热流固耦合作用下干热岩地热井套管-水泥环胶结面应力场分析

摘要

干热岩是一种新型清洁能源，对其开发利用，能够有效减少碳排放和缓解化石能源短缺问题。在所有井筒系统结构中，套管-水泥环胶结面是较为薄弱的结构，在热流固耦合作用下，套管-水泥环胶结面破裂机理尚不清楚。本文考虑套地层孔隙水压力、套管内注入水与地层之间温差所引起的热载荷、孔隙流体的热渗效应（T-O），建立干热岩地热井套管-胶结面-水泥环-地层组合体热流固耦合模型。通过拉普拉斯变换和逆变换，对模型进行求解，并与已公开发表的温度场数据和径向应力场数据进行比对验证。以青海共和盆地恰卜恰地区干热岩井为工程背景，得到了井筒系统内各界面随时间发展的温度曲线和径向应力曲线，发现套管-水泥环胶结面处的温度在2.3 d左右降低到套管内壁温度，而径向应力开始有短暂的降低后增加，径向应力最小值为6.31 MPa。进一步分析胶结面的热流固耦合参数对干热岩地热井套管-胶结面界面径向应力的影响规律，结果表明：当胶结面的弹性模量、泊松比、T-O系数与水泥环的相应属性相近时，或者较低的地层温度和较小的胶结面孔隙率，均能减小套管-胶结面界面处的径向应力，因而更有利于套管-胶结面-水泥环-地层组合体的完整性。该结论对干热岩地热井保护井筒的完整性具有重要的指导意义。

关键词

干热岩地热井 / 热流固耦合 / 套管-水泥环胶结面 / 应力场 / 理论解