针对页岩气井压裂作业中水平井固井水泥环密封失效的问题,开展了油层套管外水泥环密封能力评价实验研究。充分考虑现场井筒深度、候凝温度和水泥环实际围压的差异,设计了不同的水泥石养护温度和加载围压方案,并基于应力等效方法对全井筒水泥环在试压和压裂工况下的密封能力作了评价。实验结果表明:在实际工况下,不同井段的固井水泥环表现出显著的密封性能差异,且高试压压力易使井筒中上部井段的水泥环失效;在大规模分段压裂工况下,套管及水泥环受到循环交变载荷的影响,会使技术套管和油层套管的环间水泥环出现大量微环隙而导致环间气密封失效,但处于裸眼段的水泥环更易保持完好的密封性。经分析:水泥环的力学性能受温度和压差的显著影响,因此不同井深段的水泥环密封性能出现差异;同时,压裂交变载荷会使水泥环压实并产生累积...

水平井射孔段井筒由于孔眼的存在,在分段压裂过程中应力集中现象极易加剧固井水泥环的破坏。此外,由于高压压裂液直接作用在水泥环孔眼壁面上,使其完整性在压裂过程中遭受的挑战更大。建立了热流固耦合数值模型旨在分析分段压裂过程中射孔段水泥环内部的温度与应力变化,研究了套管内压、压裂液排量、水泥弹性模量、孔径与孔密对于水泥环密封完整性的影响规律。计算结果表明,压裂过程中水泥环一界面、二界面以及孔眼处均会产生剪切破坏。考虑瞬态力热耦合作用时,水泥环孔眼处失封风险提高。压裂液排量、孔径与孔密对水泥环切向应力影响较小;套管内压与水泥环弹性模量的降低虽然可在一定程度降低剪切破坏系数,但难以避免射孔段水泥环压裂初期的剪切破坏。

研制了一种机械或液压触发无限级分段压裂滑套。改进现有压裂滑套的结构,设计弹性套、可变径球座,使用同一尺寸的低密度压裂球能够全通径开启若干级滑套,降低压裂后管柱的摩阻,实现储层的精细化改造,并且提供后期修井作业的无障碍通道。对弹性套、可变径球座、弹簧等零件进行理论力学分析和有限元仿真分析,均能满足要求。在室内试验,通过机械驱动过球试验,验证了滑套动作的完整性;通过混砂压裂液开启滑套试验,得到滑套开启的最小排量为80 m^(3)/h,该值与理论计算值相符。研制的分段压裂滑套及其配套工艺管柱可进行无限级分段压裂作业,为海上低渗和陆上非常规油气藏的精细化压裂增产改造提供技术支持。