水力压裂对套管和水泥环影响的数值模拟分析

1.算例分析背景

井下压裂工艺是低渗透油藏增产改造的主要手段，1500～2000m深度的地层破裂压力在40～50MPa，这个压力一般是在油井钻井及后期开发过程中的最高工况压力，在进行钻井设计时需要考虑套管强度设计，另外需要考虑极限工况压力对套管外水泥环的影响，因此，基于Abaqus软件，利用有限元方法对套管强度进行校核计算，并观察水泥环的受力情况。

2.计算模型建立

建立套管-水泥环-地层模型，如图：内侧为套管模型，中间为水泥环，外部为地层。

3.材料属性设置

针对三种部件分别设置四种材料属性，因水泥石为水泥浆添加各种助剂形成的固结物，与混凝土的力学性能有比较大的差别，为简化计算过程，水泥石选用摩尔-库仑模型，如图：弹性参数：杨氏模量取5.26Gpa，泊松比取0.34，套管选用合金钢材质，地层也选用摩尔-库仑模型。

4.网格划分

全部部件均采用结构化六面体网格，提高计算精度，并节约网格数量，以减小计算量。最内侧套管划分网格较细，保证壁厚方向至少3层网格，水泥环、地层网格依次增大。

所有网格单元均采用三维应力线性单元C3D8R。

5.接触设置

针对套管-水泥环，水泥环-地层分别建立2组接触对，采用同一接触属性，以简化计算。接触属性分别设置切向、法向属性，切向设置摩擦系数为0.45，法向为线性压力过盈。

6.分析步设置

首先在初始分析步设置进行初始地应力设置，因计算过程设置表面压强载荷过大，因此设置2个分析步分别加载，提高计算收敛性。

7.边界条件

首先在初始分析步设置地层应力，本例为简化计算，假设地层各处的地应力分布相同。

第一分析步以幅值曲线加载28MPa表面压强载荷，第二分析步以幅值曲线加载50MPa表面压强载荷，以模拟井下压裂施工时套管受力情况。

设置边界约束条件，针对模型的两个侧面分别施加对称约束，地层底界初始分析步设置完全固定，第一、二分析步取消激活，地层外侧设置完全固定，对套管及水泥环设置Z轴方向的位移约束为0。

8.设置4个CPU核心计算。得到应力云图如下：套管最大应力值为469MPa，低于N80套管552MPa的屈服强度，产生的形变对水泥环的影响较小，普通压裂井设计N80钢级套管满足开发需求。

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