致密油藏开采实践表明,水平井结合分段压裂技术是致密油藏成功商业化开采的关键,裸眼封隔器滑套分段压裂完井和桥塞射孔分段压裂完井是运用最广泛的分段压裂完井技术。然而,致密油藏水平井钻井和分段压裂过程中都会发生井筒完整性破坏,不但限制了分段压裂完井方式的选择,还影响了分段压裂效果。为提高致密油藏水平井分段压裂效果,本文对水平井钻井、裸眼封隔器滑套分段压裂和桥塞射孔分段压裂过程中井筒完整性控制进行了理论研究,主要研究内容和研究成果如下:(1)根据热化学孔隙弹性本构方程、热扩散方程、溶质扩散方程、流体连续性方程,建立了温度-化学-流体耦合作用的井周孔隙压力传递方程,该方程考虑了热滤失对溶质浓度的影响和热渗透对流体体积变化的影响。通过方程求解,给出了计算井周孔隙压力场和井周应力分布的解析解,与有限差分法的计算结果对比表明,推导出的孔隙压力场解析解正确。相比于孔隙压力场在拉普拉斯域中的解,该解析解无需再采用Stehfest法反演,应用方便。利用井周应力分布的解析解,建立了水平井裸眼井筒破坏程度预测模型,分析结果表明,可以采取缩短钻井作业时间、提高井内压力、降低钻井液温度、提高钻井液溶质浓度、优化井斜方位角等措施来降低裸眼井筒破坏程度,提高致密油藏水平井裸眼井筒完整性。考虑到准确的地应力对于预测井筒完整性至关重要,建立了利用致密油藏井筒破坏信息计算最大水平地应力的模型和方法,并利用该方法编写出了计算最大水平地应力的C#程序,计算结果与假设值一致。(2)分析了水平井裸眼封隔器滑套分段压裂过程中裸眼井筒破坏的机理,考虑到水力裂缝的挤压作用可能影响裸眼井筒完整性,利用复变函数推导了计算水力裂缝附近应力分布的模型。考虑水力裂缝诱导应力和压裂液温度差的影响,建立了分析水平井裸眼封隔器滑套分段压裂过程中裸眼井筒完整性的模型,分析了裸眼封隔器位置、裂缝净压力和压裂液温度对水平井裸眼井筒剪切破坏以及拉伸破坏的影响规律。分析结果表明,未压裂段裸眼井筒的剪切破坏程度会随着水力裂缝半长增加而增大,水力裂缝延伸产生的诱导应力会促使井壁拉伸裂缝闭合;优化裸眼封隔器位置可以确保裸眼封隔器有效隔离;合理的井内压力和水力裂缝净压力有助于避免裸眼井筒破坏。(3)考虑水力裂缝诱导应力和压裂液温度差的影响,建立了分析桥塞射孔分段压裂过程中套管-水泥环-地层应力分布和水泥环完整性的模型,分析了桥塞位置、压裂液温度、水泥石力学性质、套管壁厚对水泥环完整性的影响规律。分析结果表明,如果水泥环内不存在初始有效应力,水力压裂过程中水泥环容易发生拉伸破坏,不容易发生剪切破坏;减小桥塞和水力裂缝的距离,水力裂缝诱导应力会抑制桥塞处水泥环中的径向拉伸裂缝扩展,或者促使径向拉伸裂缝闭合;降低压裂液和地层的温度差,水力压裂过程中水泥环更不容易发生剪切破坏和拉伸破坏;采用杨氏模量低、泊松比高、单轴抗拉强度高的水泥浆固井和增大套管壁厚有助于水力压裂过程中水泥环完整。利用玛湖北斜坡致密油藏百口泉组的岩心实验数据和钻井数据,设计出了水平井钻井和分段压裂过程中井筒完整性控制方案,并进行了方案验证:水平井MH-XX5H井沿最小水平地应力方向钻井,钻井液密度高于1.27g/cm3,因此水平段裸眼井筒没有发生剪切破坏;水平井MH-XX5H井裸眼封隔器滑套分段压裂过程中,水力裂缝净压力低于12.5MPa且井内压力低于89.5MPa,因此确保了裸眼井筒完整;水平井MH-XX6H井所用水泥石的力学性能可以避免桥塞射孔分段压裂过程中水泥环拉伸破坏;该地区水平井钻井和压裂效果表明,提出控制方案能够确保致密油藏水平井的井筒完整性。本文关于致密油藏水平井钻井和水力压裂过程中井筒完整性的分析结果和提出的控制方法,对于避免井筒破坏引起的压裂液窜流和提高致密油藏水平井分段压裂效果具有一定的理论指导作用。