1.算例分析背景

井下壓裂工藝是低滲透油藏增產(chǎn)改造的主要手段，1500～2000m深度的地層破裂壓力在40～50MPa，這個(gè)壓力一般是在油井鉆井及后期開(kāi)發(fā)過(guò)程中的最高工況壓力，在進(jìn)行鉆井設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)，另外需要考慮極限工況壓力對(duì)套管外水泥環(huán)的影響，因此，基于Abaqus軟件，利用有限元方法對(duì)套管強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，并觀察水泥環(huán)的受力情況。

2.計(jì)算模型建立

建立套管-水泥環(huán)-地層模型，如圖：內(nèi)側(cè)為套管模型，中間為水泥環(huán)，外部為地層。

3.材料屬性設(shè)置

針對(duì)三種部件分別設(shè)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(jié)物，與混凝土的力學(xué)性能有比較大的差別，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，水泥石選用摩爾-庫(kù)侖模型，如圖：彈性參數(shù)：楊氏模量取5.26Gpa，泊松比取0.34，套管選用合金鋼材質(zhì)，地層也選用摩爾-庫(kù)侖模型。

4.網(wǎng)格劃分

全部部件均采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，提高計(jì)算精度，并節(jié)約網(wǎng)格數(shù)量，以減小計(jì)算量。最內(nèi)側(cè)套管劃分網(wǎng)格較細(xì)，保證壁厚方向至少3層網(wǎng)格，水泥環(huán)、地層網(wǎng)格依次增大。

所有網(wǎng)格單元均采用三維應(yīng)力線性單元C3D8R。

5.接觸設(shè)置

針對(duì)套管-水泥環(huán)，水泥環(huán)-地層分別建立2組接觸對(duì)，采用同一接觸屬性，以簡(jiǎn)化計(jì)算。接觸屬性分別設(shè)置切向、法向?qū)傩?，切向設(shè)置摩擦系數(shù)為0.45，法向?yàn)榫€性壓力過(guò)盈。

6.分析步設(shè)置

首先在初始分析步設(shè)置進(jìn)行初始地應(yīng)力設(shè)置，因計(jì)算過(guò)程設(shè)置表面壓強(qiáng)載荷過(guò)大，因此設(shè)置2個(gè)分析步分別加載，提高計(jì)算收斂性。

7.邊界條件

首先在初始分析步設(shè)置地層應(yīng)力，本例為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)地層各處的地應(yīng)力分布相同。

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

設(shè)置邊界約束條件，針對(duì)模型的兩個(gè)側(cè)面分別施加對(duì)稱(chēng)約束，地層底界初始分析步設(shè)置完全固定，第一、二分析步取消激活，地層外側(cè)設(shè)置完全固定，對(duì)套管及水泥環(huán)設(shè)置Z軸方向的位移約束為0。

8.設(shè)置4個(gè)CPU核心計(jì)算。得到應(yīng)力云圖如下：套管最大應(yīng)力值為469MPa，低于N80套管552MPa的屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生的形變對(duì)水泥環(huán)的影響較小，普通壓裂井設(shè)計(jì)N80鋼級(jí)套管滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)需求。