考虑固井界面密封的压裂水泥环力学性能图版设计方法

本发明涉及油气钻探，尤其涉及考虑固井界面密封的压裂水泥环力学性能图版设计方法。

背景技术：

1、大规模水力压裂是我国非常规油气资源勘探开发的常用方法，压裂施工可有效改善地层渗流特性并提高单井产能。固井水泥环作为保护井筒、套管和封隔地层流体的重要屏障，在压裂施工时，需承受来自套管内的高压载荷而不发生力学失效。通常，良好的水泥环力学性能是保障压裂施工安全高效实施的关键。

2、当前，研究人员大多通过提高水泥环各项强度、降低水泥环杨氏模量的方式改善其力学性能，以避免水泥环发生拉伸、压缩破坏、塑性屈服和界面剥离。然而，当前方法大多为规律性分析或通过某一水泥环力学性能评判水泥环能否保障压裂施工的安全顺利进行，而缺少一个明确的、满足压裂施工要求的水泥环力学性能范围。虽有部分学者(如专利cn112052592a)设计了水泥环力学性能图版，但在对水泥环屈服与界面剥离问题的讨论中，存在采用内壁径向位移增量分析的不足(事实上应该采用径向应力及其增量)；同时，该专利也仅局限于保障水泥环本体的力学完整性的目的，而忽略了固井水泥环界面密封问题，以及界面密封对水泥环力学性能设计的具体要求。

3、在压裂过程中，压裂液自井筒泵入地层，射孔孔眼附近的水泥环端面会承受压裂液流体载荷，水泥环在力学性能良好的条件下也可能发生压裂液沿界面的窜流，导致界面密封失效。已有研究发现，提高水泥环杨氏模量可有效保障水泥环界面密封不发生失效，这则与前述保障水泥环本体力学完整性需降低水泥环杨氏模量的力学性能要求存在差异。

4、因此，为保障压裂施工的安全顺利实施，不能单一考虑水泥环本体的力学完整性对其力学性能的要求，还需要考虑保障水泥环界面密封的力学性能要求。而通过将水泥环本体力学完整性和界面密封对水泥环力学性能的要求进行综合设计，才能够形成一套既能保障压裂安全顺利施工要求的水泥环力学性能设计方法，又便于现场实际应用、易于指导水泥环力学性能改进或水泥配方选型的要求图版。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供考虑固井界面密封的压裂水泥环力学性能图版设计方法，以提出便于实际应用、能够兼顾水泥环本体力学完整性和界面密封的力学性能要求图版。

2、本发明采用如下技术方案：

3、考虑固井界面密封的压裂水泥环力学性能图版设计方法，包括如下步骤：

4、步骤1.依据井身结构、套管-水泥环-地层力学性能、井筒工况、压裂液性能等参数，评价水泥环本体力学完整性与界面密封，分析压裂水泥环失效形式；

5、步骤2.依据水泥环失效形式提出需优化的目标水泥环力学性能；

6、步骤3.对步骤2提出的水泥环力学性能进行优化设计，通过改变水泥环杨氏模量、泊松比和各项强度，找到可以避免水泥环失效的目标水泥环力学性能要求区间；

7、步骤4.以保障水泥环本体力学完整性和界面密封为前提，对目标水泥环力学性能以外的其他水泥环力学性能进行优化设计，以避免步骤3所提出的目标水泥环力学性能要求区间内的水泥环力学性能导致其他类型的水泥环失效为目的，找到其他水泥环力学性能要求区间；

8、步骤5.通过将步骤3)与步骤4)中提出的所有水泥环力学性能要求区间，按不同力学性能类型绘制于同一图内，得到水泥环力学性能要求图版。

9、步骤1中所述井身结构包括：套管、水泥环和地层尺寸，射孔孔眼直径、油管直径，界面裂缝初始长度、界面裂缝宽度和高度；所述套管-水泥环-地层力学性能包括：套管、水泥环和地层的杨氏模量、泊松比等；所述井筒工况包括：候凝阶段井筒内压力、地层压力，压裂施工排量、泵压、时间；所述压裂液性能包括压裂液密度、粘度。

10、步骤1中所述水泥环本体力学完整性与界面密封包括：评价水泥环本体是否会发生强度破坏、拉伸失效、塑性屈服和界面剥离(本体力学完整性)，评价水泥环界面是否会产生沿界面扩展的裂缝和向水泥环方向扩展的曲折裂缝(界面密封)。

11、步骤1中所述分析压裂水泥环失效形式是指，分析因水泥环本体力学完整性失效或界面密封失效导致的水泥环失效形式，包括强度破坏、拉伸失效、塑性屈服、界面剥离、水泥环界面产生沿界面扩展的裂缝和向水泥环方向扩展的曲折裂缝等形式。

12、进一步的，所述水泥环本体的强度破坏和拉伸失效可通过弹性力学厚壁圆筒理论进行计算，该计算方法为业内常用方法，本发明内不再赘述。当水泥环内外壁间径向应力之差大于水泥环抗压强度，则水泥环发生强度破坏；当水泥环内壁和外壁之间任意一处周向应力大于水泥环抗拉强度，则水泥环发生拉伸失效。

13、进一步的，水泥环塑性屈服可通过von mises应力准则论进行评判，von mises应力准则如公式(1)所示。当公式(1)中左式大于右式，则水泥环发生了塑性屈服；当公式(1)中左式等于右式，则水泥环处于塑性屈服的临界状态；当公式(1)中左式小于右式，则水泥环未发生塑性屈服。

14、

15、式中，σp-水泥环屈服强度，mpa；σ1-水泥环径向、周向和轴向应力中的最大值，mpa；σ2-水泥环径向、周向和轴向应力中的中间值，mpa；σ3-水泥环径向、周向和轴向应力中的最小值，mpa。

16、进一步的，所述水泥环界面剥离是通过对比水泥环界面处拉应力与界面胶结强度进行分析，当界面处为拉应力且大于界面胶结强度，则发生界面剥离；反之，则不会。

17、进一步的，所述水泥环界面是否会产生沿界面扩展的裂缝可采用式(2)进行计算：

18、p＝pwell+ph-δps-pm-δpfra＞σb  (2)

19、式中，p-界面初始裂缝内的流体压力，mpa；pwell-井口泵压，mpa；ph-压裂液液柱压力，mpa；△ps-压裂液泵入井底时的沿程摩阻，mpa；pm-射孔孔眼摩阻，mpa；△pfra-压裂液在裂缝中的流动阻力，mpa；σb-阻止界面裂缝张开的应力，数值上等于界面接触压力与胶结强度之和，mpa；

20、所述△pfra可下式计算：

21、

22、式中，n-流动系数，无因次；k-粘度，pa·s；l-界面裂缝初始长度，m；w-界面裂缝宽度，m；h-界面裂缝高度，m；q-流速，m3/s。

23、所述pm可下式计算：

24、

25、式中，ρ-压裂液密度，kg/m3；q-压裂排量，m3/min；cd-系数，数值为0.7；dp-射孔孔眼直径，m；np-射孔孔眼数量。

26、所述△ps可下式计算：

27、

28、式中，ρ-压裂液密度kg/m3；q-压裂排量，m3/min；re-雷诺数；h-井深，m；d-油管直径，m；g-重力加速度，m/s2。

29、所述σb可下式计算：

30、

31、式中，-受压裂载荷影响的应力强度因子，mpa·m1/2；r'-表征界面裂缝指向的极坐标半径；ε-双材料常数。

32、所述水泥环界面产生沿界面扩展的裂缝后，还需分析该裂缝扩展的最终长度，如式(7)所示。

33、l＝l×x  (7)

34、式中，l-界面裂缝最终扩展长度，m；x-界面裂缝扩展步数。

35、当界面裂缝最终扩展长度大于压裂段内射孔簇端部与桥塞之间的距离，则水泥环界面密封失效。

36、所述向水泥环方向扩展的曲折裂缝可通过断裂力学中双材料常数ε进行评判，双材料常数ε表达式如式(8)所示。当ε为正，则曲折裂缝向地层方向扩展；若ε为负，则曲折裂缝向水泥环方向扩展，此时，水泥环界面密封失效。

37、ε＝1/2π·ln((κ1/μ1+1/μ2)/(κ2/μ2+1/μ1))  (8)

38、式中，κj＝3-4vj，j＝1,2，1和2分别表示水泥环和地层；κj-膨化模量；μ-剪切模量，pa；v-泊松比，pa。

39、步骤2所述依据水泥环失效形式提出需优化的目标水泥环力学性能的含义为：若水泥环发生强度破坏，则需提高水泥环抗压强度；若水泥环发生拉伸失效，则需提高水泥环抗拉强度；若水泥环发生塑性屈服，则应提高水泥环屈服强度并优化水泥环杨氏模量和泊松比；若水泥环发生界面剥离，则需提高水泥环界面胶结强度；若水泥环界面产生沿界面扩展的裂缝和向水泥环方向扩展的曲折裂缝，则应当优化水泥环杨氏模量和泊松比。

40、所述步骤3具体是指，在不改变井身结构和井筒工况的前提下，通过改变水泥环各项强度和杨氏模量、泊松比，试算避免步骤2得到的水泥环失效形式的目标水泥环力学性能要求区间。

41、所述步骤4的具体方法与步骤3相同。

42、所述步骤3和步骤4中的水泥环力学性能要求是指：水泥环抗压强度高于水泥环内外壁径向压应力之差；水泥环抗拉强度高于周向拉应力；基于von mises应力准则设计水泥环屈服强度；以降低水泥环塑性屈服风险为要求设计杨氏模量和泊松比；水泥环界面胶结强度大于界面处拉应力；以避免水泥环界面产生沿界面扩展的裂缝和缩短界面裂缝最终扩展长度为要求设计杨氏模量和泊松比；以避免产生向水泥环方向扩展的曲折裂缝要求设计杨氏模量和泊松比；同时，在对上述某一力学指标进行设计的同时，还需保证设计后的水泥环各项力学指标不会导致水泥环发生其他类型的失效。

43、所述水泥环力学性能要求区间是指水泥环力学性能指标范围，而不是具体某一个值。

44、所述步骤5是指将步骤3和步骤4得到的水泥环力学性能指标范围，按不同力学性能类型绘制于同一图内，得到水泥环力学性能要求图版。如各压裂水泥环失效形式中，对水泥环杨氏模量和泊松比的要求绘制于同一图内。

45、本发明的有益效果：

46、1.现行方法仅考虑了压裂过程中水泥环本体力学完整性对水泥环力学性能的要求，本发明还考虑了水泥环界面密封对水泥环力学性能的要求。

47、2.本发明将保障水泥环本体力学完整性和界面密封的水泥环力学性能指标范围进行综合考虑，形成了一个兼顾水泥环本体力学完整性和界面密封的水泥环力学性能要求图版设计方法，采用该方法形成的水泥环力学性能要求图版便于现场实施。