摘要：頁巖氣井工程實(shí)踐表明套管壓裂易導(dǎo)致水泥環(huán)完整性破壞,進(jìn)而引發(fā)環(huán)空帶壓。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:中國涪陵頁巖氣田投產(chǎn)井166口,出現(xiàn)環(huán)空帶壓井占比達(dá)79.52%。進(jìn)一步分析研究表明:一級套管頭(生產(chǎn)套管和技術(shù)套管之間)壓裂前后帶壓比例從14.85%提升至50.05%;二級套管頭(技術(shù)套管和表層套管之間)壓裂前后帶壓井比例從15.84%提升至53.01%,充分說明頁巖氣井壓裂對環(huán)空帶壓影響較大。針對該問題,基于頁巖氣井壓裂工程實(shí)際,在考慮壓裂液摩擦生熱和排量對換熱系數(shù)影響的基礎(chǔ)上,建立了壓裂過程中井筒溫度場模型和套管-水泥環(huán)-地層組合體有限元模型,采用解析法和數(shù)值法相結(jié)合的方式,計算了頁巖氣井壓裂過程中瞬態(tài)溫度-壓力耦合作用下水泥環(huán)徑向、切向應(yīng)力變化規(guī)律,開展了井筒內(nèi)壓、壓裂液排量、初始溫度、彈性模量、泊松比對水泥環(huán)應(yīng)力影響的敏感性分析,并基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則對水泥環(huán)是否失效進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明:(1)頁巖氣井壓裂過程中,水泥環(huán)溫度隨時間發(fā)生劇烈變化,且內(nèi)外壁之間存在顯著溫差,該溫差隨壓裂作業(yè)的進(jìn)行先增大、后減小。(2)頁巖氣井壓裂過程中,水泥環(huán)徑向、切向應(yīng)力隨時間不斷變化,徑向應(yīng)力先減小、后增大,切向應(yīng)力先降低、后升高,然后再降低。依照Mohr-Coulomb準(zhǔn)則分析可知,壓裂過程中水泥環(huán)易發(fā)生拉伸破壞,壓裂初期為水泥環(huán)失效的"風(fēng)險段"。(3)降低井筒內(nèi)壓,可以顯著降低水泥環(huán)徑向、切向應(yīng)力;降低壓裂液排量,水泥環(huán)徑向、切向應(yīng)力有所降低,但降低幅度不明顯;提升壓裂液初始溫度,將會提高水泥環(huán)徑向應(yīng)力、降低水泥環(huán)切向應(yīng)力;水泥石彈性模量降低至4 GPa時,水泥環(huán)徑向、切向應(yīng)力低于水泥石抗拉、抗壓強(qiáng)度,在壓裂過程中有利于保持水泥環(huán)的完整性;提高水泥石泊松比,對徑向應(yīng)力影響極小,可忽略不計,但可以有效