[发明专利]一种评价固井水泥环在压裂工况下层间封隔的方法

说明书

本发明属于石油工程固井领域，提出了一种评价固井水泥环在压裂工况下层间封隔的方法，包括如下步骤：步骤1，获取井身结构、套管‑水泥环‑地层力学性能和井筒工况参数；步骤2，建立水泥环力学完整性和界面密封评价的模型，并将井身结构、套管‑水泥环‑地层力学性能和井筒工况参数，代入至模型中求解；步骤3，根据步骤2中模型的求解结果，评判水泥环失效形式并分析其是否发生层间封隔失效。本发明建立了水泥环力学完整性模型；能够避免屈服分析结果偏保守的问题；能评价水泥环拉伸、压缩强度失效和塑性屈服导致的层间封隔失效；建立了界面密封评价模型，可用于分析压裂工况下水泥环界面密封能力及界面裂缝扩展长度、方向。

技术领域

本发明属于石油工程固井领域，具体涉及一种评价固井水泥环在压裂工况下层间封隔的方法。

背景技术

随着我国非常规油气资源的勘探开发，现场常采用大规模水力压裂的方法改善地层渗流特性，提高单井产能。固井水泥环具有保护、支撑井筒套管和封隔地层流体的作用，但受压裂时高压载荷影响，水泥环极易丧失层间封隔能力，进而影响压裂效果和地面人员财产安全。

为探明水泥环层间封隔失效机理，研究人员大多从水泥环本体的力学完整性失效角度出发，结合弹塑性力学理论，对水泥环应力-应变进行分析与研究：若水泥环压缩强度不能满足压裂工况要求，水泥环就会发生强度破坏；若水泥环抗拉强度低于压裂载荷形成的拉伸应力，水泥环就会发生拉伸破坏；若分布于水泥环的应力达到了其屈服强度，水泥环就会发生塑性屈服，并可能在套管内压卸载阶段产生微环隙。

但力学完整性失效仅是导致水泥环丧失层间封隔的因素之一。压裂工况下，压裂液自井口泵入井底的过程中，射孔孔眼附近的水泥环端面会承受压裂载荷的直接作用，若水泥环界面密封能力欠佳，就可能导致沿界面扩展的裂缝，导致潜在的层间封隔失效风险。同时，受分布于界面两侧的应力和裂缝内压裂液流体载荷的共同影响，界面裂缝尖端处所受合力还可能指向界面一侧，引发界面裂缝的曲折扩展。

因此，为真实、准确评价压裂工况下的水泥环层间封隔能力，急需建立一种能够综合考虑水泥环强度破坏、拉伸失效、塑性屈服、界面扩展裂缝和曲折扩展裂缝等水泥环力学完整性和界面密封失效的评价方法。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，提供一种评价固井水泥环在压裂工况下层间封隔的方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种评价固井水泥环在压裂工况下层间封隔的方法，包括如下步骤：

步骤1，获取井身结构、套管-水泥环-地层力学性能和井筒工况参数；

步骤2，建立水泥环力学完整性和界面密封评价的模型，并将井身结构、套管-水泥环-地层力学性能和井筒工况参数，代入至模型中求解；

步骤3，根据步骤2中模型的求解结果，评判水泥环失效形式并分析其是否发生层间封隔失效。

在本发明的一种优选实施方式中，评判水泥环失效形式并分析其是否发生层间封隔失效的方式如下：

若水泥环发生强度破坏和拉伸失效，说明水泥环将因自身强度不能满足压裂载荷要求而引发层间封隔失效；

若水泥环发生了塑性屈服，且在套管内压卸载阶段，水泥环界面产生拉应力并大于界面胶结强度，说明水泥环将产生界面微环隙并引发层间封隔失效；

若产生了沿界面扩展的裂缝，且裂缝扩展长度大于压裂段的段间距，说明水泥环将因界面密封被破坏而引发层间封隔失效；

若界面裂缝发生曲折扩展，且曲折扩展方向指向水泥环，说明水泥环将发生层间封隔失效。

在本发明的一种优选实施方式中，井身结构参数包括：套管、水泥环和地层尺寸，其中，地层尺寸为10倍井眼尺寸；

套管-水泥环-地层力学性能包括：套管、水泥环和地层的杨氏模量、泊松比、剪切模量和胶结强度；