体积压裂时套管弯曲应力放大计算分析

董文涛 吴 萌 张 弘 申瑞臣 付 利

DONG Wen-Tao WU Meng ZHANG Hong SHEN Rui-Chen FU Li

页岩气井体积压裂过程中套管所处力学环境复杂，体积压裂中套管受力情况目前尚未得到清晰的解释。针对此力学问题，本文系统阐述了体积压裂过程中套管弯曲应力放大诱因。同时，基于材料力学理论及挠曲线微分方程，建立了轴向拉力下套管弯曲应力放大模型并推导了弯曲应力放大计算公式。研究表明，弯曲应力放大值相对于常规弯曲应力计算值有大幅度增加，轴向拉力和狗腿角是影响体积压裂中套管弯曲应力放大的主要因素，水泥环虚空段长度影响较小。此外，应用本模型对页岩气井体积压裂中弯曲应力放大耦合作用下套管抗外挤强度计算显示，拉-弯应力与泵压联合作用使套管抗外挤强度降幅达23.7%，套管抗外挤安全系数已经低于三轴安全系数规定值，严重威胁套管安全，极易在体积压裂中诱发套变。最后，本文提出规避体积压裂套管弯曲应力放大的技术对策。