童亨茂 張 平 張宏祥 劉子平 任曉海 肖坤澤 周一博 鄧 才

1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院3.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司

0 引言

在頁(yè)巖氣開發(fā)大型注水壓裂過程中，很多水平井的套管發(fā)生了變形，套管變形（以下簡(jiǎn)稱套變）問題嚴(yán)重。

據(jù)中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司（以下簡(jiǎn)稱川慶公司）的資料，截至2018年底，長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)、昭通等區(qū)塊共壓裂377口井，其中套變/遇阻井133口井，占比35.3%。套變的發(fā)生嚴(yán)重影響了產(chǎn)能和壓裂時(shí)效，成為制約頁(yè)巖氣開發(fā)的“卡脖子”因素。

針對(duì)套變問題，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司組織國(guó)內(nèi)外的相關(guān)單位進(jìn)行了數(shù)年的研究，采取了多項(xiàng)措施，包括增加套管的壁厚、鋼材的強(qiáng)度、改善固井質(zhì)量、完善套管程序等，但一直沒有取得預(yù)期的效果，如采用壁厚15.2 mm外加厚、鋼級(jí)達(dá)125的套管，試驗(yàn)16口井，有9口井仍然發(fā)生套變。由于套變機(jī)理一直沒有得到清晰地認(rèn)識(shí)，至2018年底，套變問題依舊非常嚴(yán)重：川慶公司威遠(yuǎn)區(qū)塊套變井占比40.9%，中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司（以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)城公司）威遠(yuǎn)區(qū)塊套變井占比52.5%，長(zhǎng)寧區(qū)塊套變井占比31.9%，昭通區(qū)塊套變井占比18%。解剖套變機(jī)理迫在眉睫。

筆者通過對(duì)套變特征的系統(tǒng)解剖，應(yīng)用廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則[1-3]和廣義斷層模式[1,2,4]等地質(zhì)力學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的新理論，確定套變符合剪切變形特征，用剪切變形的機(jī)理可以科學(xué)合理地解釋所有的套變現(xiàn)象。

剪切作用產(chǎn)生套變已有很多作者論述[5-20]，但主要針對(duì)直井，并多限于定性描述，少量涉及定量描述的研究成果[9,15,17,19-20]，其理論基礎(chǔ)都是基于均勻介質(zhì)的庫(kù)倫準(zhǔn)則或二維應(yīng)力分析的滑動(dòng)摩擦律[21]，由于上述基礎(chǔ)理論在實(shí)際應(yīng)用中具有明顯的局限性[1,2]，剪切作用引起的套變分析（尤其是水平井）總體還處在定性—半定量分析階段。而廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則突破了均勻介質(zhì)和二維應(yīng)力狀態(tài)的局限，以該理論為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)剪切作用引起套變的定量分析。

筆者在對(duì)套變特征的系統(tǒng)解剖、確定套變機(jī)理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則[3]，分析斷層和裂縫（以下簡(jiǎn)稱斷—裂）面發(fā)生剪切變形的定量控制因素，并提出套變防治研究的宏觀思路，以期為頁(yè)巖氣開發(fā)相關(guān)工程人員提供參考。

我國(guó)頁(yè)巖氣資源量巨大[16]，地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈[22]，一方面，頁(yè)巖氣在國(guó)家能源安全戰(zhàn)略中重要性不斷提升；另一方面，我國(guó)的頁(yè)巖氣開發(fā)潛在的套變風(fēng)險(xiǎn)高居世界前列。因此頁(yè)巖氣水平井開發(fā)的套變防治既有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，也有重要的戰(zhàn)略意義。對(duì)于套變機(jī)理的科學(xué)解剖，為套變防治工作指明了方向，具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 套變的地質(zhì)力學(xué)機(jī)理

1.1 來(lái)自套變與工程質(zhì)量關(guān)系的信息

川慶公司在2016年前威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣水平井使用的套管壁厚12.7 mm、鋼級(jí)Q125，壓裂后套變嚴(yán)重。2016—2017年，在28口水平井的水平段采用了壁厚15.2 mm、鋼級(jí)Q125的高韌性厚壁套管以降低套變率，但統(tǒng)計(jì)已完成壓裂的16口水平井中，仍有9口井發(fā)生了套變，套變率達(dá)56.3%（表1），不減反增。常規(guī)工程理論及模擬實(shí)驗(yàn)證明，該套管抗擠安全系數(shù)在威遠(yuǎn)地區(qū)介于2.4～3.6（之前使用的常規(guī)套管抗擠安全系數(shù)介于2.1～3.1），這種套管在無(wú)地層滑移情況下是完全能夠滿足壓裂工況的。這樣就無(wú)法解釋增加套管壁厚套變反而突出的問題，因而難以制訂合理的工程對(duì)策措施。

表1 川慶公司厚壁套管（壁厚15.2 mm）試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

川慶公司對(duì)威遠(yuǎn)16口井74個(gè)已證實(shí)的套變點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)表明，發(fā)生套變的井段固井質(zhì)量較好，而且總體存在以下趨勢(shì)：固井質(zhì)量越好，套變?cè)綇?qiáng)，其中68處套變段固井質(zhì)量為優(yōu)，占比91.9%，6處套變段固井質(zhì)量為中，占比8.1%。

上述兩方面信息為揭示套變的地質(zhì)力學(xué)機(jī)理提供了重要啟示。

1.2 套變的地質(zhì)力學(xué)機(jī)理

1.2.1 廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則

筆者應(yīng)用地質(zhì)力學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)理論——廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則[3]，對(duì)發(fā)現(xiàn)的套變現(xiàn)象進(jìn)行力學(xué)機(jī)理解剖，發(fā)現(xiàn)各方面的套變特征均符合剪切變形的力學(xué)機(jī)理，表明套變是在注水壓裂過程中流體（水）壓力傳遞到地層薄弱面（斷—裂面）誘發(fā)地層產(chǎn)生剪切滑移，引起地層對(duì)套管的不對(duì)稱擠壓造成的（圖1）。

圖1 走滑—逆斷層活動(dòng)造成套管剪切變形示意圖

經(jīng)典的巖石剪切破裂準(zhǔn)則是Coulomb-Mohr準(zhǔn)則和以Byerlee律為代表的滑動(dòng)摩擦律。而Coulomb-Mohr準(zhǔn)則基于均勻介質(zhì)，Byerlee律適用于二維應(yīng)力狀態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用中存在很大的局限性。

童亨茂等[1-3]針對(duì)經(jīng)典剪切破裂存在的局限，在Coulomb-Mohr準(zhǔn)則和Byerlee律的基礎(chǔ)上，從產(chǎn)生剪切破裂的物理本質(zhì)出發(fā)，應(yīng)用“先存構(gòu)造活動(dòng)性準(zhǔn)則”和“活動(dòng)趨勢(shì)分析”理論[23]，提出“廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則”[3]。該準(zhǔn)則可以用來(lái)定量判斷在任意介質(zhì)中、在任意三軸應(yīng)力狀態(tài)下、任意方位界面（如斷層面、裂縫面、地層界面等薄弱面）發(fā)生剪切滑移的可能性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式[3]為：

式中fa表示界面的剪切滑移趨勢(shì)因子（fa＜1.0時(shí)，界面穩(wěn)定；fa=1.0時(shí)，界面處于臨界活動(dòng)狀態(tài)；fa＞1.0時(shí)，界面已經(jīng)發(fā)生剪切滑移。其值越大，界面的活動(dòng)能力就越強(qiáng)）；σ1、σ2、σ3分別表示3個(gè)主應(yīng)力的大??；θ表示界面（圖2中的面ABC）與σ1軸的夾角；α表示σ3軸和BC的交角（圖2）；Cw表示界面的內(nèi)聚力；μ表示界面的摩擦系數(shù)；p表示作用在界面上的流體壓力。

廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則，把經(jīng)典的剪切破裂準(zhǔn)則Coulomb-Mohr準(zhǔn)則和Byerlee律統(tǒng)一起來(lái)[3]見式（1）：Coulomb-Mohr準(zhǔn)則是式（1）在均勻介質(zhì)（Cw=C，C為介質(zhì)內(nèi)聚力）和界面臨界活動(dòng)狀態(tài)（fa=1.0）下的特例；Byerlee律是式（1）在二維應(yīng)力狀態(tài)（σ2=σ3）界面臨界活動(dòng)狀態(tài)（fa=1.0）下的特例。因此，式（1）可以對(duì)任意界面的剪切滑移進(jìn)行定量描述和分析。

按照廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則，地層沿某一界面是否發(fā)生剪切滑移及剪切活動(dòng)性的決定于：①3個(gè)主應(yīng)力σ1、σ2、σ3的大??；②界面相對(duì)于主應(yīng)力軸的產(chǎn)狀（θ，α）及其力學(xué)性質(zhì)（Cw，μ）；③界面上流體壓力（p）的大小等3個(gè)方面參數(shù)，可以定量評(píng)價(jià)，如圖3所示。其中①和②中的參數(shù)主體是由地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境決定的，注水壓裂可以改變的是界面上的流體壓力（p）。

圖3中紅線和藍(lán)線分別為θ和的等值線，θ為面的傾向與最大主壓應(yīng)力σ1方向的夾角，為面的傾角。薄弱面P（圖中綠色圓點(diǎn)）對(duì)應(yīng)的（θ，）值為（60°，30°），斷—裂剪切活動(dòng)線為其薄弱面P發(fā)生剪切活動(dòng)的臨界線。圖中摩爾空間為走滑應(yīng)力體制下繪制的，流體壓力的作用使得摩爾空間向左移動(dòng)，薄弱面P達(dá)到剪切活動(dòng)條件。

在注水壓裂過程中，當(dāng)高壓流體壓力傳遞到界面上時(shí)，p值就會(huì)增加，界面的活動(dòng)性就會(huì)增加。當(dāng)流體壓力傳遞到薄弱面而使其達(dá)到剪切滑移條件時(shí)（摩爾空間向左移動(dòng)，使薄弱面達(dá)到剪切滑移條件（圖3中的薄弱面P向左移動(dòng)，與斷—裂剪切活動(dòng)線接觸），薄弱面就會(huì)產(chǎn)生剪切滑移，并導(dǎo)致破裂擴(kuò)展。隨著破裂擴(kuò)展，就會(huì)產(chǎn)生能量消耗而產(chǎn)生應(yīng)力降（包括薄弱面上流體壓力的下降），剪切滑移就會(huì)停止，除非再次達(dá)到界面剪切滑移的條件。

圖3 流體壓力增加導(dǎo)致薄弱面產(chǎn)生剪切滑移的機(jī)理示意圖

以上分析可知，注水壓裂會(huì)誘發(fā)斷—裂界面的剪切滑移，引起套變，下面對(duì)發(fā)生的套變現(xiàn)象進(jìn)行深入分析。

1.2.2 套變地質(zhì)力學(xué)解釋

1.2.2.1 壓裂期間套變與流體壓力傳遞的關(guān)系

W4H51平臺(tái)下半支的4口井巷道間距為300 m，在壓裂期間壓力監(jiān)測(cè)顯示存在明顯井間干擾現(xiàn)象（表2），如W4H51-6井的第2段壓裂時(shí)，鄰井W4H51-5井壓力初值由35.12 MPa升高到38.28 MPa，壓力漲幅3.16 MPa。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，隨著壓裂的持續(xù)進(jìn)行，套變程度及套變位置在不斷地延伸，即同一口井隨著壓裂時(shí)間的持續(xù)，發(fā)生套變的位置（套變點(diǎn)數(shù)量）不斷增多，套變程度不斷增強(qiáng)。如W2H16-6井在2018年11月1日經(jīng)測(cè)井測(cè)得4處套變，而在2019年2月17日的測(cè)井中測(cè)得12處套變；再如W4H39-6井的一處套變?cè)?018年8月9日測(cè)井時(shí)套變程度為4.95%，套變長(zhǎng)度為0.8 m，套變等級(jí)為一級(jí)，而在2018年8月18日第二次測(cè)井時(shí)套變程度增加到10.25%，套變長(zhǎng)度為16.4 m，套變等級(jí)為三級(jí)。

通過對(duì)套變井的系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)表明，套變點(diǎn)的數(shù)量向水平井A點(diǎn)（水平段著陸點(diǎn)）方向存在增加的趨勢(shì)，A點(diǎn)附近（小于500 m）占41.9%；中間段（500～1 000 m）位置占43.2%；B點(diǎn)附近（大于1 000 m）占14.9%。表明絕大部分的套變（85.1%）發(fā)生壓裂段中后部（表3）。

表2 W4H51平臺(tái)鄰井井口壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表3 井筒套變點(diǎn)距A點(diǎn)的距離分布表

W4H39-7和W4H39-8井壓裂后，鄰井W4H39-6還未壓裂便已出現(xiàn)套變；W2H15和W2H16平臺(tái)壓裂時(shí)，后壓的部分井在壓裂前也出現(xiàn)套變。

根據(jù)廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則，加砂壓裂作業(yè)液體進(jìn)入斷—裂面，或者流體壓力傳遞到斷—裂面后會(huì)改變斷面處的有效正應(yīng)力（有效正應(yīng)力下降），使斷—裂面達(dá)到臨界剪切活動(dòng)狀態(tài)（fa=1.0）后，地層發(fā)生剪切變形而引起套變。地震資料解釋和露頭觀測(cè)表明，頁(yè)巖氣開發(fā)的目的層龍馬溪組發(fā)育近正交的裂縫網(wǎng)絡(luò)，在注水壓裂過程中，流體壓力可以通過裂縫網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳遞。剪切活動(dòng)發(fā)生后，能量會(huì)損耗，出現(xiàn)應(yīng)力降[24]，使斷—裂面回到臨界剪切活動(dòng)狀態(tài)之下（fa＜1.0），斷—裂就停止活動(dòng)。除非再有新的流體壓力補(bǔ)充，再次使其達(dá)到重新活動(dòng)的條件，如W2H16-6井多次套變。表2數(shù)據(jù)反映了隨著壓裂從B點(diǎn)附近逐漸向A點(diǎn)附近推進(jìn)時(shí)，流體壓力可以不斷得到累積，套變從B點(diǎn)向A點(diǎn)推進(jìn)遷移。套變點(diǎn)遠(yuǎn)離壓裂段或鄰井發(fā)生套變是流體壓力沿裂縫網(wǎng)絡(luò)傳遞的結(jié)果（圖4）。

圖4 水平井壓裂過程中流體壓力沿裂縫網(wǎng)絡(luò)在不同井段間（a）和井間（b）傳遞示意圖

1.2.2.2 微地震及套變形態(tài)指示地層剪切滑移

W2H11-4井微地震的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，壓裂時(shí)，除在井筒旁監(jiān)測(cè)到微地震事件外，還在較遠(yuǎn)的區(qū)域監(jiān)測(cè)到微地震事件（圖5）。W2H10-4井采用深井監(jiān)測(cè)得到的微地震事件震級(jí)：監(jiān)測(cè)到的微地震事件總計(jì)1 107個(gè)，震級(jí)范圍-2.3～2.76，該井各壓裂段都有大震級(jí)事件（超過1.5）出現(xiàn)，大震級(jí)事件數(shù)66個(gè)，占總數(shù)的6%。其中第8段和第12段大震級(jí)事件數(shù)分別為4個(gè)和5個(gè)，分別占本段微地震事件總數(shù)的7.5%和10.9%，這兩段后續(xù)出現(xiàn)遇阻（套變）情況。

壓裂過程中壓裂液不斷在地層中造縫，形成擴(kuò)張破裂，破壞了地層的完整性，并成為流體流動(dòng)通道。這種擴(kuò)張破裂引起的微地震事件點(diǎn)在井旁兩側(cè)近于對(duì)稱分布（如W2H11-4井），其震級(jí)一般小于0級(jí)。已有研究表明，地層的剪切活動(dòng)（斷層活動(dòng)）產(chǎn)生的微地震震級(jí)才可能較大（超過1.5級(jí)）[25-27]，如W2H10-4井的微地震響應(yīng)。

此外，筆者對(duì)川慶公司威遠(yuǎn)區(qū)塊23口井119個(gè)套變點(diǎn)套變形態(tài)特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)果表明，幾乎所有點(diǎn)（其中1個(gè)是工程因素導(dǎo)致的套管擴(kuò)張變形）的套變形態(tài)，均為剪切變形后的形態(tài)，平均變形量15.8 mm，平均變形程度13.8%，變形長(zhǎng)度大多小于10 m。

圖5 W2H11-4井微地震監(jiān)測(cè)圖

W4H12-2井共有8段發(fā)生套變，在24臂井徑測(cè)井曲線圖上的套變位置井徑曲線具有明顯的錯(cuò)動(dòng)變形，套變后井筒主要以偏向橢圓形態(tài)存在（圖6-a），顯示不對(duì)稱單側(cè)擠壓的形態(tài)，三維圖上有明顯的錯(cuò)動(dòng)（圖6-b）。

圖6 W4H12-2井套變處的24臂井徑測(cè)井解釋剪切形態(tài)特征圖

1.2.2.3 套變與薄弱面的關(guān)系

根據(jù)川慶公司的資料統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)至少有86%的套變點(diǎn)與薄弱面（斷—裂面及巖性界面）的存在相關(guān)；其余14%沒有明確的資料支撐，推測(cè)也與斷—裂相關(guān)。各個(gè)平臺(tái)各井套變多發(fā)生于距平臺(tái)井較近斷層半支，如W4H6-1井套變點(diǎn)就位于斷層位置。

根據(jù)廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則，薄弱面（主要是斷—裂面）內(nèi)聚力?。〝唷训膬?nèi)聚力一般小于1.0 MPa），剪切活動(dòng)趨勢(shì)因子（fa）一般要大于庫(kù)倫破裂面的fa，因此剪切活動(dòng)更容易沿已有的斷—裂發(fā)生，如W4H6-1井。

層理面雖然也是薄弱面，但在頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)，地層面的傾角一般小于10°（圖1），其fa值一般很小，遠(yuǎn)小于庫(kù)倫破裂面（fa值一般小于0.2），因此，在近水平地層（傾角小于10°）中進(jìn)行注水壓裂，不會(huì)引起剪切活動(dòng)而造成套變。確實(shí)存在巖層分界面附近產(chǎn)生套變的情況，如N8H9-6井、N8H23-1井，但進(jìn)一步的分析表明，發(fā)生套變的井段均有裂縫存在，說明套變是沿裂縫發(fā)生剪切滑移造成的。

1.2.2.4 套變與工程質(zhì)量的關(guān)系

地層剪切變形引起的套變是受位移控制的，因此，無(wú)論套管的強(qiáng)度與厚度多大，都無(wú)法抵抗地層的剪切滑移。考慮到地層沿?cái)唷训募羟袘?yīng)變通過套管外側(cè)水泥環(huán)傳遞到套管上造成剪切變形（圖1），這樣，固井質(zhì)量越高（套管和地層的耦合程度越高），剪切變形從地層向套管的傳遞程度就越高，套變發(fā)生的可能性自然就越大。

2 套變的防治對(duì)策

2.1 套管剪切變形的控制因素

從前面的分析充分表明，套變是地層沿?cái)唷衙嬖谧⑺畨毫堰^程中誘發(fā)剪切活動(dòng)造成的，因此，地層剪切滑移引起的套變決定于：①斷—裂是否出現(xiàn)剪切滑移及斷—裂剪切滑移量；②套管與地層的耦合程度（固井方式）及套管的韌性度。因此，套變地質(zhì)力學(xué)研究應(yīng)包括4個(gè)方面，即識(shí)別可能出現(xiàn)活動(dòng)的斷—裂（套變風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)）、斷—裂的潛在活動(dòng)能力、斷—裂的剪切滑移量、套管變形與地層剪切變形的耦合關(guān)系（固井水泥環(huán)對(duì)地層變形的傳遞程度）。

如前所述，頁(yè)巖的層理面雖然也是薄弱面，但由于其傾角很小（四川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)，層理的傾角一般小于7°），無(wú)論流體壓力如何增加，根據(jù)廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則，都使其無(wú)法得到剪切滑移的條件，因此，四川頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)壓裂時(shí)層理面的剪切滑移可以排除。因此，只需考慮斷層和天然裂縫（即斷—裂）的剪切滑移。

根據(jù)廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則，斷—裂發(fā)生剪切滑移是由地質(zhì)因素（原地應(yīng)力的大小和方向、薄弱面的產(chǎn)狀和力學(xué)性質(zhì)，這里稱之為內(nèi)因）、工程因素（注水壓裂過程中傳遞到薄弱面的流體壓力，這里稱之為外因）聯(lián)合決定的，可以進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。而斷—裂的剪切滑移量與其幾何尺寸[24]以及附加流體壓力的持續(xù)程度有關(guān)[13,17]。概括起來(lái)，控制斷—裂的剪切活動(dòng)性及滑移量的因素包括：①現(xiàn)今原地應(yīng)力場(chǎng)；②斷—裂的產(chǎn)狀和規(guī)模；③注水壓裂過程中傳遞到斷—裂面上的流體壓力及其持續(xù)程度等。

地層沿?cái)唷寻l(fā)生剪切變形后，斷—裂面兩側(cè)地層對(duì)套管的不對(duì)稱擠壓是通過固井的水泥環(huán)作用到套管上，使套管產(chǎn)生的變形，套管的變形量和水泥環(huán)吸收的變形量之和等于地層的剪切應(yīng)變量。因此，套管的變形量等于地層的剪切應(yīng)變量減去水泥環(huán)吸收的變形量。在地層剪切應(yīng)變量不變的情況下，水泥環(huán)吸收的應(yīng)變量越大，套變量就越小。

上述套變的控制因素分析，為套變防治提供了理論基礎(chǔ)。

2.2 套管剪切變形防治對(duì)策

上述控制因素分析表明，頁(yè)巖氣開發(fā)套管發(fā)生剪切變形的控制因素包括：①現(xiàn)今原地應(yīng)力場(chǎng)（3個(gè)主應(yīng)力σ1、σ2、σ3的大小和方向）；②薄弱面（主要是斷—裂面）的產(chǎn)狀（θ，α）和力學(xué)性質(zhì)（Cw，μ）及幾何尺寸；③薄弱面上流體壓力的大小及其持續(xù)程度；④水泥環(huán)對(duì)剪切變形的吸收能力等4個(gè)方面，其中①和②是地質(zhì)因素，是引起套變的內(nèi)因，③是工程因素，是引起套變的外因。由于剪切變形引起的套變受控于地層的剪切位移，不受套管工程力學(xué)參數(shù)的控制，因此，套管剪切變形的防治需要圍繞上述地質(zhì)力學(xué)因素、壓裂施工參數(shù)和固井材料等方面展開。

2.2.1 提升現(xiàn)今原地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量分析的精度

現(xiàn)今原地應(yīng)力場(chǎng)測(cè)量分析包括測(cè)定目的層在不同區(qū)域的3個(gè)主應(yīng)力的大小和方向?？紤]到盆地區(qū)內(nèi)的地應(yīng)力一般屬于Anderson應(yīng)力狀態(tài)（3個(gè)主應(yīng)力中有一個(gè)是直立的，另外兩個(gè)水平），豎直方向的主應(yīng)力比較容易確定（σv=ρgh），因此，確定兩個(gè)水平主應(yīng)力（σH，σh）的大小和方向是重點(diǎn)工作。

水平主應(yīng)力方向的測(cè)定方法主要有：①直井的井壁崩落測(cè)井法；②誘導(dǎo)裂縫成像測(cè)井法；③快慢波測(cè)井法等[28]，其中方法②精度相對(duì)較高。

水平主應(yīng)力大小的測(cè)定方法主要有：①應(yīng)力解除法；②微壓裂法；③測(cè)井解釋法。其中方法①主要針對(duì)淺層，而且測(cè)量難度很大，一般很少采用，目前主要應(yīng)用方法②和③測(cè)定水平主應(yīng)力大小。由于測(cè)井解釋法數(shù)據(jù)豐富，使用比較方便，因此比較常用，但往往存在較大的誤差；方法②精度較高，但需要用直井作專門的測(cè)定?？紤]到方法②精度比較高，在一個(gè)地區(qū)測(cè)量若干井是十分必要的。

筆者發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今地應(yīng)力測(cè)量經(jīng)常出現(xiàn)誤區(qū)，把古應(yīng)力和現(xiàn)今應(yīng)力混淆在一起，如應(yīng)用巖石的凱瑟效應(yīng)法和差應(yīng)變法用來(lái)測(cè)定現(xiàn)今應(yīng)力的大小[16]，這是需要特別注意的。

2.2.2 提高小斷層—大裂縫的識(shí)別解釋精度

在頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)，由于層理面一般沒有剪切滑移風(fēng)險(xiǎn)，薄弱面主要考慮斷—裂。

由于斷—裂的剪切滑移量與其幾何尺寸（如斷—裂的延伸長(zhǎng)度）成正比，中、小裂縫（延伸長(zhǎng)度在數(shù)十米以內(nèi)）雖然也可能存在較強(qiáng)的剪切活動(dòng)性，但其剪切滑移量十分有限，不存在套變的風(fēng)險(xiǎn)。因此，斷層和大裂縫（延伸長(zhǎng)度超過百米）是重點(diǎn)考慮的對(duì)象。

小斷層（斷距在10 m以內(nèi)）和大裂縫在地震資料上的識(shí)別和解釋是目前還沒有很好解決的世界性難題。目前采用的分析預(yù)測(cè)手段包括螞蟻體、相干體、曲率、對(duì)稱性等地震屬性分析，雖然取得一定的效果，但離準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的目標(biāo)還有很大的距離。成像測(cè)井雖然能很準(zhǔn)確地檢測(cè)井筒上出現(xiàn)的裂縫，但無(wú)法確定裂縫的規(guī)模。這是需要進(jìn)一步攻關(guān)的課題。

斷—裂的力學(xué)性質(zhì)分析包括測(cè)定其內(nèi)聚力（Cw）和摩擦系數(shù)（μ），可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得。

2.2.3 探索壓裂過程中斷—裂面上流體壓力的分布特征和演化規(guī)律

斷—裂面上流體壓力的增加是壓裂過程中流體壓力傳遞到斷—裂面上造成的。根據(jù)本文的研究分析，壓裂過程中，流體壓力傳遞到斷—裂面存在4種方式（圖4）。

壓裂過程中，傳遞到目標(biāo)斷—裂面上流體壓力的大小目前是通過數(shù)值模擬計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)的[29]，但前提也是需要確定流體傳遞的裂縫網(wǎng)絡(luò)。由于目前流體傳遞數(shù)值模擬的模型是理想化的（如裂縫寬度是設(shè)定的），傳遞到目標(biāo)斷—裂面上的流體壓力很難準(zhǔn)確獲得，這也是一個(gè)沒有很好解決的世界性難題，需要進(jìn)一步地探索和攻關(guān)。

2.2.4 尋找能吸收變形的固井材料

主要是探索和尋找能吸收變形的特種材料來(lái)固井，讓水泥環(huán)能吸收較大的剪切變形，達(dá)到套變防治的目的。目前，中石油已組織有關(guān)部門開始了專項(xiàng)研究，正在試驗(yàn)和測(cè)試中。

2.3 套變防治的有關(guān)建議措施

2.3.1 套變風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)

斷—裂與井筒的交切點(diǎn)即套變風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。壓裂前，綜合采用各種技術(shù)手段，分析確定切割井筒的斷—裂（包括斷—裂的幾何形態(tài)和產(chǎn)狀），并應(yīng)用廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則進(jìn)行斷—裂活動(dòng)性的定量評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行壓裂方案設(shè)計(jì)。

2.3.2 斷—裂剪切變形的壓力敏感性分析

針對(duì)開發(fā)區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)和斷—裂分布特征，應(yīng)用廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則進(jìn)行斷—裂剪切滑移的壓力敏感性分析，確定目標(biāo)斷—裂的臨界流體壓力，為壓裂設(shè)計(jì)提供參考。

2.3.3 控制流體進(jìn)入斷—裂是套變防治的根本措施

根據(jù)前面的分析，剪切變形引起的套變，流體壓力是主導(dǎo)外因（地質(zhì)因素是內(nèi)因，且無(wú)法改變），控制壓裂液大量進(jìn)入斷—裂，是防止套變的根本措施。具體建議措施包括：①壓裂段避開斷層，②對(duì)壓裂液快速流失的小斷層和大裂縫實(shí)施暫堵，③減低泵壓（排量）等是可能的有效手段。讓壓裂液產(chǎn)生人工裂縫，而不沿?cái)唷蚜魇欠乐翁鬃兊母敬胧?/p>

上述套變的防治對(duì)策和建議措施總體均被川慶公司采納并應(yīng)用到頁(yè)巖氣開發(fā)生產(chǎn)實(shí)踐中。其中控制壓裂液流失的大裂縫暫堵措施，從2019年10月份開始，已開展了19口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得良好的成效：①19口參與試驗(yàn)的井，僅3口井發(fā)生了套變，套變大幅度下降，單井套變率從以前（2016—2019年）平均50.4%下降到15.8%；②單井套變的點(diǎn)數(shù)大幅度下降：3口套變井中，有2口僅有1處發(fā)生套變，而以前往往是1口井發(fā)生多處套變；③發(fā)生的套變點(diǎn)，套變程度顯著下降，變形程度均小于10%（小橋塞可以通過，對(duì)壓裂的影響不是太大），套變產(chǎn)生的丟段率從以前的平均4.63%下降到0；④套變發(fā)生的時(shí)間顯著推后：3口套變井，套變發(fā)生在壓裂接近結(jié)束的時(shí)間，對(duì)壓裂產(chǎn)生的影響就很小。暫堵大裂縫措施取得很好成效，使得嚴(yán)峻的套變形勢(shì)得到有效扭轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論

1）頁(yè)巖氣水平井開發(fā)產(chǎn)生的套管變形現(xiàn)象均符合剪切變形特征，頁(yè)巖氣水平井開發(fā)引起的套管變形是地層沿?cái)唷衙婕羟谢圃斐傻摹?/p>

2）明確了四川頁(yè)巖氣開發(fā)管管變形的地質(zhì)力學(xué)機(jī)理：套管變形是在注水壓裂過程中，流體（水）壓力傳遞到斷—裂面上，通過降低斷—裂面上的正應(yīng)力（降低有效正應(yīng)力）而誘發(fā)地層產(chǎn)生剪切滑移，并作用到套管上使其發(fā)生變形的結(jié)果。

3）頁(yè)巖氣水平井開發(fā)引起的套變問題需要通過地質(zhì)力學(xué)研究來(lái)解決，包括：①識(shí)別確定可能出現(xiàn)活動(dòng)的斷—裂（套變風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)）；②評(píng)價(jià)斷—裂的潛在活動(dòng)能力；③預(yù)測(cè)斷—裂的剪切滑移量；④分析地層剪切作用與套管變形的耦合關(guān)系（固井水泥環(huán)對(duì)地層變形的吸收程度）。

4）控制斷—裂的剪切滑移的因素包括：①現(xiàn)今原地應(yīng)力場(chǎng)；②斷—裂的產(chǎn)狀和規(guī)模；③注水壓裂過程中傳遞到斷—裂面上的流體壓力及其持續(xù)程度等，頁(yè)巖氣開發(fā)套變的防治工作應(yīng)主要針對(duì)上述因素展開。其中，控制壓裂液大量進(jìn)入斷—裂，讓壓裂液造縫而不沿?cái)唷蚜魇欠乐翁鬃兊母敬胧?/p>