水力压裂井筒水锤效应诱发套管-水泥环界面剥离机理及动态密封完整性评价研究

为解决水力压裂过程中泵启停引发的水锤压力波动导致套管-水泥环界面剥离问题，研究人员基于欧拉-矩量法(Euler-Moment Model)结合牵引-分离(T-S)单元构建界面剥离与微环隙流动模型，揭示了水锤压力波动幅度、水泥弹性模量等参数对轴向剥离高度的动态影响规律，为固井参数设计和压裂工艺优化提供理论依据。

　　

在非常规油气资源开发中，水力压裂技术如同"地下血管疏通术"被广泛应用，但这项技术却暗藏致命隐患——当压裂泵突然启动时，井筒内流体的剧烈震荡会产生类似"管道敲击"的水锤效应(water hammer effect)，这种瞬时压力波动会像隐形杀手般破坏套管与水泥环之间的粘结界面。更令人担忧的是，现有研究大多忽视了实际工况下这种动态载荷的破坏性，导致大量井筒完整性失效事故无法溯源。当界面剥离形成的微环隙(micro-annulus)延伸至水泥环顶部时，地层流体会像脱缰野马般窜流至井口，引发环境污染和生产安全事故。

针对这一行业痛点，中国石油大学（北京）的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表创新成果。他们独辟蹊径地将欧拉-矩量法(Euler-Moment Model)与牵引-分离(traction-separation)单元相结合，首次构建了能同时模拟动态剥离与微环隙流动的耦合模型。这项研究就像给井筒装上了"动态心电图监测仪"，精准捕捉到每次压力波动对界面粘结的损伤过程。

关键技术方法包括：1)基于群体平衡模型(PBM)的固相颗粒分布动态模拟；2)采用特征线法(MOC)离散求解瞬态流动方程；3)建立考虑水泥弹性模量、界面刚度等多参数的T-S本构模型；4)通过3000米深直井案例验证模型有效性。

【The Population Balance Model of solid particles】
通过离散化0.11-12.11 cm³粒径空间，首次实现了压裂液中固相颗粒(包括支撑剂和地层砂)的聚并破碎动力学模拟，为水锤压力计算提供精确的相分数数据。

【Discretization and initialization of the model】
创新性地采用0.5 cm³间隔的粒径离散方案，解决了现场数据匮乏条件下初始颗粒分布的设定难题，使模型适应不同矿区地质条件。

【Model validation】
以1647米井深控压钻井阀动作实验数据验证模型，压力预测误差小于5%，证实该模型较传统特征线法(MOC)具有更高精度。

【Results】
模拟显示：泵启动后每个压力波动周期都会造成界面"阶梯式"剥离，累积剥离高度呈现先快速上升后趋于稳定的特征。当排量从3 m³/min增至5 m³/min时，最终剥离高度增加37%，前50秒平均剥离速率提升2.3倍。

【Key findings】
突破性发现水锤波动压力(而非稳态压力)是界面快速剥离的主因。水泥弹性模量每增加1 GPa会导致剥离高度增加8-12%，而界面刚度提升可使最终剥离高度降低15-20%。

该研究不仅揭示了水锤效应诱发界面剥离的动力学机制，更创新性地提出了基于动态剥离过程的微环隙密封强度评价方法。就像为井筒完整性管理提供了"动态安全阈值"，使得固井水泥的杨氏模量(Young's modulus)选择和压裂施工排量控制有了量化依据。特别是发现高排量施工时存在"50秒临界点"现象——前期剥离速率迅猛而后期骤降，这对优化压裂泵启停程序具有重要指导价值。这些成果为预防页岩气开发中的环空带压(SCP)问题提供了全新解决方案。