流體通道形成機理及在四川頁巖氣套管變形分析中的應用

張華禮， 陳朝偉， 石 林， 項德貴， 王思敏， 王 倩， 周 浪

(1西南油氣田分公司工程技術研究院 2中國石油集團鉆井工程技術研究院)

四川威遠-長寧頁巖氣區塊在開采過程中，套管變形問題突出。2009～2015年底間，共壓裂101口井(其中水平井90口)。在壓裂期間有32口井出現了不同程度的套管變形，套管變形率達到32%，套管變形點達47個，導致橋塞無法坐封到位，放棄壓裂110段。這不僅增加了施工成本和難度，更會影響壓裂段數，造成單井產量低、井生命周期短等問題，從而影響頁巖氣開發整體經濟效益。

很多學者在頁巖氣套管變形上做出研究，王永亮等建立有限元模型計算套管的受力情況，認為套管的拐點(豎直井和水平井交點)附近的應力比套管其他位置及周圍圍巖大，并且有不斷累積、變大的趨勢，以此推斷水力壓裂是導致套管損壞的主要因素[1]。蔣可等人利用數值模擬，分析固井時水泥環缺失、套管偏心以及井徑變化對套管應力強度的影響，得出當套管偏心且水泥環缺失時，會極大增加套管損壞的風險[2]。戴強等從頁巖氣試油完井作業特點入手，初步分析了生產套管損壞的原因，認為套管疲勞、套管損傷以及套管外載荷變化，都會對套管強度產生影響，造成套管變形[3]。于浩等人通過建立地層-水泥環-套管的三維有限元模型，分析壓裂后套管的應力及變形分布，認為套管失效原因在于壓裂后地層壓實和錯動，套管在軸向力、外擠力和剪切力的綜合作用下發生擠壓、剪切破壞[4]。練章華等對包含射孔段套管的壓裂改造頁巖地層進行了有限元分析，認為在體積壓裂的過程中會出現拉應力區和零應力區，這會造成射孔段套管“懸空”并導致套管發生彎曲變形和軸向S形變形[5]。以上的學者都對套管變形的原因做出了分析，但套管變形問題依然沒有完全解決，還需要不斷深入的研究。

本文針對四川威遠-長寧頁巖氣區塊出現的套管變形問題，首先提出了壓裂液沿著某條通道進入斷層，激活斷層從而造成套管變形的機理。其次，用地質力學理論和方法分析了井壁通道和頁巖層理通道的形成條件。最后，結合具體的一口套管變形井的實例，說明井壁通道和頁巖層理通道在現場施工條件下是可能存在的，從而間接地證明了這種套管變形機理的可能性。

一、套管變形機理分析

長寧-威遠3口井實施了24臂套管成像測井，測井結果證實套管變形為剪切變形。威遠-長寧區塊斷層/裂縫、層理和套管變形點的相關性統計表明，具有斷層/裂縫及巖性界面/層理相關性的套管變形點占套管變形點總數的61.7%，這說明了斷層/裂縫和層理是套管變形的內在因素，觸發斷層滑動需要增加斷層內的孔隙壓力，而孔隙壓力的增加意味著流體的增多[6]，因此，外來流體是斷層/裂縫滑動的外在條件。套管變形均發生在水力壓裂過程中，對套管變形數據和壓裂數據進行統計分析發現，套管變形點距最近射孔點的距離大部分都超過了50 m，有的點甚至超過了300 m。射孔點(壓裂液入口)距離套管變形點(斷層處)較遠，因此，射孔點和變形點需要流體通道，比如井壁通道、水力裂縫和地層的層理通道等。水力裂縫很容易理解，下面對水平井井壁通道和地層的層理通道的形成條件做分析，并通過實例來說明通道存在的可能性。

二、井壁通道的形成條件

頁巖氣水平井井眼一般是沿著水平最小地應力方向，這樣產生的水力裂縫垂直于最小地應力，更有利于形成縫網。但同時井壁上還會形成軸向裂縫，下面做簡單的說明。

地應力(上覆巖層壓力Sv、水平最大地應力SH和水平最小地應力Sh)是井壁應力的基本來源。鉆開井眼后，井壁還受到鉆井液液柱壓力的作用，在液柱壓力和地應力的聯合作用下，水平井井壁的有效應力分量為(在井眼圓柱坐標系)[7]：

σrr=Δp=pm-pp

σθθ=Sv+SHsin2α+Shcos2α-2(Sv-SHsin2α-Shcos2α)cos2θ-2pp-Δp

σzz=SHcos2α+Shsin2α-2v(Sv-SHsin2α-Shcos2α)cos2θ-pp

σθz=-2(SH-Sh)sinαcosαcosθ

(1)

式中：σrr—徑向應力；σθθ—周向應力；σzz—井眼軸向應力；σθz—剪應力；pm—液體井底壓力；pp—地層孔隙壓力；α—井眼軸線方位與最大水平地應力方位的夾角；θ—井壁徑向方向與井壁低邊偏離的角度；v—地層巖石的泊松比。

當α=π/2時，得水平最小地應力方向的井眼的井壁周向應力分量：

σθθ=Sv+SH-2(Sv-SH)cos2θ-pp-pm

(2)

式(2)的最小值與應力模式有關。在正斷層應力模式(Sv>SH>Sh)，取θ=0，π時，得井壁周向應力的最小值：

σθθ=3SH-Sv-pp-pm

(3)

在走滑斷層應力模式(SH>Sv>Sh)或逆斷層應力模式(SH>Sh>Sv)時，取θ=π/2、3π/2，得井壁周向應力的最小值：

σθθ=3Sv-SH-pp-pm

(4)

隨著井底壓力的增加，井壁環向應力線性減小，當滿足σθθ<0時，在井壁上產生沿著井眼軸向方向的誘導裂縫。由式(3)得：

pm>3SH-Sv-pp

(5)

在井壁的上方和下方產生軸向裂縫。由式(4)得：

pm>3Sv-SH-pp

(6)

在該條件下，在井壁的水平兩側產生軸向裂縫。

Lecampion等[8]利用線彈性斷裂力學研究了軸向裂縫和橫向裂縫的競爭關系，結果表明，在大多數情況下，井壁上優先形成軸向裂縫。

頁巖氣壓裂時通常采用較高的泵壓，因此在井壁上形成軸向裂縫，在泵入支撐劑后，將形成永久的流體通道。

三、頁巖層理通道的形成條件

通常頁巖層理極其發育，水力裂縫遇到頁巖層理時，水力裂縫可能受到阻止或發生偏移，也有可能開啟層理[9]。設水力裂縫與層理面的夾角為β，則層理面上的法向應力為：

(7)

當水力裂縫與層理剛剛溝通時，交點處的壓力表示為pi(0)，則層理張開的條件為[10]：

pi(0)>σn

(8)

隨著層理張開，液體濾失量提高，在平衡之后，凈壓力增加。隨著壓力的增加，可能會出現3種擴展模式。

第一種情況見圖1(a)，在交點處，水力裂縫沿著原方向繼續擴展，此時的壓力需滿足[11]：

pi(t)>σh+T0,i

(9)

其中將水力裂縫與層理溝通時的壓力定義為pi(t)，T0,i為交叉點處層理的斷裂韌性。在交叉點處縫內的壓力最大時，通常會發生這種情況。

第二種情況見圖1(b)，隨著壓力的增加，層理不斷向外擴展，需要滿足：

pi(t)>σn+To,tip+Δpnf

(10)

式中:To,tip—層理壓裂液前端的斷裂韌性；Δpnf—交叉點到壓裂液前端的壓降。

這種擴展模式要求沿程摩阻遠比交叉點的斷裂韌性小，這樣才能克服壓差的損耗。

第三種情況見圖1(c)，沿著層理擴展到某點后，在垂直于最小主應力的方向形成新的水力裂縫，這種情況可能是該點存在微裂縫。這要求：

To,l

(11)

式中：Δpl—交叉點到l點的壓降。

圖1 3種擴展模式

在實驗室中觀察到層理的這幾種擴展模式。侯振坤等[12]理論和實驗都充分說明，頁巖氣水力壓裂過程中，層理可以向兩側擴展，在泵入支撐劑后，可能形成一條或者多條固定的流體通道。

四、四川頁巖氣套管變形實例分析

四川威遠頁巖氣示范區W井完井井深4 370 m，垂直井深2 714.89 m，水平段長1 240 m，水平段方位N355°E。設計壓裂15段，在壓第10、第11段和第12段時，微震監測井筒下方數據出現異常點，在第13級壓裂時，橋塞下不去，說明套管發生了變形，圖2中紅圈處為套變點，經測量，套變發生的位置為3 217 m。套管變形點(3 217 m)距離最近射孔位置(3 340～3 341 m)的距離為123 m。

圖2 W井第11、12段壓裂微震

將微震事件點在地震剖面上投影，可以清楚的看到，異常點發生在斷層上，這說明在壓裂過程中激活了斷層，而套管變形正是由斷層滑動引起的，見圖3。從圖2(b)可以看出，微震異常點和正常點之間是不連續的，這個現象說明水力裂縫并沒有直接溝通斷層。因此，斷層和射孔點需要有流體通道。

圖3 事件點在地震剖面上的投影

該井套管變形點附近的垂直應力當量密度Sv=65 MPa，水平最大地應力SHmax=63 MPa，水平最小地應力Shmin=50 MPa，孔隙壓力pp=35 MPa，在壓裂施工時，流體井底壓力pm=97 MPa。從微震監測數據可以看出，水力裂縫基本上垂直于井方位，該區域屬于正斷層應力模式，由式(3)得周向應力σθθ=-8 MPa<0，這說明，在井壁的上下兩側能夠產生沿井眼軸向方向的誘導裂縫，見圖2。

值得說明的是，頁巖氣井下套管固井，并不是裸眼條件。壓裂施工過程中，可能產生微環隙[13]。因此，在泵入支撐劑后，可能形成由微環隙和軸向裂縫共同構成的一條流體通道，見圖4。

該井層理的傾角為9°，由式(7)計算水力裂縫穿過的層理面的法向應力為64 MPa，如果近井壁存在弱層理面，可以認為層理處的壓力為流體井底壓力(97 MPa)，由式(8)可知，層理能夠張開。在水力壓裂過程中，層理開啟，在大排量和高施工壓力的作用下，層理向前擴展，沿程摩阻不斷增加，直至凈壓力低于層理的斷裂韌性后，層理停止擴展。

圖4 流體井壁通道

通過前面的分析，說明兩條流體通道都是可能存在的，從而可以據此解釋斷層錯動引起的套管變形。當然，還需要尋找更多的證據做進一步驗證。

五、結論和建議

(1)提出了壓裂液沿著某條通道進入斷層，激活斷層從而造成套管變形的機理。有三種可能的流體通道：水力裂縫、井壁通道和層理通道。

(2)頁巖水力壓裂過程中，井壁上通常會形成軸向裂縫，連通射孔和斷層，形成井壁通道。在目前大排量高泵壓的壓裂施工條件下，頁巖層理可能會張開，并橫向擴展，可能連通斷層，形成層理通道。這兩種通道可以解釋套管變形點距離最近射孔點較遠的套管變形的情況。

(3)依據套管變形機理及流體通道的形成條件，綜合考慮頁巖改造提產的需求，提出了3條有針對性的措施：①加強地震資料解釋，分析斷層的位置和大小，優化井眼軌跡，降低套管變形幾率，又能提高單井產量；②在固井質量差的井段，控制施工壓力，避免井壁產生軸向裂縫；③在層理容易擴展井段，添加轉向劑，改變裂縫擴展方向，既可以避免溝通斷層，又可以加密裂縫網絡，提高產量。