水力压裂的目的在于增加地层的裂缝,但压裂也可能导致压裂液沿套管井的水泥环及其周围空间流动,俗称窜槽。窜槽会使储层之间相互污染,导致试井时油层出水等现象,并且影响压裂的顺利进行。本文研究水力压裂引起窜槽的条件,并考虑避免窜槽的对策。论文分别按强度理论和断裂力学方法研究了压裂过程中引起套管井失去水力封隔效能的两类通道的形成机制。这两类通道是:套管井水泥胶结良好,但水泥环因强度不足而发生脆性破坏,形成窜槽通道;水泥与套管之间(第一界面)或者水泥与地层之间(第二界面)在压裂之前就存在微小流体间隙,压裂过程中微间隙扩展而形成窜槽通道。针对界面胶结完好的套管井段,利用三维有限元模拟了水泥环脆性破坏导致的窜槽行为。分析了水压作用下套管井射孔附近区域的应力状态,计算了使地层或水泥环破坏的临界注水压力,并研究了不同介质参数、射孔条件和地应力条件下水泥环的抗窜能力。研究表明,用低杨氏模量、高泊松比的水泥进行固井,可以有效防止水泥环窜槽。在低杨氏模量、高泊松比的地层进行压裂会导致水泥环窜槽的发生。射孔条件以及地应力的偏应力对水泥环窜槽机制影响不大。而地应力的静水压会影响水泥环的水力封隔能力。本文将界面流体间隙视为含水界面裂纹,研究了套管井界面裂纹在水压作用下的扩展。压裂过程中界面裂纹的扩展会导致窜槽发生。本文分别针对第一界面和第二界面存在裂纹的套管井,利用内聚力单元模拟界面的力学行为,分析了水泥属性、地层属性和地应力对界面窜槽的影响。结果表明,高杨氏模量、高泊松比的水泥会提高固井界面的抗窜能力。而在地层杨氏模量低、泊松比低的井段进行压裂,界面不易窜槽。水平地应力的提高可提高界面的抗窜能力,但垂直地应力的变化对界面抗窜能力影响很小。本文考虑综合两种窜槽机制,给出避免压裂过程中发生窜槽的方案。结果表明,固井时应采用高泊松比的水泥,而水泥杨氏模量应在一个合理的范围内;选择进行压裂的地层,其泊松比应尽量低,而杨氏模量不能过高或过低;应尽量选择水平地应力低而垂直地应力高的位置进行压裂。