模拟压裂过程中弯曲段遇到的不同因素对套管Mises应力分布的影响,从而分别得到了套管内壁压力、温度差、不同区域水泥环缺失和水泥环弹性模量对套管受力的影响规律。(4)建立水平段套管-水泥环-地层三维有限元模型,主要针对套管偏心、水泥环形态进行模拟研究,并着重针对水泥环形态进行展开研究,分析得到了环向缺失、水泥环带压缺失和径向缺失对套管最大Mises应力的影响规律;建立断层模型,研究断层滑移对套管最大Mises应力的影响规律。(5)基于FLAC-3D有限元软件建立多簇裂缝-地层-水泥环-套管三维有限元模型,研究裂缝角度和射孔簇参数对套管Mises应力分布的影响,并得到套管最大Mises应力变化规律。