《Petroleum》：Generation and development of micro-annulus under complex load environment conditions in well deviated sections and barrier establishment method
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套管内压的循环加载卸载（cyclic loading and unloading）是导致井筒胶结界面处微环隙（micro-annulus）生成与发育的重要因素。斜井段（well deviated section）在面临地应力偏转（in-situ stress
套管内压的循环加载卸载（cyclic loading and unloading）是导致井筒胶结界面处微环隙（micro-annulus）生成与发育的重要因素。斜井段（well deviated section）在面临地应力偏转（in-situ stress deflection）和套管偏心（casing eccentricity）的复杂条件时，承受交替载荷。研究人员建立了考虑套管偏心和地应力偏转的斜井段套管-水泥环-地层组合数值模型。对比分析了常规条件下以及斜井段地应力偏转和套管偏心条件下累积塑性应变（cumulative plastic strain）的变化规律。分析了套管居中程度、井口压力和水泥环力学参数对微环隙宽度变化规律的影响，并量化了斜井段不同深度处的分布规律。研究结果表明，随着套管偏心程度的增加，初始塑性应变相应增大，从而进一步增加气体窜流（gas channeling）风险。水泥环内形成的微环隙宽度随井口压力持续升高而逐渐扩大。在相同的力学环境条件下，提高套管居中程度和降低水泥环弹性模量（elastic modulus）有利于减小微环隙宽度。在相同交替载荷循环次数条件下，斜井段微环隙宽度随深度增加而趋于增大。最后，提出了一种在斜井段采用复合浆柱结构（composite slurry column structure）的固井方法，并证明其在控制微环隙宽度方面具有更好的效果。此外，研究结果可为保障斜井段水泥环密封完整性（sealing integrity）提供有效的理论参考。
论文解读：复杂载荷下斜井段微环隙生成与发育机制及屏障建立方法
多级压裂是深层非常规油气开发的关键技术，但频繁的套管内压循环加载卸载会导致井筒胶结界面产生微环隙（micro-annulus），引发气体窜流（gas channeling）和环空带压问题。斜井段（well deviated section）作为连接垂直段与水平段的关键位置，其水泥环（cement sheath）承受地应力偏转（in-situ stress deflection）和套管偏心（casing eccentricity）的耦合作用，力学环境远比垂直段和水平段复杂。然而，已有研究多聚焦于垂直段或水平段，对斜井段微环隙的生成与发育规律缺乏系统分析。因此，有必要基于实际工程实践，研究斜井段在交替载荷下水泥环密封完整性失效机理，为提出防控措施提供理论依据。
研究人员建立了一套考虑地应力偏转和套管偏心的斜井段套管-水泥环-地层组合数值模型，结合室内三轴循环加载卸载实验获取水泥石力学参数，系统分析了累积塑性应变（cumulative plastic strain）和微环隙宽度的变化规律，并基于工程参数提出了优化复合浆柱结构（composite slurry column structure）的固井方法。研究结果表明，地应力偏转和套管偏心会显著增大水泥环的累积塑性应变，提高气窜风险；降低套管居中程度、提高井口压力或增大水泥环弹性模量均会加剧微环隙的发育；而采用低弹性模量水泥浆并优化复合浆柱结构，可有效控制微环隙宽度，保障斜井段水泥环密封完整性。该研究发表于《Petroleum》。
为开展本研究，研究人员采用的关键技术方法包括：①室内实验方法：使用GCTS RTR-1500高温高压动态三轴岩石测试系统，在60°C、15MPa围压下对基于四川某实际固井井水泥配方制备的标准水泥石样品（直径50mm×高度100mm）进行循环加载卸载实验，上限载荷分别为50MPa和70MPa，下限为5MPa，获取累积塑性应变规律；②数值模拟方法：基于有限元软件建立斜井段套管-水泥环-地层三维数值模型，考虑地应力偏转（通过坐标变换公式计算）和套管偏心（通过居中程度定义），采用零厚度Cohesive单元模拟界面，依据Benzeggagh-Kenane断裂准则定义损伤演化，将累积塑性应变转化为微环隙宽度；③敏感性分析方法：分别改变套管居中程度（61%、74%、87%）、井口压力（82MPa、92MPa、102MPa）和水泥环弹性模量（6GPa、8GPa、10GPa），分析其对微环隙宽度的影响；④复合浆柱结构优化方法：根据不同深度和循环次数下微环隙宽度的变化规律，推荐不同弹性模量水泥浆的组合布置。
研究结果分以下部分阐述：
4.1 数值模型的验证与改进：通过对比常规条件、仅考虑地应力偏转、以及同时考虑地应力偏转和套管偏心三种条件下的累积塑性应变分布，发现地应力偏转使最大累积塑性应变降低2.52%，但考虑套管偏心后应变增加17.81%，且分布位置从上下侧变为左右侧。微环隙宽度随循环次数增长，地应力偏转使初始宽度增加3.53%但后期增速减缓，而套管偏心使初始宽度降低6.02%但后期增速加快，最终在19次循环后超过气窜阈值，远早于常规条件（37次）。
4.2 敏感性分析：
4.2.1 套管居中程度的影响：在斜井段相同深度（2900m，30°井斜角），随居中程度从87%降至61%，累积塑性应变增加4.65%，初始微环隙宽度增加6.11%，且30次循环后宽度增加8.43%。沿整个斜井段，随深度增加（井斜角增大），居中程度降低，累积塑性应变和微环隙宽度均增大，且偏心条件下增速更快，最大宽度出现在上部。
4.2.2 内压的影响：在2900m深度（74%居中程度），井口压力从82MPa升至102MPa，30次循环后累积塑性应变增加32.20%，初始微环隙宽度增加39.78%。沿整个斜井段，各深度下微环隙宽度均随井口压力升高而增大，且深度越大增幅越显著。
4.2.3 水泥环力学参数的影响：在2900m深度，弹性模量从6GPa增至10GPa，10次循环后累积塑性应变增加29.73%，30次循环后微环隙宽度增加25.16%。沿整个斜井段，弹性模量越高，微环隙宽度越大，且深度增加时增量更大。
4.3 复合浆柱体系措施：根据循环次数和深度差异，提出不同弹性模量水泥浆的复合布置。当循环次数≤30次时，低弹性模量（6GPa）水泥浆最有利；当循环次数为45次时，需分段采用6GPa（浅部）、10GPa（中部）和8GPa（深部）；当循环次数≥60次时，高弹性模量（10GPa）水泥浆更优，可维持大部分井段完整性。
讨论部分总结了地应力偏转和套管偏心耦合作用对微环隙生成发展的影响，指出地应力偏转主要改变初始宽度和分布位置，而套管偏心则加速微环隙发育，且两者共同作用使气窜风险显著提升。敏感性分析表明，降低居中程度、提高井口压力、增大弹性模量均会恶化密封完整性，因此需在斜井段加强套管居中、控制压裂压力并选用低弹性模量水泥浆。复合浆柱结构应根据循环次数和深度优化，以在控制微环隙宽度的同时兼顾经济性。研究结论翻译如下：
（1）基于斜井段工程实践和地质力学环境，建立了考虑地应力偏转和套管偏心的套管-水泥环-地层数值模型，研究了交替载荷作用下水泥环累积塑性应变的变化规律。结果表明，地应力偏转导致塑性变形增量增大，而套管偏心引发初始塑性变形升高。
（2）探讨了不同井口压力、套管居中程度和水泥环力学参数对水泥环累积塑性应变发展的影响规律。井口压力升高和套管偏心加剧均导致水泥环累积塑性应变增大，从而提高密封完整性失效风险；同时，降低水泥环弹性模量有利于减小累积塑性应变并保护密封完整性。
（3）综合考虑套管内压、地应力、套管偏心及地应力偏转程度，研究了斜井段内水泥环累积塑性应变沿井深的分布规律。在相同交替载荷循环次数下，累积塑性应变随井深增加而增大；越靠近水平段，套管偏心越明显，水泥环局部塑性应变范围扩大，气窜通道生成风险相应升高。
（4）考虑斜井段工程和地质力学条件，建立了优化斜井段复合浆柱结构水泥浆类型的方法。研究表明，根据斜井段工程参数和地质环境条件的差异，并考虑压裂段数不同，采用复合浆柱结构有利于保持斜井段水泥环密封完整性。
