1.算例分析背景

井下壓裂工藝是低滲透油藏增產改造的主要手段，1500～2000m深度的地層破裂壓力在40～50MPa，這個壓力一般是在油井鉆井及后期開發過程中的最高工況壓力，在進行鉆井設計時需要考慮套管強度設計，另外需要考慮極限工況壓力對套管外水泥環的影響，因此，基于Abaqus軟件，利用有限元方法對套管強度進行校核計算，并觀察水泥環的受力情況。

2.計算模型建立

建立套管-水泥環-地層模型，如圖：內側為套管模型，中間為水泥環，外部為地層。

3.材料屬性設置

針對三種部件分別設置四種材料屬性，因水泥石為水泥漿添加各種助劑形成的固結物，與混凝土的力學性能有比較大的差別，為簡化計算過程，水泥石選用摩爾-庫侖模型，如圖：彈性參數：楊氏模量取5.26Gpa，泊松比取0.34，套管選用合金鋼材質，地層也選用摩爾-庫侖模型。

4.網格劃分

全部部件均采用結構化六面體網格，提高計算精度，并節約網格數量，以減小計算量。最內側套管劃分網格較細，保證壁厚方向至少3層網格，水泥環、地層網格依次增大。

所有網格單元均采用三維應力線性單元C3D8R。

5.接觸設置

針對套管-水泥環，水泥環-地層分別建立2組接觸對，采用同一接觸屬性，以簡化計算。接觸屬性分別設置切向、法向屬性，切向設置摩擦系數為0.45，法向為線性壓力過盈。

6.分析步設置

首先在初始分析步設置進行初始地應力設置，因計算過程設置表面壓強載荷過大，因此設置2個分析步分別加載，提高計算收斂性。

7.邊界條件

首先在初始分析步設置地層應力，本例為簡化計算，假設地層各處的地應力分布相同。

第一分析步以幅值曲線加載28MPa表面壓強載荷，第二分析步以幅值曲線加載50MPa表面壓強載荷，以模擬井下壓裂施工時套管受力情況。

設置邊界約束條件，針對模型的兩個側面分別施加對稱約束，地層底界初始分析步設置完全固定，第一、二分析步取消激活，地層外側設置完全固定，對套管及水泥環設置Z軸方向的位移約束為0。

8.設置4個CPU核心計算。得到應力云圖如下：套管最大應力值為469MPa，低于N80套管552MPa的屈服強度，產生的形變對水泥環的影響較小，普通壓裂井設計N80鋼級套管滿足開發需求。