页岩气井压裂液返排过程套管损坏机理研究

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页岩层理较发育且非均质性较强,压裂液返排过程中,近井筒周围已产生较多的形态复杂的裂缝,裂缝产生的诱导应力导致页岩储层地应力大小和方向发生变化,变化后的应力值完全作用于套管周围的水泥环和套管本身,使套管发生弹塑性变形并损坏。页岩气井压裂液返排过程中,套管损坏问题始终存在,为了准确计算页岩储层大规模压裂返排过程套管的应力状态,预测套管的损坏情况,需要提出一种套管受力分析计算的新方法。本文主要应用弹性力学理论,分别研究了水泥环、套管椭圆率与套管抗挤强度系数的关系,建立了压裂液返排过程中套管的抗挤强度理论计算模型。然后,分析了人工裂缝产生的诱导应力对原始地应力的影响,根据应力叠加原理,建立了页岩气井压裂液返排过程中井筒周围应力场计算模型,在此基础上,根据弹性力学理论,对套管孔眼处的受力情况进行了详细的分析,建立了压裂液返排过程中套管管壁单孔所受应力情况计算模型。最终,对页岩气井压裂液返排过程中套管所受应力进行研究。通过页岩储层岩心的岩石力学实验,获取不同取心方向页岩单轴抗拉强度、三轴抗压强度和弹性模量、泊松比等关键力学参数。以实验结果为依据,建立压裂返排过程页岩储层-水泥环-套管有限元计算模型。根据模拟结果可知,压裂液返排过程,页岩压裂层段与上、下非压裂层段岩石弹性模量和泊松比差异对套管受力影响显著。通过本文研究,能够为页岩储层大规模水力压裂返排过程套管应力计算研究提供新思路,为套管失稳损坏的判别和合理压裂方案的制定提供依据。
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