基于近场动力学的套管-水泥环界面损伤机制研究及其对井筒完整性的影响

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Study of the Damage Mechanisms at Casing–Cement Sheath Interface Based on Peridynamics

本研究针对套管-水泥环界面(CCSI)密封完整性问题，通过建立近场动力学(PD)模型突破传统连续性假设的局限性，揭示了不同内外压条件下界面损伤演化规律。研究发现当套管内压超过70MPa临界值时界面出现初始损伤，水泥弹性模量>10GPa时最大损伤值超0.5，而套管壁厚>20mm时可有效抑制损伤。该研究为保障井筒长期完整性提供了重要理论依据。

　　

基于非局部理论的近场动力学(Peridynamics, PD)成功突破了传统数值方法在套管-水泥环界面(Casing–Cement Sheath Interface, CCSI)分析中的奇异性限制。通过空间积分方程描述力学响应，本研究构建的PD模型清晰展现了CCSI在变化内外压作用下的损伤演化轨迹：当套管内压突破70MPa临界值时界面产生初始损伤，随着压力升高损伤范围显著扩展；当内外压同步增大时，损伤沿界面向外辐射状蔓延并诱发裂纹。值得注意的是，水泥弹性模量超过10GPa会导致CCSI最大损伤值超过0.5（重度损伤阈值），而将套管壁厚控制在20mm以上则能实现近乎完整的界面保护。这些发现如同为油气井装上了"损伤预警系统"，为优化固井设计和保障井筒生命周期完整性提供了精准的力学判据。