射孔过程中套管-水泥环界面损伤演化规律数值模拟

摘要

射孔作业过程中高速射流侵彻套管-水泥环-地层组合体，在导致水泥环本体损伤的同时也会造成套管-水泥环界面的胶结损伤，容易引发井筒内的流体沿着套管-水泥环界面发生窜流，进而严重缩短油气井的生命周期。采用流固耦合方法建立了射孔弹爆炸后高速射流侵彻套管-水泥环-地层的数值模型，分析了侵彻过程中套管-水泥环胶结面损伤动态演化规律，研究了不同水泥环材料参数（剪切模量）、内聚力单元参数（断裂能）以及套管类型对胶结面损伤面积和最大损伤半径的影响规律。研究结果表明，随着射流侵彻的进行，套管-水泥环胶结面出现了损伤且范围不断扩大，当射流侵入到地层后损伤面积达到最大值。随着水泥环剪切模量或断裂能的不断增加，胶结面的损伤程度不断减小，增加井眼清洁或者采用含纤维水泥浆有利于降低射流侵彻对胶结面的损伤。采用铝合金、钛合金、镍基合金等耐受性强的套管时，射孔侵彻过程中套管-水泥环胶结面的损伤面积和最大损伤半径会显著增加。研究成果可为射孔侵彻过程中井筒完整性的保障以及工程参数的优化提供理论支撑。

关键词

射孔作业 / 流固耦合 / 套管-水泥环界面 / 损伤 / 数值模拟

基金资助

国家自然科学基金面上项目“CCUS工程多场耦合及跨时空尺度条件下井筒密封完整性失效机理与控制方法研究”（52374001）; 重庆市自然科学基金项目“CCUS地质封存井气体泄露复杂路径形成机制与演化规律研究”（CSTB2024NSCQ-MSX0882）; 中国石油天然气集团有限公司数智中国石油重大专项“石油石化工业软件-钻井安全控制软件”(2024ZZ46-05)