页岩气作为一种非常规天然气能源,对于缓解我国天然气供应、改善环境问题具有重要的战略意义。随着勘探开发的不断深入,页岩气已经成为我国油气增储的重要力量。然而威远地区在页岩气开发过程中,套管变形问题较为突出,威远H区块的套变井占比高达40.1%,严重影响了页岩气的安全高效开发。因此,针对威远页岩气井区的多岩性互层界面处套管变形问题,对威远地区页岩气井压裂过程中套管变形机理展开研究,确定其主导因素,并制定科学合理的防控措施,对推动威远地区页岩气高效开发意义重大。基于此,本文开展了以下研究: (1)基于威远H区块75口套变井的工程地质数据统计分析与文献调研,揭示了套管变形的空间分布规律及主控因素:威远H区块套变点集中发育于龙马溪组-五峰组,其中岩性错杂交互、大斜度井段和大排量压裂施工构成套变高风险组合参数。分析结果表明,套管剪切变形是威远H区块页岩气井套管变形的主要形式,其形成机制受控于地质因素(岩性界面特征)与工程因素(井眼轨迹参数)的耦合作用。 (2)为了描述威远H区块页岩气井多岩性互层特征,本文开展了威远H区块页岩、砂岩和泥岩的力学参数实验,建立了岩石力学剖面及地应力剖面,为威远H区块套管变形数值模拟提供可靠的地层数据。并研选了地层与套管强度破坏准则,设定模型所需的边界条件,构建了一个能够准确反映水力压裂影响下的井筒模型。 (3)基于井筒多场耦合数值模型,系统开展了多岩性互层中套管变形机理研究。基于Cohesive单元建立了裂缝动态扩展与套管应力的耦合算法,针对地质因素影响,建立了砂岩-页岩-泥岩多地层组合模型,系统模拟了岩性、界面数量(1~4个)、弹性模量及泊松比差异等因素对套管应力的影响规律,研究表明岩性界面处弹性模量差异是导致套管剪切变形的主要原因;针对工程因素影响,构建了三维井眼轨迹参数化模型,开展了井斜角(0°-60°)及井眼曲率(3-20°/2m)下的数值模拟研究,揭示了套管应力对工程参数的敏感特性:在多岩性互层下,井眼轨迹参数与套管最大应力皆成线性关系。 (4)开展了降低套变风险下的套管力学特性分析,基于多岩性互层下岩性界面及井眼轨迹对套管的剪切及挤压作用,开展了不同套管选型及压裂参数对套管强度的数值模拟研究,研究了套管不同壁厚及外径对套管抗剪切、抗挤压强度的影响,研究表明套管壁厚可明显增强套管抗剪及抗压能力;研究了不同压裂参数(注液量、排量、簇间距)对套管抗内压强度的影响,给出威远H区块压裂施工建议:降低压裂液排量至16m3/min或以下,限单段注液量≤2000m3,采用小簇间距(20-25m),可降低套变风险。 本研究建立了威远页岩气井压裂过程中套管变形评价模型,分析了导致该地区套管变形的主控因素,提出了相应的控制措施,并设计了一种套管保护工具。研究成果能够为威远地区页岩气井套管变形的防控提供理论依据与指导建议。