研究背景：

多级压裂技术是高效开发页岩油气资源的主要手段。在此过程中，水泥环起着双重关键作用：一方面隔离井筒内的各类流体（油、气、水），另一方面为套管提供结构支撑并抵御腐蚀。然而，多级压裂会使套管内壁承受交变压力，导致水泥环-套管界面处于循环加卸载状态。这种界面处的循环应力会引发疲劳损伤，进而破坏水泥环的密封完整性。多级压裂过程中水泥环密封失效已成为石油工程领域日益关键的问题。为提高页岩气井的服役寿命，必须评估循环载荷对水泥环密封性能的影响，并确保其结构完整性的持续保持。

研究简介：

针对上述挑战，团队创新地通过将疲劳损伤计算准则引入内聚区模型（Cohesive Zone Model, CZM），构建了循环载荷下的疲劳损伤内聚区模型。通过双悬臂梁（Double Cantilever Beam, DCB）仿真结果验证了该模型的有效性，随后通过与既有文献结果的对比，证实所构建的疲劳损伤内聚力模型可用于研究水泥环密封完整性引发的套管失效问题。从套管偏心和磨损两个关键因素出发，分析了微环隙动态演化对套管失效的影响。在此基础上，提出以压裂井段选择、施工压力和固井质量为核心的套管失效缓解策略，并采用所提出疲劳损伤内聚区模型对四川威荣区块某页岩气井固井质量进行案例分析。

首先，本研究采用构建的疲劳损伤内聚区模型，分析了DCB的疲劳损伤问题。该界面采用内聚力单元，其他区域采用实体单元C3D8R，其界面法向位移、法向应力、疲劳损伤与累积损伤计算结果如图1所示。由图1可见，经过长时间的疲劳加载后，内聚单元逐渐发生退化。随着加载循环次数的增加，疲劳损伤持续累积，导致总体疲劳损伤不断上升。

图1 循环加卸载次数对界面法向位移、应力和损伤的影响

其次，通过所提模型研究水泥环密封完整性问题，分析多级压裂对界面微环隙萌生与扩展的影响。多级压裂过程中，在套管居中与偏心两种工况下，水泥环-套管界面损伤行为的差异特征如图2所示。由图2可见，当压裂级数达到7级时，界面发生疲劳损伤，水泥环出现局部显著微环隙。与居中套管相比，一旦套管偏心，疲劳损伤范围将扩大，界面损伤值也会显著增大。偏心距、偏心角对界面微环隙扩展的影响如图3所示。从图3可知，距离垂直地应力方向越远，界面裂纹宽度越小，同时偏心距会加剧水泥环界面失效，但压裂级数过多才是导致水泥环界面失效的主要原因。

图2 套管偏心和居中下的界面损伤云图（压裂级数为7和10）

图3 偏心距、偏心角对界面微环隙扩展的影响

该模型进一步被用于探讨水泥环完整性对套管失效的影响。不同工况下，套管失效模式如图4和图5所示。由图4和图5可见，套管的应力集中主要出现在月牙形的磨损区域，同时在双月牙形复合磨损区域中，应力集中与应力干涉之间的相互作用极为复杂。

图4 不同偏心磨损角度下的套管应力分布（偏心角=15°）

图5 压裂阶段、双月牙间距角对套管失效影响

本研究由河海大学计算力学与工程安全研究团队共同完成，将团队优势特色方向计算力学与工程仿真与水力压裂井筒完整性问题相结合，为全面深入研究水泥环密封完整性问题提供了新的思路。相关成果于2025年9月发表在期刊《Geoenergy Science and Engineering》上。本团队学术带头人黄丹教授为论文通讯作者，团队博士生孙锐为论文第一作者。论文的其他重要合作作者包括本团队博士生姚学昊和蔡壮。本研究得到了国家自然科学基金项目（No. 12572226, 12072104）以及江苏省“青蓝工程”项目的资助。

Geoenergy Science and Engineering（原Journal of Petroleum Science and Engineering，2023年改为现刊名）是一本由ELSEVIER出版的工程技术领域期刊，重点关注CCUS、地热能、氢能、地下天然气储存、人工智能、可持续碳氢化合物的勘探与生产。该期刊最新影响因子为4.6，JCR工程领域Q1区，2025年最新中科院工程技术大类2区TOP。

 撰稿：孙锐

  审核：周广得