張 鑫,李 軍,張 慧,孫曉明,鄧天安,姚 勇,焦建芳

(1中國石油大學石油工程學院·北京 2中石油青海油田公司采油五廠 3中石化西南石油工程有限公司固井分公司)

0 引言

在四川盆地國家級頁巖氣示范區(qū)，部分頁巖氣井井筒出現(xiàn)了一些問題，如水平井段套管下入困難、固井水泥環(huán)密封失效、套管變形嚴重等，尤其是在壓裂增產(chǎn)改造過程中套管損壞影響橋塞順利下入，導致部分儲層井段被迫放棄改造作業(yè)，甚至導致橋塞不能順利鉆磨等問題，這些問題的出現(xiàn)影響了頁巖氣水平井單井產(chǎn)量的提髙。

近兩年，眾多學者對壓裂過程中套管變形機理進行了重要探索。Haitao Li分析認為非均勻應力、固井質(zhì)量、壓裂改造面積不對稱和斷裂滑移為影響套管變形的四個最可能因素[1]。Fei Yin建立了水力—機械耦合模型來預測水力壓裂下的地層行為，分析了孔隙壓力、裂縫擴展、有效應力和地層變形之間的對應關(guān)系[2]。劉偉等綜合現(xiàn)場數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬分析，認為與套管相交的天然裂縫在壓裂過程中發(fā)生滑移是引起該致密油區(qū)塊體積壓裂過程中套管變形失效的主要原因[3]。郭雪利等分析了斷層力學狀態(tài)，明確了斷層滑動的力學機理，基于震源機制原理，利用現(xiàn)場微地震數(shù)據(jù)反演了斷層滑動距離[4]。范明濤等基于分步有限元方法建立了跨尺度三維地層滑移模型，分析了不同工況下滑移界面走向、改造級數(shù)以及改造程度對長水平段套管應力分布的影響[5]。于浩等認為套管失效是壓裂過程中地層巖石性能降低、改造區(qū)域不對稱、施工壓力大以及地應力場重新分布共同作用的綜合結(jié)果[6]。李軍提出了分段固井方法，將分段壓裂過程中可能產(chǎn)生的極端非均勻外擠載荷轉(zhuǎn)化為均勻外擠載荷，從而達到防止套管變形的目的[7]。

綜上所述，目前大多學者認為，造成頁巖氣水平井套管損壞變形的主要因素為天然裂縫/微斷層的存在以及壓裂施工控制參數(shù)。前者為地質(zhì)因素，是套管發(fā)生變形損壞的前提條件，無法人為地去改變；而后者為引起套管變形損壞的直接因素，通過人為調(diào)整施工參數(shù)，完善壓裂工藝可以降低套損發(fā)生的概率。因此，有必要進一步理清套管變形機理，對壓裂施工控制參數(shù)進行優(yōu)化研究。

1 威榮區(qū)塊套損規(guī)律統(tǒng)計分析

截至2020年9月,中石化威遠—榮縣區(qū)塊已完鉆并實現(xiàn)壓裂井52口，待壓裂井4口。該區(qū)塊頁巖氣儲層深，具有高破裂壓力、高停泵壓力、高閉合壓力的特征，為獲得好的增產(chǎn)改造效果，需要進行大規(guī)模甚至超高壓壓裂。在已完成改造的52口井中，26口井出現(xiàn)套管損壞變形，影響了泵送橋塞及射孔槍聯(lián)作實施，導致有利儲層無法實現(xiàn)針對性改造，被迫放棄壓裂達28段，影響了頁巖氣的產(chǎn)能建設(shè)。

對該區(qū)塊早期5口典型套變井套管變形情況統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，發(fā)生套變的5口井16處位置如圖1所示。套管變形主要發(fā)生在第6～13段壓裂期間，其中水平段中部發(fā)生11次；A靶點附近4次；B靶點附近1次。在發(fā)生套變后致使電纜泵送橋塞及射孔槍發(fā)生遇阻，相應工具不能通過下入，影響后期壓裂。另外，工具下入遇阻位置均為套管本體位置。

圖1 套變位置分布

出井鉛印呈現(xiàn)出一側(cè)磨損嚴重，另一側(cè)磨損輕微的現(xiàn)象?？梢哉J為套管發(fā)生擠壓或剪切變形，而多臂井徑測井成像顯示出明顯的剪切變形特征，如圖2所示。這與從鉛印塊上所看到的現(xiàn)象是一致的。因此，可以初步得出天然裂縫或斷層滑動是導致套管變形失效的主要因素。

圖2 威榮區(qū)塊X- 5井多臂井徑測井成像

龍馬溪頁巖具有高非均質(zhì)性，地層巖石性質(zhì)、楊氏模量和泊松比具有很大的差異[8]。在頁巖層和石灰?guī)r巖層中，有幾種類型的弱應力層，其中包含斷層、天然裂縫和水平層狀節(jié)理[9]。這些弱應力層有不同的幾何形狀、方向和巖石屬性，這決定了壓裂裂縫網(wǎng)絡的復雜性。壓裂過程中大量壓裂液夾雜石英砂在高泵壓條件下被注入射孔段，隨著裂縫的起裂以及不斷擴展，地層壓力會發(fā)生變化，這將導致天然裂縫的開啟或滑移[10]。對于套管變形的井，在多級壓裂過程中通常可以監(jiān)測微震信號。威頁X- 1HF是該區(qū)塊套管變形最嚴重的井之一，圖3展示了威頁X- 1HF井在壓裂過程中的微震監(jiān)測圖。

圖3 X- 1井微地震監(jiān)測示意圖

通過以上統(tǒng)計得出，套管損壞多發(fā)生在后半段，這和壓裂中監(jiān)測到的后半段微地震信號越來越頻繁相對應?？梢岳斫鉃槎嗉墘毫言斐商坠軗p壞變形是一個累積的過程，前面壓裂導致地應力發(fā)生變化且不斷累積，因此在后續(xù)壓裂過程中這種累積的非均勻地應力引起天然弱面的滑動剪切套管或直接作用在水泥環(huán)—套管組合體上，超過套管的屈服強度。當套管進入屈服階段后，隨著載荷的增加，套管開始出現(xiàn)較大變形，套管截面橢圓度逐漸增大，當橢圓度達到一定數(shù)值后，會導致井下工具下入遇阻[11- 12]。初步可以認為，套管變形的主要原因是多級壓裂過程中水力裂縫的起裂與擴展而造成的地應力非均勻累加效應[13]。

2 多級壓裂有限元模擬

2.1 數(shù)值模型

采用有限元軟件建立有限元數(shù)值模型，模型示意圖如圖4所示，模型高度500 m，長度500 m，共模擬5條裂縫的起裂和擴展過程，以單裂縫代表整個壓裂段內(nèi)裂縫的擴展情況。裂縫間距20 m，最外端2條裂縫距離邊界420 m，以消除邊界條件的影響。

采用多孔介質(zhì)流固耦合單元模擬頁巖儲層巖石的性質(zhì)。預置5條射孔孔道，采用擴展有限元模擬水力裂縫的擴展。從右到左5條裂縫分別記為1,2,3,4,5。并按照順序依次起裂；壓裂液黏度為0.001 Pa·s(清水)，注入排量為10 m3/min，單條裂縫注入時間為100 s，其他參數(shù)如表1所示。

圖4 有限元模型裂縫預置及網(wǎng)格劃分

表1 數(shù)值模型計算參數(shù)

2.2 有限元模型計算結(jié)果

圖5為模擬多級壓裂結(jié)束后地應力分布情況。壓裂過程中，多級裂縫逐個擴展產(chǎn)生明顯的應力累積效應。在地應力不斷累積的條件下，中間裂縫起裂擴展困難，第5條裂縫向外側(cè)擴展。裂縫擴展過程中，近井筒地帶地應力值整體有所提高，作用在套管上的應力也較高。尤其是對于后續(xù)壓裂段，會進一步引發(fā)微斷層滑動，剪切套管，造成套管變形。

圖5 壓裂結(jié)束后地應力分布情況

3 近井筒地應力分布規(guī)律研究

為了表征多級壓裂過程中前段壓裂對后續(xù)壓裂段位置地應力的變化，選取井筒附近一點作為研究對象，其位置在最后一級裂縫的左側(cè)50 m(考慮多級壓裂對后續(xù)壓裂段的套管應力的影響)，可以得到該節(jié)點應力隨壓裂時間的變化情況，即近似為井筒受力情況。且通過該節(jié)點畫出X與Y方向兩條路徑，可以得到壓裂結(jié)束時兩個方向上地應力的變化情況,如圖6所示。

圖6 節(jié)點及路徑選擇示意圖

圖7是壓裂過程中節(jié)點位置處地應力增加值變化情況。

圖7 地應力隨壓裂時間的變化情況

從圖7可以看出，多級裂縫擴展過程中，井筒周圍地應力不斷增加，作用在套管的地應力也隨之增加。壓裂過程中，該節(jié)點位置處地應力是不斷增加的，最終增加值為34.5 MPa。隨著壓裂的不斷進行，套管所處的地應力環(huán)境更加復雜，套管變形風險也會逐級提高。

從圖8可以看出，壓裂過程中X方向近井筒位置地應力最大值出現(xiàn)在最后一級壓裂位置，且從第二級開始，應力越來越高，即沿井筒方向地應力累加效果明顯。進一步驗證了頁巖氣水平井壓裂過程中，套管變形往往出現(xiàn)在后半段壓裂過程中。

從圖9可以看出，壓裂結(jié)束時，在垂直于井筒方向，井筒附近出現(xiàn)地應力值的波動，且最大地應力出現(xiàn)在井筒附近?？梢姸嗉墘毫炎鳂I(yè)可以改變井筒附近地應力分布情況，為天然裂縫或微斷層的錯動提供了條件。

圖8 X方向地應力大小分布圖

圖9 Y方向地應力大小分布圖

4 套管變形預防措施

從以上分析得出，裂縫斷層發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造以及大規(guī)模的壓裂施工是誘發(fā)套管變形的主要因素。對于地質(zhì)因素，可采取的手段很少，只能壓裂時在一定程度上合理地避開裂縫發(fā)育區(qū)域。而對于壓裂施工參數(shù)可以人為地進行調(diào)整，以減輕壓裂施工對套管的損害程度。

(1)降低壓裂液排量。降低壓裂液排量有三個方面的作用：降低溫度—壓力耦合對套管應力的影響；降低斷層附近壓裂時套管承受的剪應力；降低壓裂過程中斷層滑移的可能性。當然，前提是能夠保證壓裂施工的順利進行。

(2)優(yōu)化段簇間距。進一步優(yōu)化施工規(guī)模及分段長度，即減小段間距，相應地增加段長，減少裂縫間干擾；在保障壓裂改造效果的前提下，減小段內(nèi)射孔簇數(shù)。

(3)間歇性壓后返排。根據(jù)多級壓裂誘導應力/能量積累形成高應力區(qū)，壓裂2～3級后適當進行2～2.5倍井筒容積的返排，增大應力/能量釋放，降低裂縫剪切與蠕變，降低套變風險。

5 現(xiàn)場應用效果

5.1 應用平臺簡介

威頁X- 4井是中石化威遠頁巖氣開發(fā)區(qū)塊某平臺一口水平井，該井完鉆井深為5 546 m，造斜點位于3 450 m處，水平段長1 500 m。該平臺前期3口井壓裂過程中都出現(xiàn)了嚴重的套管變形問題，造成了壓裂段的丟失，極大地影響了壓裂改造效果。

5.2 套變控制措施

威頁X- 4井在壓裂設(shè)計過程中，采取了一系列措施來控制套管變形的發(fā)生。

(1)水平段采用高鋼級加厚套管(表2)，增加套管抗變形性能；采用微地震監(jiān)測裂縫擴展、針對可能套變提出預警。

表2 威頁X- 4井套管數(shù)據(jù)

(2)采用小簇間距、大段間距，減少段間影響。采用階梯降排量停泵模式，嚴防壓力、排量大幅度激動，平穩(wěn)施工，緩解局部應力加載過大。

(3)對壓裂過程中有套變現(xiàn)象的井段控制排量在14 m3/min以內(nèi)，避免進一步加劇套管變形程度。

5.3 套變情況分析

威頁X- 4HF井實際完成20段108簇加砂壓裂施工，簇間距8.4～9.9 m，段間距26.4～31.8 m。壓裂總液量45 096.19 m3、總砂量1 824.15 m3、排量12～15 m3/min，泵壓70～93 MPa，停泵壓力63.5～66.1 MPa。

第15段(14號橋塞?103.2 mm)第一次泵送遇阻，上提再次泵送通過，說明在A靶點與水平段套管存在微形變致套管通過性變差，但未對壓裂施工造成嚴重影響。

5.4 試驗效果評價

采用增加套管壁厚、出現(xiàn)套變后控制壓裂排量、采用小尺寸橋塞等措施，保證了改造，未出現(xiàn)因套變原因造成壓裂丟段(簇)的現(xiàn)象。該技術(shù)已在威榮、永川區(qū)塊頁巖氣水平井的壓裂作業(yè)中全面推廣。

6 結(jié)論

(1)頁巖氣井套管套管變形多發(fā)生在水平段中部及跟端位置，多級壓裂過程中套管損壞變形是一個逐漸累積的過程。

(2)套管變形的主要形式是剪切和擠壓變形。多級水力裂縫引起的地應力的不斷累加，進而導致天然裂縫剪切滑動，天然裂縫或斷層滑動是導致套管變形損壞的主要因素。

(3)多級壓裂過程中壓裂區(qū)域體積的變化對水平段近井筒地應力影響較大；加強地震預測，準確識別天然裂縫或斷層，改造段適當遠離滑移界面可以降低套管發(fā)生剪切破壞的概率。