Numerical Simulation Study on Low-Melting-Point Alloy Layer to Improve Wellbore Sealing Integrity

Xi Yan; Ning Huiling; Li Jun; Liu Gonghui; Lian Wei; Guo Shaokun

doi:10.12473/CPM.202507082

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Numerical Simulation Study on Low-Melting-Point Alloy Layer to Improve Wellbore Sealing Integrity

OIL AND GAS FIELD DEVELOPMENT ENGINEERING | 更新时间：2026-11-04

- Numerical Simulation Study on Low-Melting-Point Alloy Layer to Improve Wellbore Sealing Integrity
- China Petroleum Machinery Vol. 54, Issue 10, Pages: 90-100(2026)
- 作者机构：
  
  1.北京工业大学建筑工程学院　2.中国石油大学（北京）油气资源与工程全国重点实验室
  2.中国石油大学（北京）克拉玛依校区
  3.China University of Petroleum（Beijing） at Karamay
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.12473/CPM.202507082
  CLC： TE256
- Received：27 July 2025，
  
  Revised：2026-04-05，
  
  Accepted：14 October 2025，
  
  Published：25 October 2026
- 稿件说明：
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席岩，宁惠令，李军，等.利用低熔点合金层提高井筒密封完整性数值模拟研究［J］.石油机械，2026，54（10）：90-100.

Xi Yan，Ning Huiling，Li Jun，et al.Numerical simulation study on low-melting-point alloy layer to improve wellbore sealing integrity［J］.China Petroleum Machinery，2026，54（10）：90-100.
席岩，宁惠令，李军，等.利用低熔点合金层提高井筒密封完整性数值模拟研究［J］.石油机械，2026，54（10）：90-100. DOI： 10.12473/CPM.202507082.

Xi Yan，Ning Huiling，Li Jun，et al.Numerical simulation study on low-melting-point alloy layer to improve wellbore sealing integrity［J］.China Petroleum Machinery，2026，54（10）：90-100. DOI： 10.12473/CPM.202507082.

摘要

页岩气井多级压裂或者储气库循环注采过程中，套管内载荷的交替变化是井筒产生微环隙，进而导致环空带压的主要原因。针对此，提出了在套管外部采用低熔点合金增加柔性层的思路，基于水泥石损伤理论建立了套管-合金层-水泥环-地层数值模型；考虑实际工程中的循环加卸载条件，计算了套管-合金层、合金层-水泥环界面处累积塑性应变，展示了其发展规律，量化了微环隙宽度的变化规律；研究了合金层厚度、井筒开次对微环隙产生与发展的影响规律。研究结果表明：在套管外部增加低熔点合金层后，套管-合金层、合金层-水泥环界面处产生的累积塑性应变显著小于常规井筒套管-水泥环界面处的累积塑性应变，有利于井筒密封完整性的保护；相同开次下，随着合金层厚度的增大，套管-合金层及合金层-水泥环界面的微环隙宽度显著减小；在同等厚度的合金层下，随着井深和井筒开次的增加，套管-合金层及合金层-水泥环界面的微环隙宽度不断增大。将覆有低熔点合金层的套管设置在井筒浅部地层，有利于建立井屏障，进而降低环空带压的风险。研究结果可为低熔点合金新材料在井筒密封完整性的应用及井屏障的建立方面提供理论支撑。

Abstract

The alternating change of load in casing during multi-stage fracturing of shale gas wells or cyclic injection and production in gas storages is the main cause for the generation of micro-annulus in the wellbore， which in turn leads to sustained casing pressure （SCP）. To address this issue， a novel approach was proposed to add a flexible layer of low-melting-point alloy on the external surface of the casing. Based on the cement damage theory， a casing-alloy layer-cement sheath-formation numerical model was established. Considering the cyclic loading and unloading conditions in actual engineering operations， the cumulative plastic strain at the casing-alloy layer or alloy layer-cement sheath interface was calculated， and its evolution was demonstrated； also， the variation of micro-annulus width was quantified. Furthermore， the effects of alloy layer thickness and well spudding cycle on the generation and growth of micro-annulus were identified. The results show that adding a low-melting-point alloy layer on the external surface of the casing allows the cumulative plastic strain at the casing-alloy layer or alloy layer-cement sheath interface to be much smaller than that at the casing-cement sheath interface in conventional wellbores， which is beneficial for protecting wellbore sealing integrity. Under the same spudding cycle， as the alloy layer thickness increases， the micro-annulus width at the casing-alloy layer and alloy layer-cement sheath interfaces decreases significantly. Under the same alloy layer thickness， as well depth and spudding cycles increase， the micro-annulus width at these interfaces continuously increases. Placing the casing with a low-melting-point alloy layer in shallow formations helps establish a well barrier and thereby reduces the risk of SCP. These findings provide theoretical support for the application of low-melting-point alloy as a new material in ensuring wellbore sealing integrity and establishing well barrier.

关键词

Keywords

references

赵效锋，管志川，史玉才，等．固井界面微环隙产生机制及计算方法［J］．中国石油大学学报（自然科学版）， 2017 ， 41 （ 5 ）： 94 - 101 ．

Zhao Xiaofeng ， Guan Zhichuan ， Shi Yucai ， et al . An assessment method for occurrence of micro-annular fractures on cementing interfaces of oil and gas well casing ［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science）， 2017 ， 41 （ 5 ）： 94 - 101 .

王捷力，董雪林，高德利．超深气井环空带压分析与控制研究［J］．钻采工艺， 2024 ， 47 （ 4 ）： 65 - 73 ．

Wang Jieli ， Dong Xuelin ， Gao Deli . Research on analysis and control of annular pressure in ultra-deep gas wells ［J］. Drilling & Production Technology ， 2024 ， 47 （ 4 ）： 65 - 73 .

郭辛阳，吴涌泉，步玉环，等．变内压条件下井筒完整性的弹塑性分析［J］．中国石油大学学报（自然科学版）， 2018 ， 42 （ 3 ）： 64 - 69 ．

Guo Xinyang ， Wu Yongquan ， Bu Yuhuan ， et al . Elastoplastic analysis of wellbore integrity under varying internal casing pressure ［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science）， 2018 ， 42 （ 3 ）： 64 - 69 .

王典，李军，张伟，等．吉木萨尔页岩油井水泥环性能评价［J］．新疆石油天然气， 2023 ， 19 （ 4 ）： 49 - 55 ．

Wang Dian ， Li Jun ， Zhang Wei ， et al . Performance evaluation of the cement sheath in Jimsar shale oil wells ［J］. Xinjiang Oil & Gas ， 2023 ， 19 （ 4 ）： 49 - 55 .

宋学锋，李志彬，刘金铭，等．深层深井井筒完整性检测技术发展现状［J］．新疆石油天然气， 2024 ， 20 （ 4 ）： 8 - 18 ．

Song Xuefeng ， Li Zhibin ， Liu Jinming ， et al . Development status of wellbore integrity inspection technology for deep strata and deep wells ［J］. Xinjiang Oil & Gas ， 2024 ， 20 （ 4 ）： 8 - 18 .

于永金，夏修建，王治国，等．深井、超深井固井关键技术进展及实践［J］．新疆石油天然气， 2023 ， 19 （ 2 ）： 24 - 33 ．

Yu Yongjin ， Xia Xiujian ， Wang Zhiguo ， et al . Progress and application of the key technologies of deep and ultra-deep well cementing ［J］. Xinjiang Oil & Gas ， 2023 ， 19 （ 2 ）： 24 - 33 .

Chen Shuo ， Jin Jianzhou ， Shen Jiyun ， et al . Experimental study on cement sheath integrity based on fiber Bragg grating technology ［J］. Earth and Environmental Science ， 2021 ， 816 （ 1 ）： 107226 .

Deng Kuanhai ， Yuan Yue ， Hao Yi ， et al . Experimental study on the integrity of casing-cement sheath in shale gas wells under pressure and temperature cycle loading ［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering ， 2020 ， 195 ： 107548 .

Lian Wei ， Li Jun ， Tao Qian ， et al . Formation mechanism of continuous gas leakage paths in cement sheath during hydraulic fracturing ［J］. Energy Science & Engineering ， 2020 ， 8 （ 7 ）： 2527 - 2547 .

Xi Yan ， Yao Yu ， Guo Xueli ， et al . Failure evaluation mechanism of cement sheath sealing integrity under casing eccentricity during multistage fracturing ［J］. Petroleum Science ， 2024 ， 21 （ 5 ）： 3428 - 3445 .

Jiang Jiwei ， Li Jun ， Liu Gonghui ， et al . Numerical simulation investigation on fracture debonding failure of cement plug/casing interface in abandoned wells ［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering ， 2020 ， 192 ： 107226 .

Ren Zhenkun ， Xi Yan ， Jiang Hailong ， et al . Experimental and numerical simulation on the generation and development of cumulative plastic strain of cement sheath in salt cavern gas storage well ［J］. Energy Science & Engineering ， 2024 ， 8 （ 7 ）： 2427 - 2547 .

Li Jun ， Xi Yan ， Tao Qian ， et al . Experimental investigation and numerical simulation of the emergence and development of micro-annulus in shale gas wells subjected to multistage fracturing ［J］. Journal of Natural Gas Science and Engineering ， 2020 ， 78 ： 103314 .

闫炎，管志川，徐申奇，等．体积压裂过程中固井界面微环隙扩展的数值模拟［J］．中国石油大学学报（自然科学版）， 2020 ， 44 （ 3 ）： 66 - 73 ．

Yan Yan ， Guan Zhichuan ， Xu Shenqi ， et al . Numerical simulation on micro-annulus propagation of cementing interface during hydraulic fracturing ［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science）， 2020 ， 44 （ 3 ）： 66 - 73 .

管志川，李成，赵效锋，等．一种带保护层的套管及其环空密封性［J］．中国石油大学学报（自然科学版）， 2021 ， 45 （ 3 ）： 75 - 81 ．

Guan Zhichuan ， Li Cheng ， Zhao Xiaofeng ， et al . A new casing with protective layer and its annular sealing performance ［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science）， 2021 ， 45 （ 3 ）： 75 - 81 .

Hmadeh L ， Manataki A ， Jaculli M A ， et al . A sealability study on bismuth-tin alloys for plugging and abandonment of wells ［J］. Journal of Petroleum Technology ， 2024 ， 29 （ 7 ）： 3500 - 3515 .

Manataki A ， Hmadeh L ， Sørensen B E ， et al . The effect of well temperature on the microstructure and the mechanical performance of bismuth-based plugs in well plugging and abandonment operations ［J］. Geoenergy Science and Engineering ， 2024 ， 242 ： 213245 .

Zha Chunqing ， Cui Tengfei ， Wang Wei ， et al . Study on the influence of casing surface morphology on the plugging performance of downhole CO 2 plugging with Sn58Bi ［J］. Applied Sciences ， 2024 ， 14 （ 20 ）： 9249 .

中国石油大学（华东．气井套管环空密封完整性失效预防装置及预防方法： CN201710700567.3 ［P］． 2017-11-07 ．

China University of Petroleum（East China） . Preventive device and method for integrity failure of casing annulus seal in gas wells ： CN201710700567.3 ［P］. 2017-11-07 .

Hmadeh L ， Jaculli M A ， Vedvik N ， et al . The effect of temperature on the sealability of bismuth–tin alloy plugs ［J］. Geoenergy Science and Engineering ， 2024 ， 241 ： 213107 .

Benzeggagh M L ， Kenane M . Measurement of mixed-mode delamination fracture toughness of unidirectional glass/epoxy composites with mixed-mode bending apparatus ［J］. Composites Science and Technology ， 1996 ， 56 （ 4 ）： 439 - 449 .

席岩，李军，陶谦，等．循环载荷作用下微环隙的产生及演变［J］．断块油气田， 2020 ， 27 （ 4 ）： 522 - 527 ．

Xi Yan ， Li Jun ， Tao Qian ， et al . Emergence and evolution of micro-annulus under cyclic loading ［J］. Fault-Block Oil and Gas Field ， 2020 ， 27 （ 4 ）： 522 - 527 .

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