交變應(yīng)力對套管損傷機理的影響

安峰辰，張飛揚，易 浩，張遂安

交變應(yīng)力對套管損傷機理的影響

安峰辰1，張飛揚2，易 浩1，張遂安3

(1. 中國石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院，北京 102249；2. 俄亥俄州立大學(xué) 文理學(xué)院，俄亥俄 OH43210, 美國；3. 中國石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京 102249)

水平井分段壓裂技術(shù)已在低滲透油氣藏及煤層氣開發(fā)過程中得到了較為廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。但是，由于分段壓裂會使直井段的套管承受交變應(yīng)力作用，進(jìn)而造成其在軟硬交錯地層處發(fā)生嚴(yán)重變形，從而影響壓裂安全作業(yè)，甚至引發(fā)所有剩余壓裂段報廢。為探索其破壞機理，開發(fā)一個類似彈簧單元的用戶子程序來模擬循環(huán)荷載作用下套管–水泥環(huán)界面的受力情況，并將該單元植入到套管–水泥環(huán)–巖層系統(tǒng)的ABAQUS軸對稱有限元模型中，模擬水平井分段壓裂過程中套管的力學(xué)行為。結(jié)果表明，在軟硬交錯地層中，采用水平井分段壓裂時，注入壓力與地應(yīng)力之間的交變應(yīng)力差會造成套管的大變形。此外，基于ABAQUS的數(shù)值模擬結(jié)果，采用FE-safe評估套管疲勞壽命，發(fā)現(xiàn)處于軟硬交錯地層處套管的疲勞壽命最短。基于上述研究，建議在具有軟硬交錯地層的低滲透油藏及煤層氣儲層中進(jìn)行分段壓裂時，應(yīng)設(shè)法提高非壓裂階段壓力，以減輕交變應(yīng)力對軟硬交錯地層處的套管損傷。

套管損傷；煤層氣；水平井分段壓裂；有限元模型；用戶子程序

套管是油田以及煤層氣田的重要基礎(chǔ)設(shè)施，用于保護(hù)鉆孔和井下設(shè)備，隔離地層流體，并作為油氣的通道[1]。在油井的生命周期中，套管的完整性是油井安全的最關(guān)鍵因素。然而，套管損壞是一個貫穿油井整個生命周期中較難解決的問題，套管故障可能導(dǎo)致油藏中的油氣發(fā)生泄漏，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[2]。通常，導(dǎo)致套管發(fā)生諸如擠毀、變形、斷裂、接頭錯位等現(xiàn)象的原因，有地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力因素[3–5]、工程設(shè)計因素[6]及采油過程中的腐蝕因素[7]等。

近年來，大規(guī)模水力壓裂與水平井結(jié)合應(yīng)用于非常規(guī)油藏及煤層氣田的商業(yè)開采中，并取得了重大成功[8-11]。然而，在水力壓裂過程中發(fā)現(xiàn)了越來越多的套管損壞案例[2,12-15]。在這些案例中發(fā)現(xiàn)，套管直徑會在壓裂后大幅減小，導(dǎo)致其無法在設(shè)計深度安裝橋塞，進(jìn)而影響后續(xù)的壓裂施工和生產(chǎn)活動。在中國，這個問題似乎更嚴(yán)重[2]。以中石油為例，截至2018年底，共壓裂325口井，其中125口井套管損壞，占比38.46%。其中，西南油氣田套管損壞比例為44.70%，浙江油田套管損壞比例為25.93%。

目前，已經(jīng)有很多關(guān)于水力壓裂所導(dǎo)致的套管損壞研究。A. A. Daneshy[16]認(rèn)為套管損壞主要是由巖石損壞和裂縫滑移引起的。Lian Zhanghua等[17]通過有限元模擬發(fā)現(xiàn)，因水力壓裂作用在井筒周圍巖石中引起的應(yīng)力虧空，極易引起套管在射孔處發(fā)生破壞。Yin Fei等[18]將套管失效歸因于困在環(huán)空孔隙中的壓裂液，認(rèn)為壓裂液會在地層溫度場的作用下發(fā)生膨脹進(jìn)而對套管施加壓力；另一方面，Yan Wei等[19]將套管失效歸因于水泥孔隙中的壓力下降。Shen Xinpu等[20]也發(fā)現(xiàn)水力壓裂過程中的高注入壓力可引起套管損傷。Liu Wei等[21]認(rèn)為套管失效的主要原因是井筒周圍地層滑移所引起的局部荷載。Xi Yan等[22]、陳朝偉等[23]認(rèn)為頁巖層理弱面活化會導(dǎo)致套管剪切破壞。通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，鮮有人關(guān)注水平井分段壓裂中的交變應(yīng)力對處于軟硬交錯地層處套管損傷的影響。

克拉瑪依油田具有低滲透且不同彈性模量地層。在針對這種地層的多級水力壓裂過程中，由套管內(nèi)壓力變化引起的交變應(yīng)力，常使無射孔套管的垂直部分發(fā)生大變形破壞，造成后期很難在設(shè)計位置安裝橋塞進(jìn)行下一步的水力壓裂施工。克拉瑪依油田所遇到的套管破壞屬于套管疲勞破壞，與其他學(xué)者研究的套管破壞機理有所不同。目前，僅Liu Zhengchun等[24]研究了類似的情況，但是其關(guān)注點在于套管接頭的疲勞損壞，而非像克拉瑪依油田所觀察到的套管主體疲勞損壞。因此，亟需對克拉瑪依油田套管損壞潛在機理進(jìn)行全面深入研究，進(jìn)而為該類型儲層改造的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序的制定提供理論支持。此外，對位于地表以下幾千米處的套管損傷進(jìn)行物理模擬和實驗室重現(xiàn)是不可能的，而有限元模擬卻為套管損傷的重現(xiàn)提供了可能性。

另一方面，套管–水泥環(huán)界面的黏結(jié)性能對套管的抗擠毀強度有很重要的影響。雖然目前關(guān)于套管–水泥環(huán)黏結(jié)性能的研究主要是關(guān)注其對界面密封性能的影響[25-26]，但是，在與套管系統(tǒng)相類似的海底夾層管的研究中發(fā)現(xiàn)，水泥環(huán)與套管的黏結(jié)性能對夾層管的極限抗擠毀承載力有顯著影響[27]。在多級水力壓裂過程中，由于套管內(nèi)部壓力的變化，水泥環(huán)與套管之間的界面可能會經(jīng)歷一系列的循環(huán)荷載，從而引起界面處的剝離行為[28]。因此，本文提出類似彈簧單元的子程序，以準(zhǔn)確地描述套管–水泥環(huán)界面在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)行為。

基于提出的用戶單元，作者采用商業(yè)有限元軟件ABAQUS建立含有軟硬交錯地層的套管軸對稱有限元模型，用于模擬水平井分段壓裂過程中套管的力學(xué)行為。在此基礎(chǔ)上，將ABAQUS模擬結(jié)果導(dǎo)入疲勞分析軟件FE-safe中，評估水平井分段壓裂過程中不同壓裂工藝對套管疲勞壽命的影響，以期為水平井分段壓裂過程中處于軟硬交錯地層的套管保護(hù)提供可靠建議。

1 類彈簧單元模型及其開發(fā)

1.1 理論模型

為了準(zhǔn)確模擬套管和水泥環(huán)在循環(huán)荷載作用下的界面剝離現(xiàn)象，本文基于商業(yè)有限元軟件ABAQUS開發(fā)類似彈簧的用戶子程序(簡稱類彈簧單元)。該子程序不僅可以實現(xiàn)ABAQUS內(nèi)置彈簧單元模擬靜態(tài)荷載作用下界面力學(xué)行為的功能，還可以模擬循環(huán)荷載作用下界面的力學(xué)行為。

在類彈簧單元中，通過公式=將兩個節(jié)點連接起來，模擬靜荷載作用下的力學(xué)行為。其中，節(jié)點位移矢量為：=(1234)T；節(jié)點荷載矢量為：=(1234)T；剛度矩陣用式(1)表示。

在本文，類彈簧單元的一端節(jié)點位于套管外壁，另一端節(jié)點位于水泥環(huán)內(nèi)壁。K是法線方向抵抗開裂的剛度，在加載、卸載和再加載階段用F/δ表示(圖1a)。K是套管與水泥環(huán)界面上抵抗剪切變形的剛度，在加載、卸載和再加載階段用F/δ表示(圖1b)。本文假設(shè)卸載和再加載階段采用相同的路徑。

圖1 類彈簧單元的非線性軟化規(guī)律

Fig.1 Nonlinear softening law for a spring-like element

類彈簧單元受到法向拉伸時，在拉應(yīng)力達(dá)到峰值之前，假設(shè)應(yīng)變線性增加(圖1a)。在應(yīng)力達(dá)到峰值后，界面應(yīng)力隨裂縫的開裂呈非線性方式遞減，被稱為應(yīng)變軟化。參照混凝土的開裂行為，分別采用傳統(tǒng)混凝土材料在不同斷裂模式下的抗拉強度和斷裂能定義套管–水泥環(huán)界面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力的峰值后曲線。套管–水泥環(huán)界面在法向方向上的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系，采用Hordijk模型[29]表示。

其中，

式中：cr為界面的I型裂縫臨界開裂位移，超過該值則認(rèn)定其拉應(yīng)力為零；t為I型的單軸抗拉強度；F,I為I型斷裂能，其值等于圖1a中曲線下的面積；1、2是材料常數(shù)，分別為3.0和6.93。

另一方面，套管–水泥環(huán)界面在切線方向的界面行為采用Lu模型[30]表示：

其中，

但是在套管與水泥環(huán)的實際剝離過程中，其斷裂模式屬于以上兩種斷裂模式的混合模式，一般采用二次名義應(yīng)力法則作為損傷起始判據(jù)，可表示為：

式中：t和t分別為在裂縫形成過程中裂縫處的法線和切線方向的拉力；t0與t0分別為在裂縫形成過程中裂縫處的法線和切線方向拉力的峰值。其中，

此外，參照類似混合模式下?lián)p傷起始判據(jù)，混合模式下的斷裂能也采用類似的二次法則進(jìn)行定義：

混合模式下的有效位移m可表示為：

式中：δ、δ分別為裂縫兩側(cè)在法線和切線方向的相對位移。

界面在法線和切線方向的軟化行為，均采用剛度折減法進(jìn)行描述。為對其力學(xué)行為的統(tǒng)一表述，將用于表示法線和切線方向的和，統(tǒng)一替換為。此外，假設(shè)卸載路徑為直線(圖1)，其終點由塑性變形p,i確定：

其中，e,i不考慮損傷d的彈性形變，即F/0,i；損傷因子表示為

其中，b=0.7。

1.2 單元檢測

為了驗證本文提出的類彈簧單元的合理性，首先將其在單調(diào)荷載作用下的單元檢測結(jié)果與ABAQUS自帶的彈簧單元檢測結(jié)果進(jìn)行對比，然后再檢測其在循環(huán)荷載作用下的力學(xué)性能。首先，采用本文已開發(fā)的類彈簧單元和ABAQUS自帶的彈簧單元分別構(gòu)建一個雙節(jié)點的幾何模型。在幾何建模上，二者唯一的區(qū)別在于顯示符號不同(圖2)，不影響數(shù)值模擬結(jié)果，在單調(diào)荷載作用下具有相同的功能與精度(圖3)。

圖2 ABAQUS內(nèi)置彈簧單元(a)與自行開發(fā)類彈簧單元(b)

圖3 ABAQUS內(nèi)置彈簧單元和自行開發(fā)的類彈簧單元在單調(diào)荷載作用下的力–位移曲線

利用本文自主開發(fā)單元建立幾何模型，并分別對其施加靜態(tài)和循環(huán)荷載，模擬結(jié)果如圖4所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，卸載和重新加載路徑是以靜態(tài)荷載作用下的荷載–位移曲線為輪廓。

圖4 類彈簧單元在單調(diào)與循環(huán)載荷作用下的力–位移曲線

由上述單元檢測結(jié)果可知，本文自行開發(fā)的單元(UEL)不僅可以替代ABAQUS中內(nèi)置的彈簧單元來模擬單調(diào)荷載下的界面力學(xué)行為，而且可以模擬循環(huán)荷載下的界面力學(xué)行為。

2 套管–水泥環(huán)–巖層系統(tǒng)有限元模型

2.1 巖層幾何模型尺寸判定

克拉瑪依油田地質(zhì)情況復(fù)雜，沿深度方向分布著具有不同彈性模量和泊松比的軟硬交錯地層，鉆探時，油井套管附近區(qū)域的地應(yīng)力必然會發(fā)生較大的變化。在數(shù)值模擬中，地層中的應(yīng)力分布可能會隨著巖層幾何模型大小而變化，因此，需要確定巖層幾何模型的具體尺寸，以消除模型幾何尺寸對模擬結(jié)果的影響。

建立一個平面應(yīng)變模型(邊長1 000~ 50 000 mm)，設(shè)置直徑為311 mm的圓孔模擬油井。根據(jù)克拉瑪依油田的地質(zhì)資料，軟硬地層的彈性模量分別為20 GPa與50 GPa，泊松比則分別為0.25和0.23。該平面模型的約束條件為模型左右兩側(cè)和上下兩側(cè)的位移均為零。通過預(yù)定義應(yīng)力場的方法，將100 MPa的地應(yīng)力施加在模型的兩個方向。

為了能夠準(zhǔn)確評估模型的幾何尺寸對數(shù)值模擬結(jié)果影響，擬將模型邊界處應(yīng)力值與所施加的地應(yīng)力的比值作為一個表征指標(biāo)[l1]。應(yīng)力比值與模型幾何尺寸的關(guān)系如圖5所示。由圖中可知，隨著幾何模型邊長的增加，因油井存在導(dǎo)致的應(yīng)力釋放現(xiàn)象(即邊界效應(yīng))越不明顯。當(dāng)幾何模型邊長為15 m時，模型邊界處應(yīng)力值與所施加的地應(yīng)力的比值接近于1，因此，在本次模擬中將巖層幾何模型邊長設(shè)置為15 m。

圖5 幾何模型邊長對數(shù)值模擬結(jié)果的影響

2.2 套管–水泥環(huán)–巖層系統(tǒng)的幾何模型

使用4節(jié)點軸對稱單元(ABAQUS中的CAX4)建立套管–水泥環(huán)–巖層系統(tǒng)的幾何模型。巖層的尺寸設(shè)置為15 145 mm×15 000 mm，其中上部硬地層尺寸設(shè)為15 145 mm×10 000 mm，下部軟地層尺寸設(shè)為15 145 mm×5 000 mm。為了兼顧數(shù)值模擬的效率和精度，將巖層部件沿著縱向分為兩塊，一部分寬145 mm，另一部分寬15 000 mm。其中，寬度為145 mm的部件按長1 mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而寬為15 000 mm的部件則按邊長100 mm的進(jìn)行網(wǎng)格劃分。以上具有不同大小單元的兩部分，通過ABAQUS中的‘tie’命令連接起來。

水泥環(huán)和套管的尺寸分別設(shè)置為30 mm× 15 000 mm和12 mm×15 000 mm。這兩部分均按邊長1 mm進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，并通過本文所開發(fā)的類彈簧單元進(jìn)行連接，以準(zhǔn)確描述套管與水泥環(huán)界面處的剝離行為。而水泥環(huán)則通過共享節(jié)點方式與巖層相連接。

通過ABAQUS中預(yù)定義應(yīng)力場的方法，在模型的水平和垂直方向分別施加107 MPa的地應(yīng)力，然后，在套管上施加77.6~160.0 MPa的循環(huán)壓力來模擬水平井分段壓裂過程中套管直井部分所承受的荷載(圖6)。由于存在107 MPa的地應(yīng)力，在非壓裂階段，套管將承受合力為29.4 MPa的外壓；在壓裂階段，套管則將承受合力為53 MPa的內(nèi)壓。

圖6 水平井分段壓裂過程中套管直井段的壓力變化

2.3 套管材料屬性

克拉瑪依油井中的套管采用TP140V鋼。其密度為7 800 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.23，屈服強度為1 000 MPa，極限抗拉強度為1 100 MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?.02。基于套管各參數(shù)數(shù)據(jù)和線性硬化的假設(shè)，定義套管的循環(huán)硬化行為。

在目前的研究中，金屬在循環(huán)加載下的力學(xué)特性是通過ABAQUS中的隨動強化模型來定義的。在這些模型中，金屬材料在應(yīng)力空間中的屈服面會沿著加載方向移動，即加載方向的屈服強度增加，而相反方向的屈服強度有所降低，從而有效模擬加工硬化所引起的包辛格效應(yīng)(Bauschinger effect)和材料各向異性。

2.4 用于FE-SAFE疲勞分析的材料模型

傳統(tǒng)的有限元軟件ABAQUS可以比較準(zhǔn)確地分析由水平井分段壓裂過程對套管所造成的力學(xué)響應(yīng)，但是很難對其疲勞壽命進(jìn)行評估，而FE-safe可以利用鋼材的S-N曲線理論對套管的疲勞壽命進(jìn)行評估。S-N曲線主要是反映加載應(yīng)力的大小與循環(huán)加載次數(shù)之間的關(guān)系。但在實際情況中，施加到結(jié)構(gòu)上的荷載不可能保持應(yīng)力大小恒定不變，需要采用邁因納線性損傷定律[31]和雨流循環(huán)計數(shù)法[32]將復(fù)雜加載過程中應(yīng)力變化的幅值轉(zhuǎn)化為常數(shù)。

式中：是材料彈性模量；＇為應(yīng)變硬化系數(shù)；′為應(yīng)變硬化指數(shù)。

單軸疲勞的總應(yīng)變–疲勞壽命關(guān)系可以用Coffin-Mansion公式[34-35]表示，即：

多軸疲勞的總應(yīng)變–疲勞壽命關(guān)系采用Brown- Miller公式[36]表示，即：

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 ABAQUS模擬結(jié)果

不同加載階段的套管變形如圖7所示。在非壓裂階段，由于地應(yīng)力的存在，套管將承受一個29.4 MPa的外壓；在壓裂階段，由于水力壓裂所產(chǎn)生的內(nèi)壓作用，套管將承受一個53 MPa的內(nèi)壓(圖7)。硬地層較軟地層具有彈性模量大和泊松比小的特點，因此，不論處于何種階段，套管在軟地層變形較大，在硬地層中變形較小(圖7和圖8)。如圖7所示，當(dāng)套管從非壓裂階段進(jìn)入壓裂階段時，軟地層中的套管變形由-36 mm(套管收縮)變?yōu)?5 mm(套管膨脹)，而硬地層中的套管變形由-8 mm(套管收縮)變?yōu)? mm(套管膨脹)。軟硬交錯地層中套管的這種交變式位移加載形式形成了一種循環(huán)荷載，使得套管發(fā)生塑性變形而縮徑3~5 cm，進(jìn)而使得橋塞很難通過套管。該有限元結(jié)果與Li Yang等[2]模擬所獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)比較吻合。

圖7 套管在收縮(a)與膨脹(b)階段的Mises應(yīng)力分布

由于套管在軟硬交錯地層處會發(fā)生突變而引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，套管內(nèi)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在處于軟硬巖層交錯帶的套管處(圖7)。同時，這種位移突變會導(dǎo)致該區(qū)域套管發(fā)生剪切破壞。因此，在水平井分段壓裂過程中，處于軟硬巖層交錯帶的套管最易受到損傷。

圖8 不同壓裂階段套管的法向變形以及套管–水泥環(huán)界面損傷沿套管方向的分布

另外，套管與水泥環(huán)之間的界面損傷程度如圖8所示。與套管損壞的情況類似，界面破壞最嚴(yán)重的位置也發(fā)生在軟硬地層交錯區(qū)域。由圖8可以觀察到，該位置的界面損傷系數(shù)為0.97，即界面完全發(fā)生破壞（由于數(shù)值收斂的緣故，損傷因子應(yīng)設(shè)為小于1的數(shù)，因此，在本文的研究中，將損傷因子的最大值設(shè)為0.97）。無論在軟地層還是在硬地層中，都可以觀察到套管與水泥環(huán)界面的損傷程度隨著與軟硬交錯界面距離的增加而減輕，且軟地層中的界面損壞程度比硬地層中的界面損傷程度更大，這一現(xiàn)象與套管損傷現(xiàn)象相吻合。

綜上可知，軟硬地層交錯帶的存在會導(dǎo)致套管在水平井分段壓裂過程中產(chǎn)生疲勞破壞。

3.2 FE-SAFE疲勞分析

將ABAQUS的數(shù)值模擬結(jié)果導(dǎo)入到FE-safe中，并基于FE-safe中內(nèi)置的材料數(shù)據(jù)庫中關(guān)于S316不銹鋼的彈塑性模型對套管的疲勞壽命進(jìn)行評估。

FE-safe采用臨界平面法，根據(jù)Brown-Miller方程，在0°~180°區(qū)間內(nèi)，以10°為間隔來確定最具破壞性平面。疲勞壽命的變化情況如圖9所示。由圖中可知，最長的對數(shù)疲勞壽命7.0位于硬地層中，較長的對數(shù)疲勞壽命5.98發(fā)生在軟地層中。另一方面，整個系統(tǒng)最薄弱的部分出現(xiàn)在軟硬地層交錯區(qū)域，其對數(shù)疲勞壽命僅為0.86。

圖9 軟硬交錯界面附近的套管疲勞壽命變化

為了研究循環(huán)荷載的應(yīng)力幅值對軟硬交錯地層中套管疲勞壽命的影響，采用FE-safe進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)分析。由于在水力壓裂過程中，巖石的破裂壓力，即壓裂階段循環(huán)加載應(yīng)力幅值的最大值是由巖石的抗拉強度和最小地應(yīng)力共同決定的，而該值在特定地層的壓裂過程中很難改變，因此，在實際壓裂過程中，施加于套管內(nèi)部的最大壓力應(yīng)為常數(shù)。而在水平井分段壓裂過程中，非壓裂階段的循環(huán)荷載中的最小應(yīng)力可以調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整循環(huán)應(yīng)力幅值的目的。因此，循環(huán)荷載的應(yīng)力幅值隨循環(huán)荷載最低應(yīng)力的增加而減小，其中循環(huán)荷載最低應(yīng)力的變化范圍為77.6~ 120 MPa。由表1可以看出，隨著循環(huán)荷載中最低應(yīng)力的增大，處于軟硬巖層交錯帶的套管疲勞壽命也有所增加。因此，在水平井分段壓裂過程中，為了延長套管的疲勞壽命，壓裂施工者應(yīng)盡量提高非壓裂階段中的套管壓力，即循環(huán)荷載的最低應(yīng)力。由模擬結(jié)果推斷，克拉瑪依油田套管失效很可能是由于水平井分段壓裂過程中的循環(huán)荷載在水平交錯地帶導(dǎo)致的交變應(yīng)力所引起的。

表1 應(yīng)力循環(huán)范圍和對數(shù)疲勞壽命

綜上所述，水平井分段壓裂所引起的交變應(yīng)力是造成處于軟硬交錯地層處的套管發(fā)生嚴(yán)重縮徑的主要因素。鑒于此，在具有軟硬交錯地層的油田以及煤層氣田進(jìn)行壓裂施工作業(yè)時，應(yīng)設(shè)法提高非壓裂階段的套管壓力，以減輕水平井分段壓裂過程中在軟硬交錯地層處由交變應(yīng)力所引起的套管損傷。

4 結(jié)論

a. 利用套管–水泥環(huán)–巖層系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析得出，在水平井分段壓裂過程中，套管會發(fā)生收縮和膨脹變形，而正是這種變形對套管施加了一種交變荷載，使得套管發(fā)生疲勞損壞。軟地層中套管變形總是大于硬地層中套管變形，軟硬交錯地層中的套管變形在膨脹和壓縮之間的轉(zhuǎn)換，直接導(dǎo)致該處套管極易發(fā)生剪切破壞、界面剝離及最大Mises應(yīng)力。軟硬交錯處附近的套管最容易受到破壞。

b. 通過FE-safe的疲勞壽命分析，也發(fā)現(xiàn)處于軟硬巖層交錯帶的套管疲勞壽命最短。通過提高非壓裂階段的壓力，可有效延長套管在軟硬交錯界面處的疲勞壽命。

c. 在針對含有軟硬交錯地層的油藏或煤層氣儲層進(jìn)行水平井分段水力壓裂過程中，應(yīng)設(shè)法提高非壓裂階段壓力，以減輕水平井分段壓裂過程中軟硬交錯地層處的套管損傷。

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Effects of alternating stress on casing damage mechanism

ANFengchen1, ZHANG Feiyang2, YI Hao1, ZHANG Sui’an3

(1. College of Safety and Ocean Engineering, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China; 2. College of Arts and Sciences, Ohio State University, Columbus, Ohio OH43210, United States of America; 3. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China)

Horizontal well staged fracturing technology of horizontal well has been widely used in the exploitation of low-permeability oil and gas reservoirs and coalbed methane, and has achieved good economic results. However, the vertical section of the casing is found to be damaged with serious deformation in the process of multi-stage hydraulic fracturing, which will prevent bridge plugs from being installed at the preferred design depths, thereby resulting in abandonment of all remaining fracturing stages. In this study, a user element is developed to simulate the mechanical behavior at the casing-cement sheath interface under cyclic loads. The developed element is then implemented into an axisymmetric finite element(FE) model of the casing-cement sheath-stratum system through ABAQUS to simulate the mechanical behavior of the casing during horizontal well staged fracturing. The FE results reveal that casing damage with large deformation is induced by the alternation of the resultant stress between injection pressure and geo-stress. The fatigue life of the casing is then estimated through FE-safe based on the obtained results through ABAQUS, thereby finding out that the most vulnerable part of the casing is located at interlaced area between hard and soft strata with the lowest fatigue life. Based on the aforementioned results, increasing the pressure inside the casing at the non-fracturing stage is highly recommended to mitigate casing damage in the interlaced area between hard and soft strata during horizontal well staged fracturing.

casing damage; CBM; horizontal well staged fracturing; finite element model; user element

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語音講解

TD712

A

1001-1986(2021)01-0143-08

2020-11-20；

2020-12-20

國家自然科學(xué)基金面上項目(52078482)

安峰辰，1984年生，男，山西平遙人，博士，講師，研究方向為煤層氣開發(fā).E-mail：afccup@163.com

張遂安，1957年生，男，山東菏澤人，博士，教授，研究方向為煤層氣開發(fā). Email：sazhang@263.net

安峰辰，張飛揚，易浩，等. 交變應(yīng)力對套管損傷機理的影響[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(1)：143–150. doi：10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.015

AN Fengchen，ZHANG Feiyang，YI Hao，et al. Effects of alternating stress on casing damage mechanism[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：143–150. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.015

(責(zé)任編輯 范章群)