體積壓裂水錘效應對頁巖氣井屏障完整性影響及對策

周波 毛蘊才 查永進 汪海閣

1. 中國石油集團鉆井工程技術研究院；2. 中國石油勘探與生產(chǎn)分公司

0 引言

大規(guī)模體積壓裂是頁巖氣得以商業(yè)開發(fā)的基本手段，為提高壓裂排量，通常需要采用在套管內直接泵注壓裂液的工藝(簡稱套管壓裂)。頁巖氣套管壓裂相對于常規(guī)水力壓裂技術具有壓力高、排量大的特點，通過體積壓裂增加儲層改造體積，實現(xiàn)了頁巖氣產(chǎn)量的大幅提高，但體積壓裂過程井屏障完整性失效問題日益突顯［1-2］。四川盆地長寧—威遠是國家級頁巖氣開發(fā)示范區(qū)，在前期101口井(其中水平井90口)實施套管壓裂改造井中，32口井(共47段)發(fā)生不同程度套管變形、破損等井屏障完整性失效問題。

隨著頁巖氣井體積壓裂的規(guī)模應用，體積壓裂對井筒完整性的影響逐漸受到關注。2015年API RP100-1《水力壓裂井完整性及裂縫控制》提出井筒完整性的要求。壓裂過程井筒完整性的影響因素具有多樣性和復雜性，根據(jù)體積壓裂技術特征，施工過程中可能引起套管失效的主要因素有溫度效應、頁巖滑移、水擊效應等。Adams等分析了套管外水泥環(huán)圈閉液對井筒完整性的影響［3］，田中蘭、戴強等針對影響套管強度性能的溫度效應［4-8］、壓力效應、彎曲效應、頁巖滑移進行了分析，提出多因素耦合導致套管損壞的觀點。目前研究內容主要在壓裂引起的溫度變化、地層滑移等方面，針對壓裂過程壓力波動對井筒完整性的影響，尤其是壓裂砂堵、停泵瞬間水擊效應對井筒完整性影響的研究較少。

針對長寧—威遠頁巖氣井壓裂過程井屏障完整性失效問題，分析了體積壓裂過程水擊效應引起的壓力波動規(guī)律，研究水擊效應對井筒完整性的影響，并提出相應工程應對措施。

1 頁巖氣井完整性屏障系統(tǒng)及失效形式

1.1 體積壓裂工況井完整性屏障系統(tǒng)

井完整性屏障是指阻止地層流體無控制地向外層空間流動的屏障。井屏障設計概念最早在2004年由挪威國家石油公司在NORSOKD-010(第三版)提出，為保障作業(yè)安全，在鉆井、試油、完井、生產(chǎn)到棄井等不同階段一般必須建立2道有效的井屏障，即第一井屏障和第二井屏障。

長寧—威遠頁巖氣區(qū)塊壓裂改造作業(yè)采用電纜帶分簇射孔工具+橋塞工藝。結合壓裂工況特點，井屏障完整性系統(tǒng)第一井屏障由壓裂液構成，即通過壓裂液液柱壓力平衡地層孔隙壓力，避免地層流體進入井筒；第二井屏障是指第一井屏障失效后，阻止地層流體無控制向外層空間流動的屏障。從下至上依次由地層、套管、套管外固井水泥環(huán)、套管頭、套管掛及密封、壓裂井口裝置構成。長寧—威遠頁巖氣井體積壓裂過程井屏障完整性系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 壓裂過程井屏障完整性系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Sketch of well barrier integrity system in the process of fracturing

根據(jù)頁巖巖性特征及頁巖氣井水平段完井特點，地層、水泥環(huán)和套管是頁巖氣井完整性第二屏障系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)［8］。

(1)地層：頁巖巖性具有脆性特征，頁巖氣儲層天然裂縫、斷層、層理發(fā)育，壓裂液進入斷層或巖性界面，巖石摩擦系數(shù)降低容易導致巖層沿著斷層和巖性界面滑動。

(2)固井水泥環(huán)：水平井固井質量難保證，若水泥環(huán)第一膠結面失效，壓裂過程壓裂液沿套管外側竄動，弱膠結處充滿流體且與井筒內流體連通形成異常高壓區(qū)，水錘效應在套管外形成異常外擠載荷；若水泥環(huán)第二膠結面失效，壓裂過程壓裂液沿弱膠結面竄動進入地層，加劇泥頁巖層不穩(wěn)定性。

(3)套管：體積壓裂排量大、泵壓高，井底砂堵停泵等可產(chǎn)生數(shù)十兆帕壓力波動，井底壓力接近套管極限強度。

1.2 井屏障完整性失效形式

根據(jù)現(xiàn)場記錄資料，四川盆地長寧—威遠頁巖氣井壓裂施工前通井順利，壓裂之后，發(fā)生鉆塞通不過，或者下橋塞過不去，預測在水力壓裂過程中套管發(fā)生變形。通過開展MIT24臂井徑測井，證實套管發(fā)生損壞，套管損壞特征如表1所示。

表1 長寧—威遠頁巖氣井套管損壞特征Table 1 Casing damage characteristics of shale gas wells in the Changning-Weiyuan Block

長寧—威遠頁巖氣井體積壓裂過程井屏障完整性失效以第二屏障失效為主。從損壞特征看，發(fā)生損壞的位置在壓裂點200 m以內，位于壓裂影響范圍內。井下遇阻集中發(fā)生在鉆塞或泵送橋塞時，說明套管在短時間內發(fā)生有限變形，即射孔壓裂過程套管出現(xiàn)損壞。根據(jù)測井評價，套管損壞井水平段二界面固井膠結普遍較差，壓裂過程壓裂液一方面沿裂縫進入地層，另一方面沿固井弱膠結面竄動。根據(jù)水力學理論，體積壓裂施工過程隨著泵壓排量的變化(如壓裂液脫砂導致砂堵停泵過程)，將引起井底射孔段出現(xiàn)壓力波動。體積壓裂具有泵壓高、排量大的特點，在套管—水泥環(huán)弱膠結區(qū)域極易形成局部高壓區(qū)，若附加水錘效應將對井筒完整性產(chǎn)生不可忽視的破壞作用。

2 體積壓裂水錘效應及井筒壓力變化特征

2.1 最大水錘壓力及流體壓縮壓力計算模型

長寧—威遠區(qū)塊典型體積壓力施工曲線如圖2所示，壓裂排量降低過程，井口壓力出現(xiàn)明顯的先增加后降低波動現(xiàn)象。基于流體力學理論，井筒內任何流量波動都會產(chǎn)生水錘現(xiàn)象［9-12］。頁巖氣體積壓裂采用段塞式加砂的模式，不同于常規(guī)儲層階梯狀連續(xù)加砂模式。在體積壓裂過程泵壓、排量等施工參數(shù)的變化、裂縫中壓裂液脫砂導致砂堵、壓裂結束停泵等都將在井筒內產(chǎn)生壓力波動即水錘現(xiàn)象。

圖2 長寧—威遠區(qū)塊典型體積壓力施工曲線Fig. 2 Typical SRV construction curve of Changning-Weiyuan Block

水錘壓力波傳播形式可以用斯通利波表示，在井筒內沿固—液界面?zhèn)鞑ィ?1］，如圖3所示。

水錘效應導致井筒內流體壓力迅速變化。壓裂砂堵瞬間，井筒內底部流體由動能轉換為勢能，繼而以壓力波的形式傳播。

根據(jù)動量定理可得

圖3 水擊效應過程水平段井筒壓力波傳播示意圖Fig. 3 Schematic pressure wave propagation inside the wellbore of horizontal section in the process of water hammer effect

考慮井筒的彈性變形及井筒流體的壓縮性，水錘壓力波在井筒的傳播速度為

則最大水錘壓力

式中，pmax為井筒中最大水錘壓力，Pa；t為時間，s；ρ為井筒內流體密度，kg/m3；v為流體速度，m/s；c為水錘波在井筒的傳播速度，m/s；c0為水中聲波的傳播速度，m/s；Kf為流體體積模量，Pa；di為套管內徑，m；Ep為套管彈性模量，Pa；T為套管壁厚，m。

同時，壓裂砂堵至停泵期間，壓裂液持續(xù)泵入井筒，在井筒產(chǎn)生附加流體壓縮壓力。根據(jù)液體體積模量定義，可以得到井筒流體附加壓縮壓力Δp

式中，Δp為井筒中流體附加壓縮壓力，Pa；ΔV為壓裂砂堵至停泵期間泵入井筒液體體積，m3；Ke為井筒—流體等效體積模量，Pa；V為井筒體積，m3；f為壓裂液基液體積分數(shù)；Kp為套管體積模量，Pa；D為套管直徑，m。

2.2 井筒流體壓力變化特征

選取長寧區(qū)塊典型套管損壞井威2井為例進行體積壓裂停泵過程井筒流體壓力變化特征分析。目標井為三開水平井，垂深2 500 m，水平段長1 200 m；生產(chǎn)套管尺寸127 mm，壁厚12.14 mm，鋼級P110；泵壓70 MPa，排量12 m3/min。井筒流體最大水錘壓力計算關鍵參數(shù)如表2所示。

表2 目標井水錘及流體壓縮壓力計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters for water hammer and fluid compression pressure of the target well

根據(jù)式(3)和式(4)計算結果，若體積壓裂砂堵—停泵產(chǎn)生水錘效應，則最大水錘壓力為31.88 MPa、流體附加壓縮壓力為5～15 MPa。基于水動力學理論，井筒流體壓力波動以斯通利波形式沿流體—套管界面周期傳播。受井筒摩阻及井筒流體向地層滲漏影響，水錘壓力波傳播過程逐漸衰減。根據(jù)Stan Stephenson等研究結果，壓力波動變化可用衰減正弦函數(shù)表征［10］。利用式(2)，計算可得目標井壓力波傳播周期為4.8 s，建立體積壓裂砂堵停泵前后井筒壓力變化特征，如圖4所示。

圖4 砂堵停泵前后井筒壓力變化特征Fig. 4 Wellbore pressure change characteristics before and after sand blocking and pump off

圖4中橫坐標表示時間，縱坐標(左側)表示體積壓裂泵的排量，縱坐標(右側)表示井筒內流體的壓力。壓裂過程地層砂堵停泵前后可分3個關鍵節(jié)點。節(jié)點1：10 s時刻地層裂縫中壓裂液脫砂形成砂堵或裂縫閉合，井底壓力開始增加，排量出現(xiàn)下降現(xiàn)象；節(jié)點2：井筒底部流體流速降低為0，流體動能完全轉換為勢能，井底壓力達到最大值，井筒井底位置產(chǎn)生水錘效應；節(jié)點3：水錘壓力波以斯通利波形式沿套管-流體界面由井底向井口傳播，井底壓力逐漸降低，2.4 s后壓力波傳遞到達井口，井口壓力出現(xiàn)峰值。同時，停泵之前壓裂液持續(xù)泵入井筒，水錘壓力和新泵入液體附加壓縮壓力同時作業(yè)于井底；停泵后，井筒流體附加壓縮壓力不再增加，壓力波動繼續(xù)沿流體—套管界面周期傳播并逐漸衰減。

3 水錘效應引起的套管抗外擠失效校核

根據(jù)固井質量測井評價資料分析結果，目標區(qū)塊頁巖氣井部分水平段固井質量差。在射孔、壓裂影響下，環(huán)空水泥石被孔道和裂縫連通，存在壓裂液沿水泥與地層弱膠結面、水泥與套管弱膠結面竄動的風險。為評價壓裂施工過程砂堵停泵等對井筒完整性影響，分析了壓力波動對套管有效應力的影響。

3.1 套管強度校核方法

體積壓裂過程套管在井下受復雜組合載荷影響，為精確分析組合載荷作用下套管失效形式，本文選用Von Mises強度理論對套管強度校核。根據(jù)Von Mises強度理論，可得三軸應力條件下套管抗外擠強度計算公式

式中，pcco為三軸應力下套管可能承受的最大有效外壓力，Pa；pco為套管真實軸向力等于0時的單軸抗外擠壓力，Pa；pi為井筒內的液壓力，Pa；為套管斷面上的真實軸向應力，Pa；為套管最小屈服極限，Pa。

套管強度校核條件如下：

(1)套管尺寸127 mm，壁厚12.14 mm，鋼級P110，額定抗擠強度131.17 MPa。

(2)體積壓裂作業(yè)時井口套壓70 MPa，壓裂液排量根據(jù)入口排量正態(tài)分布取多數(shù)平均值。

(3)壓裂液入井溫度根據(jù)當?shù)貧鉁貤l件取得，壓裂液注入溫度12 ℃，射孔點溫度為20 ℃，2級壓裂作業(yè)準備溫度可回升至60 ℃以上。

(4)環(huán)空水泥環(huán)被射孔或裂縫連通，體積壓裂過程，壓裂液沿弱膠結面竄動，地層孔隙壓力傳遞到油層套管外壁。

(5)根據(jù)目標井壓裂施工參數(shù)，壓裂過程砂堵停泵產(chǎn)生水錘效應，井底最大壓力波動31.88 MPa。

3.2 套管強度校核結果

不考慮水錘效應影響，根據(jù)標準推薦套管柱強度設計方法對壓裂過程套管校核，得到套管抗外擠安全系數(shù)情況，如圖5所示。

圖5 壓裂不同過程套管抗外擠安全系數(shù)情況Fig. 5 Casing’s anti-collapsing safety coefficient in different processes of fracturing

通過校核套管抗擠安全系數(shù)值在1.06～1.23之間。根據(jù)現(xiàn)行套管柱結構與強度設計行業(yè)標準SY/T 5724—2008，推薦套管抗外擠安全系數(shù)1.00～1.125，套管強度滿足設計標準。

考慮水錘效應影響，三軸應力條件下套管抗外擠安全系數(shù)，如圖6所示。

圖6 水錘效應影響下套管抗外擠安全系數(shù)Fig. 6 Casing’s anti-collapsing safety coefficient under the influence of water hammer effect

計算分析表明，套管的抗擠強度系數(shù)為0.95～1.10，在第2段體積壓裂過程，考慮水錘壓力波動影響，套管抗擠強度系數(shù)不滿足其安全系數(shù)要求。在體積壓裂施工中，若套管與水泥環(huán)弱膠結面竄槽處高壓流體無法及時泄壓，附加停泵瞬間井底產(chǎn)生壓力波動，套管存在被瞬間擠毀變形的風險。

4 頁巖氣井壓裂過程井完整性屏障保護對策

提高固井質量，減少或避免套管與水泥石之間存在弱膠結面是保證井筒完整性的前提，避免快速停泵有效控制井筒壓力波動是降低套管變形、保障井筒完整性的有效措施。具體對策如下。

(1)采用預應力固井工藝，選用遇水自愈合水泥漿體系，優(yōu)化施工參數(shù)，提高水平段水泥漿頂替效率，保證膠結質量，避免壓裂液沿固井膠結面竄動。

(2)保持入井砂比的均勻性，保證壓裂液良好的攜砂性能，防止壓裂液過快脫砂，在套管附近或地層裂縫形成砂堵。

(3)壓裂過程避免快速啟動或關閉壓裂泵，延緩壓裂泵的啟動和停止時間，要求壓裂車先收油門，再停泵，泄壓時采用針閥控制緩慢泄壓。

同時，實際頁巖氣水平井井筒完整性還受到井眼軌跡、構造應力、井筒溫度變化等因素影響。優(yōu)化井眼軌道設計及控制，避免因井眼軌跡不平滑導致的套管彎曲形變；套管強度選型設計充分考慮地應力差、井筒溫度變化等因素影響，合理設計套管強度安全余量。

5 結論與建議

(1)頁巖氣井體積壓裂泵壓高、排量大，壓裂施工過程砂堵停泵等引起水錘效應可以使井筒中流體瞬間產(chǎn)生數(shù)十兆帕的壓力波動，頁巖氣井油層套管強度校核中應充分考慮井筒壓力波動影響，避免因水錘效應導致套管擠毀變形。

(2)頁巖氣井體積壓裂設計和施工過程應充分考慮井筒完整性問題。體積壓裂過程中地層、水泥環(huán)和套管是頁巖氣井完整性屏障系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，提高壓裂段固井質量是前提，避免快速啟動或關閉壓裂泵降低水錘效應的有效措施。