水力压裂过程中微环隙的产生和扩展的数值模拟

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摘要： 套管水泥环地层两两界面的密封失效致使高压气体上窜至井口而引起环空带压，给油气田的勘探开发带来安全和环保隐患.采用Abaqus的黏弹性损伤cohesive孔压单元建立套管水泥环地层界面水力压裂过程中压裂液周向窜流的有限元模型，对水力压裂过程中微环隙的产生和扩展的数值模拟进行分析.结果表明：只要第一界面或者第二界面胶结强度小于地层的抗拉强度，不论射孔方位大小，井眼周围均会产生微环隙.在油气田完井时需要合理确定水泥石的强度参数，以避免微环隙的产生.

关键词： 水力压裂； 微环隙； cohesive单元； 数值模拟

中图分类号： TE21； TB115.1文献标志码： B

引言

固井水泥环水力胶结失效将会引起气井口环空带压，给天然气的开采带来较大的安全隐患，同时井内气体的排出也会污染环境.造成井口带压的原因主要是井下地层条件变化和后期作业引起的套管水泥环地层系统的受力状态发生改变，导致环空水泥环应力应变发生改变，水泥环发生破坏丧失水力密封性，高压气体通过失效水泥环内部的微裂缝界面逐渐窜移至井口.

固井水泥环水力胶结的失效机理异常复杂，是固井工程研究中的一个重点问题，国内外进行大量的研究.水泥环的失效主要有两种形式，一种是水泥环的破裂，另一种是水泥环地层或水泥环套管界面的胶结失效.在水力压裂改造时，首先通过射孔枪的射孔弹在套管水泥环地层出一个长约200～700 mm的孔眼，压裂液进入射孔孔眼，随着液体注入量的升高，井底压力逐渐增大，当超过地层的破裂压力时，产生水力裂缝.在这个过程中，水泥环会由于射孔弹的作用而产生先期破坏，促使水泥环与套管和地层界面产生先期的密封失效，当压裂液压力高于界面的扩展压力时，压裂液将沿井眼周向和轴向窜流，致使一、二界面胶结失效，即在轴向形成气体的窜流通道，周向产生微环隙.

国内外许多学者采用Abaqus软件的Cohesive孔压单元开展直井和水平井水力压裂研究，并证实Cohesive孔压单元可较准确地模拟水力裂缝的扩展问题.[16]YAO等[2]用Cohesive单元模拟浅层塑性地层的裂缝扩展问题，发现结果比经典的PKN，KGD和拟三维模型的结果更加准确；WANG等[7]采用Cohesive孔压单元，模拟套管周围一、二界面裂缝在超孔压状态时裂缝的张开情况.可知，Cohesive单元可以用来模拟压裂过程中水泥环周围裂缝的周向和轴向扩展过程.本文采用损伤力学理论，用黏弹性孔压损伤单元模拟水力压裂过程中微环隙的张开和扩展，建立套管水泥环地层界面水力压裂过程中压裂液周向窜流的有限元模型，开展水力压裂过程中水泥环的失效机理研究.

1基本方程

1.1储层的流固耦合方程

流体的流动满足流体的连续性方程，岩石的力学特性通过采用有效应力定义的本构模型来模拟，流体的本构行为遵循Darcy定律.