研究背景：

页岩气资源在全球范围内分布广泛，对于解决当前能源短缺与环境挑战具有关键作用。中国页岩气储量开发潜力巨大，目前已实现商业化生产，成为重要的天然气资源。这类资源的成功开发高度依赖于压裂技术的应用。然而，套管失效仍是阻碍深层页岩气规模化高效开采的核心问题，套管剪切变形问题日益受到各大油气田关注，研究断层滑移下的套管失效机理对推动页岩气勘探至关重要。

研究简介：

针对上述挑战，团队创新地基于非局部近场动力学（Peridynamics，PD）理论建立多尺度模型：大尺度水力裂缝扩展模型模拟从断层激活到滑移的全过程，小尺度套管失效模型分析断层滑移引起的套管变形。大尺度模型仿真结果表明，断层界面胶结强度越低、断层长度越大、断层倾角越大，越易引发断层滑移并导致套管剪切变形；小尺度模型仿真结果则表明，断层滑移使得套管应力集中，且断层倾角越大，套管失效的风险也显著升高。基于上述发现，本文提出一种降低套管失效的缓解策略，其核心在于根据储层油气富集区与断层位置的关联性优选封堵区域及确定封堵宽度。该研究为分析断层滑移动态演化及诱发的套管失效提供了多尺度数值分析框架，同时为页岩气井套管变形的有效防治提供了重要理论依据。

本研究通过将大尺度、小尺度PD模型的计算结果分别与有限元模拟结果和实验结果进行对比，验证多尺度模型在解决套管失效问题中的适用性。多尺度PD模型验证结果如图1所示。

图1 多尺度PD模型验证结果

为探究断层滑移机制，对胶结强度、断层倾角和断层长度展开研究，计算结果如图2所示。从图2（a）可见，随着胶结强度增大，水力裂缝更容易穿透断层界面；图2（b）表明胶结强度越低、断层长度越大，越易诱发断层滑移；由图2（c）可知，随着断层倾角增大，激活点数量呈现先增后减的趋势，断层滑移量与断层倾角的耦合效应对套管失效具有显著影响。

（a）不同胶结强度下的断层演化过程

（b）胶结强度和断层长度对断层滑移量的影响

（c）断层倾角对断层滑移量和套管应力的影响

图2 断层滑移计算结果

采用PD进一步评估临时封堵技术在缓解断层滑移方面的有效性。采用封堵技术前后，水力裂缝扩展路径如图3所示，一旦对主裂缝进行临时封堵，主裂缝便无法沿原有路径继续扩展，迫使主裂缝发生分叉。

图3 水平缝内暂堵剂对水力裂缝扩展路径的影响

图4展示了不同封堵方法下水力裂缝扩展的数值模拟结果。图4中A、B、C和D分别为主裂缝扩展至2米处进行封堵处理（A方法）、主裂缝与断层相交区域封堵处理（B方法）、靠近井筒的断层一侧封堵处理（C方法）和除交汇外断层界面区域封堵处理（D方法）的模拟结果。若水力裂缝无需穿越断层且需降低套管失效概率，推荐采用方法C；若需通过穿越断层提升油气产量，则建议选用方法D。

图4不同封堵区域对断层活化的影响

最后以页岩气井Y101-A1为例进行案例分析如图5所示，可以看出采用临时封堵技术后，水力裂缝仅穿过断层而未激活断层活动，不会引发断层滑移，套管整体应力水平显著降低。

图5 缓解策略对断层滑移和套管失效的影响

本研究由河海大学计算力学与工程安全研究团队共同完成，将团队优势特色方向近场动力学与水力压裂套管失效问题相结合，为全面深入研究套管完整性问题提供了新的思路。相关成果于2025年11月发表在期刊《Engineering Fracture Mechanics》上。本团队学术带头人黄丹教授为论文通讯作者，团队博士生孙锐为论文第一作者。论文的其他重要合作作者包括东北石油大学刘照义副教授、本团队博士生姚学昊和蔡壮。本研究得到了国家自然科学基金项目（No. 12572226, 12072104）以及江苏省“青蓝工程”项目的资助。

Engineering Fracture Mechanics是一本由ELSEVIER出版的工程技术领域期刊，专注于涉及传统工程材料系统以及新兴材料系统的断裂行为的贡献，旨在推动与断裂力学密切相关的力学和材料科学领域的发展。该期刊最新影响因子为5.3，JCR工程领域Q1区，2025年最新中科院工程技术大类2区。

撰稿：孙锐

审核：周广得