多角度辨識壓裂套管變形的失效影響因素*

王倩琳，張來斌，胡瑾秋，王海濤，李奎為，賀維維

(1. 中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249；2. 中國石油化工股份有限公司 石油工程技術研究院，北京 100101)

0　引言

頁巖氣的分布非常廣泛，開發潛力巨大，是常規石油天然氣理想的接替能源[1]。頁巖氣具有高溫、高壓、低滲等埋藏特點，特別是儲層的低孔特征和極低的基質滲透率，需經過壓裂改造方能增產增注，因此壓裂是頁巖氣開發的關鍵技術。國內近年來的分簇射孔壓裂技術實現了“體積改造”，為加快我國頁巖氣勘探開發步伐具有重要的現實意義[2]。體積壓裂技術是1種可“打碎”儲集層，形成復雜縫網，創造“人造”滲透率的新技術。該技術裂縫起裂是靠剪切破壞及錯斷和滑移來實現，突破了傳統壓裂裂縫滲流理論模式，大幅度縮短流體有效滲流距離，適用于較高脆性巖層的改造，同時采用分段多簇射孔[3-4]。

在頁巖氣開發中壓裂改造技術帶來油氣增產的同時，其施工壓力大、排量大、改造規模大以及改造區域不對稱的特點使得在壓裂過程中套管處于復雜的力學環境中，受到擠壓、剪切和彎曲的載荷作用，從而使套管進入屈服階段[5]。當套管進入屈服階段后，隨著載荷的增加，套管開始出現較大變形，套管截面橢圓度逐漸增大，當橢圓度達到一定數值后，引發套管失效；一旦套管頻繁地擠毀變形，則導致橋塞無法按照設計坐封到位，影響壓裂施工效果，進而造成井下工具下入遇阻，增加了施工成本和難度，難以保證失效氣井井筒完整性，為后續生產作業帶來了很大風險[6-9]。

頁巖氣壓裂過程中套管變形失效問題引發了學術界的研究熱潮，如美國Daneshy Consultants機構[10]提出在壓裂改造過程中套管的螺紋連接處和射孔處受到拉伸作用，易出現套管失效，認為失效原因包括非均勻裂縫的擴展和偽開孔環境、套管與裂縫之間的傾斜角度和固井質量；美國康菲石油公司[11]的研究結論表明，在大斜度井中酸化壓裂作業導致儲層的壓實效應，帶來套管失穩和變形且多發生在射孔族附近，即由于酸化或壓裂造成了近井帶出現較高孔隙度區域，該區域外壓實儲層形成軸向壓縮力，套管出現屈曲乃至擠毀；我國西南石油大學[12]通過反演微地震監測數據，基于“裂縫體”假設方法建立水平井壓裂過程中套管失效的有限元模型，對體積壓裂過程進行數值模擬，發現壓裂改造使局部區域出現地應力場“應力虧空”現象，使得套管處于惡劣的力學環境中，這是導致水平井套管失效主要原因。

但目前研究多針對壓裂套管的單一失效原因[13-14]，缺乏系統性的失效模式與影響因素分析，這一空白大大增加了套管作業風險，難以保障壓裂套管的完整性和可靠性。鑒于此，針對頁巖氣大規模壓裂作業特點，從不同薄弱位置、不同自身規格和不同約束條件等多角度，系統辨識套管變形的失效影響因素。即通過建立壓裂套管三維模擬的有限元模型，分析套管內壓變化引起套管應力、位移的變化規律及形態，明確套管變形的大小以及與載荷變化的關系，并揭示套管變形的位置及影響因素的臨界值。

1　壓裂套管有限元建模

從不同薄弱位置、不同自身規格和不同約束條件等方面，建立了壓裂套管有限元模擬研究的總體思路，如圖1所示。利用Solidworks建立壓裂套管的三維模型，相關建模參數見表1-3，并將模型導入ANSYS軟件[15-17]。此外，界定壓裂套管的約束條件，即：套管兩端施加對稱約束，限制軸向自由度并保證兩端約束相同；管體兩端施加全約束，限制套管受到外載作用時發生剛體位移；水泥環兩端及水泥環外壁施加固定約束。

利用ABAQUS有限元分析軟件對壓裂套管進行應力位移分析，結果如圖2所示。

圖1　壓裂套管有限元模擬總體思路Fig.1　Finite element modelling way to fracturing casing

表1　不同薄弱位置的壓裂套管有限元建模參數Table 1　Finite element modelling parameters of fracturing casing in different weak points

表2　不同自身規格的壓裂套管有限元建模參數Table 2　Finite element modelling parameters of fracturing casing in different specifications

表3　不同約束條件的壓裂套管有限元建模參數Table 3　Finite element modelling parameters of fracturing casing in different constraint conditions

圖2　壓裂套管有限元模擬結果Fig.2　Finite element modelling results of fracturing casing

2　有限元模擬結果分析

2.1　不同薄弱位置

圖3　不同薄弱位置處壓裂套管最大應力和最大位移Fig.3　Maximum stress and strain graphs of fracturing casing in different weak points

繪制不同薄弱位置壓裂套管最大應力、最大位移圖譜，如圖3所示。從應力云圖可看出，作業時不同薄弱位置壓裂套管的最大應力值不盡相同，其中，垂直段和造斜段的小于屈服強度758 MPa，滿足工況要求；但水平段的處于屈服強度臨界值。從位移云圖可看出，垂直段、造斜段和水平段壓裂套管的最大位移值均小于要求0.005 mm，位移在范圍允許之內，滿足使用要求。

根據不同薄弱位置壓裂套管最大應力、最大位移圖譜，可發現：相對而言垂直段壓裂套管的應力、位移較小，其風險及危險性均處于較低狀態；造斜段壓裂套管的變形現象、水平段壓裂套管的應力集中現象較為嚴重，一旦發生套變、套損，將嚴重影響后續壓裂施工。

2.2　不同自身規格

繪制不同鋼級、外徑和壁厚條件下壓裂套管最大應力、最大位移圖譜，分別如圖4-6所示。從應力云圖可看出，作業時不同自身規格的壓裂套管最大應力值不盡相同。不同鋼級條件下，壓裂套管最大應力值均小于屈服強度758 MPa，滿足工況要求；不同外徑條件下和不同壁厚條件下，壓裂套管最大應力值大多小于屈服強度758 MPa，因此在壓裂過程中最大應力值超出758 MPa的壓裂套管規格應避免或減小使用。從位移云圖可看出，不同自身規格的壓裂套管最大位移值均小于要求

圖7　不同內壓條件下壓裂套管最大應力和最大位移Fig.7　Maximum stress and displacement graphs of fracturing casing under different internal pressures

圖4　不同鋼級條件下壓裂套管最大應力和最大位移Fig.4 Maximum stress and strain graphs of fracturing casing on different steel grades

圖5　不同外徑條件下壓裂套管最大應力和最大位移Fig.5　Maximum stress and strain graphs of fracturing casing under different external diameters

圖6　不同壁厚條件下壓裂套管最大應力和最大位移Fig.6　Maximum stress and strain graphs of fracturing casing under different wall thicknesses

0.005 mm，位移在范圍允許之內，滿足使用要求。

根據不同自身規格條件下壓裂套管最大應力、最大位移圖譜，可發現：不同鋼級、外徑、壁厚條件下，壓裂套管最大應力、最大位移規律性較差，其中，國際和國內相關標準中對壓裂套管自身規格作出過嚴格規定，因此可供模擬仿真的壁厚數據較少，導致壓裂套管應力、位移等結果難以具有可比性。同樣，不同外徑條件下壓裂套管的壁厚也不盡相同，進而導致模擬仿真數據無法實現單一變量化。

2.3　不同約束條件

繪制不同內壓、孔徑、螺距、相位角條件下以及有無水泥環時壓裂套管最大應力、最大位移圖譜，如圖7-11所示。從應力云圖可看出，由于存在地應力、導致壓裂套管外壁受力，內壓45 MPa是對應屈服強度758 MPa的臨界狀態；當內壓高于45 MPa時，壓裂套管最大應力值均小于屈服強度758 MPa，滿足工況要求。另外，不同孔徑、螺距、相位角條件下以及有無水泥環時，壓裂套管最大應力均處于屈服強度臨界值。從位移云圖可看出，不同約束條件的壓裂套管最大位移值均小于要求0.005 mm，位移在范圍允許之內，滿足使用要求。

圖8　不同孔徑條件下壓裂套管最大應力和最大位移Fig.8　Maximum stress and strain graphs of fracturing casing under different bore diameters

圖9　不同螺距條件下壓裂套管最大應力和最大位移Fig.9　Maximum stress and strain graphs of fracturing casing under different thread pitches

圖10　不同相位角條件下壓裂套管最大應力和最大位移Fig.10　Maximum stress and strain graphs of fracturing casing under different phase angles

圖11　有無水泥環時壓裂套管最大應力和最大位移Fig.11　Maximum stress and strain graphs of fracturing casing whether cement sheath or not

根據不同自身規格條件下壓裂套管最大應力、最大位移圖譜，可發現：不同內壓條件下壓裂套管最大應力、最大位移大體呈現線性降低規律，而不同孔徑、螺距、相位角條件下以及有無水泥環時，壓裂套管最大應力、最大位移規律性較差。

3　結論與認識

1)頁巖氣壓裂過程中套管變形失效的主要影響因素包括薄弱位置和內壓條件，具體而言：相對于垂直段而言，壓裂套管的造斜段最大變形、水平段應力集中現象較為嚴重，屬于危險脆弱點；壓裂套管的最大應力、最大位移隨內壓的增加而近似成線性降低關系。

2)為盡量減少壓裂施工過程中的套管變形失效現象，提出以下建議：垂直段避免使用自身規格為鋼級P110、外徑219.1 mm(壁厚6.71 mm)或外徑339.7 mm(壁厚8.38 mm)或外徑177.8 mm(壁厚8.05 mm)的壓裂套管；內壓小于45 MPa時，應合理選取壓裂套管規格，防止在地應力作用下套管最大應力超過屈服強度；不同約束條件(含孔徑、螺距、相位角和水泥環等)時，壓裂套管最大應力均處于屈服強度臨界值，應提高壓裂監測技術，實時優化壓裂分簇工藝和施工壓力等參數。

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