摘要：頁巖氣井工程實踐表明套管壓裂易導致水泥環完整性破壞,進而引發環空帶壓。統計數據表明:中國涪陵頁巖氣田投產井166口,出現環空帶壓井占比達79.52%。進一步分析研究表明:一級套管頭(生產套管和技術套管之間)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空帶壓影響較大。針對該問題,基于頁巖氣井壓裂工程實際,在考慮壓裂液摩擦生熱和排量對換熱系數影響的基礎上,建立了壓裂過程中井筒溫度場模型和套管-水泥環-地層組合體有限元模型,采用解析法和數值法相結合的方式,計算了頁巖氣井壓裂過程中瞬態溫度-壓力耦合作用下水泥環徑向、切向應力變化規律,開展了井筒內壓、壓裂液排量、初始溫度、彈性模量、泊松比對水泥環應力影響的敏感性分析,并基于Mohr-Coulomb準則對水泥環是否失效進行了分析。研究結果表明:(1)頁巖氣井壓裂過程中,水泥環溫度隨時間發生劇烈變化,且內外壁之間存在顯著溫差,該溫差隨壓裂作業的進行先增大、后減小。(2)頁巖氣井壓裂過程中,水泥環徑向、切向應力隨時間不斷變化,徑向應力先減小、后增大,切向應力先降低、后升高,然后再降低。依照Mohr-Coulomb準則分析可知,壓裂過程中水泥環易發生拉伸破壞,壓裂初期為水泥環失效的"風險段"。(3)降低井筒內壓,可以顯著降低水泥環徑向、切向應力;降低壓裂液排量,水泥環徑向、切向應力有所降低,但降低幅度不明顯;提升壓裂液初始溫度,將會提高水泥環徑向應力、降低水泥環切向應力;水泥石彈性模量降低至4 GPa時,水泥環徑向、切向應力低于水泥石抗拉、抗壓強度,在壓裂過程中有利于保持水泥環的完整性;提高水泥石泊松比,對徑向應力影響極小,可忽略不計,但可以有效