斷層滑移條件下頁巖氣井套管變形影響因素分析

張 鑫, 李 軍，2*, 劉鵬林, 郭雪利, 韓葛偉

(1.中國石油大學(北京)石油工程學院， 北京 102249; 2. 中國石油大學(北京)克拉瑪依校區石油學院， 克拉瑪依 834000; 3.中石油集團工程技術研究院有限公司， 北京 102206; 4.渤海鉆探第一固井公司， 任丘 062552)

世界范圍內頁巖氣的開采在一定程度上影響了世界能源供應的格局。其高效開發離不開水平井及其多級壓裂技術。但在頁巖儲層壓裂改造過程中也出現了一些技術性問題。頁巖氣水平井水平段較長，儲層力學性質沿井筒方向變化差異大。多級壓裂過程中套管壓力和溫度發生周期性的劇變，水平段套管處于復雜、極端的力學環境下，因此容易出現套管變形問題。據統計，美國、加拿大和中國在頁巖氣開發過程中都發生不同程度的套管變形現象。壓裂過程中由于套管發生變形，壓裂管串不能下放到指定位置，因此部分井段不得不放棄壓裂改造。套管變形問題嚴重影響了頁巖氣的高效開發[1-2]。

頁巖氣井壓裂中出現的套管變形問題引起了中外學者的關注。大量的研究工作表明，影響套管變形的因素主要有壓裂參數、地質構造、固井質量等。Lian等[3]指出，壓裂過程中大量壓裂液進入地層，改變了原始的地應力狀態，進而導致套管變形。劉偉等[4]認為水力壓裂會激活天然裂縫或斷層，斷層滑移剪切套管是套管變形的主要因素。陳朝偉等[5]基于圓形斷層模型，建立了斷層半徑、滑移距離和地震矩級之間的動態聯系。Zhang等[6]、郭雪利等[7]在斷層力學分析的基礎上，基于震源機制原理，初步建立了斷層滑動距離與套管變形量之間的關系。范明濤等[8]基于分步有限元方法建立了三維地層滑移有限元模型，模擬了壓裂級數以及壓裂規模在不同工況下對水平井段套管應力的影響。

壓裂工況下，大排量流體的注入使得套管處于十分復雜的服役環境中。目前，頁巖氣井體積壓裂大多采用套管壓裂的形式，壓裂液從井口進入井筒，液體壓力直接作用于套管內壁上，且在體積壓裂施工過程中泵壓大，套管內壓力隨之升高；隨著壓裂液持續進入地層，地層中的空隙壓力升高，套管外部壓力以隨之發生變化。為此，基于斷層滑移力學行為，進一步考慮套管內壓和頁巖層及套管水泥環組合體的彈塑性特征，通過有限元方法研究不同參數對套管應力和變形量的影響規律。

1 頁巖氣井套管變形主控因素分析

四川盆地是中國頁巖氣開發的主要地區，無論中石油還是中石化都進行了多年的勘探開發作業。威遠-榮縣深層頁巖氣區作為中石化西南油氣田重點突破區，開發以來面臨著嚴重套管變形問題。該區塊頁巖氣儲層深，具有高破裂壓力、高停泵壓力、高閉合壓力的特征，為獲得好的增產改造效果，需要進行大規模、甚至超高壓壓裂。截至2020年6月，共計完鉆并實現壓裂井21口，在鉆井18口。在已完成改造的21口井中， 11口井出現套管損壞變形問題，這影響了泵送橋塞及射孔槍聯作實施，導致部分設計壓裂段無法進行作業，有利儲層無法實現針對性改造，嚴重阻礙了該區塊頁巖氣的產能建設。

對該區塊21口井套管變形情況統計發現，目前發生套變的11口井20處位置，主要發生在第6～13段壓裂期間，其中水平段中部13次；A靶點附近5次；B靶點附近和造斜段各1次。在發生套變后致使電纜泵送橋塞及射孔槍發生遇阻，相應工具不能通過下入，影響后期壓裂，工具下入遇阻位置均為套管本體位置。綜合地震解釋、測井解釋和所鉆遇儲層情況，統計分析表明：套管變形部位地質條件復雜，套管變形的井段多出現在地層非均質性極強、天然裂縫層發育或存在斷層的區域。特別是存在斷層的部位，套損率高達56.76%。中國四川地區龍馬溪頁巖儲層地質構造復雜，非均質性強，斷層裂縫發育。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，溝通天然裂縫或斷層，導致天然裂縫的打開或滑動[9-10]。可見，天然裂縫或斷層存在的條件下套管變形更容易發生。

圖1展示了威頁某平臺三口井井周天然裂縫發育及壓裂過程中監測到的微地震情況。微震信號強度反應壓裂過程中裂縫激活程度。從圖1中可以看出，微震信號分布與天然裂縫發育情況吻合良好。

圖1 威頁某平臺壓裂過程中微地震監測圖Fig.1 Microseismic monitoring map of a platform during fracturing process in Weiye field

采用MIT24型多臂井徑儀對套管變形的形式和位置進行了測試。結果顯示了這些井套管呈現剪切變形(圖2)。

圖2 威頁X-5井多臂井徑測量圖Fig.2 Multi-arm caliper measurement diagram of Weiye X-5 well

通過出井鉛印的磨損情況可以看出套管一側凹陷(圖3)，與多臂成像測井結果相一致。根據這些現場資料，可以得出天然裂縫或斷層滑動是導致該頁巖氣區套管變形的主要因素。

圖3 出井鉛印磨損情況Fig.3 Wear condition of lead print in well

最初，眾多學者和現場專家認為套管變形是由套管所受地應力狀態決定的，當套管所受應力大于其屈服強度是便發生變形破壞[11-12]。因此，屈服強度更高的厚壁套管被逐漸被應用。但從效果來看，厚壁套管并不能有效防止套管變形的發生。因為在地層滑移剪切套管時，即使高強度套管也無法抵抗而發生變形。據統計，四川頁巖氣區水平井套管變形量在一定范圍內，集中分布在10～20 mm，并不是完全無法控制。地質條件是先天因素無法改變，人為調整的是施工條件。通過在定條件下壓裂施工參數與地層滑移量及套管變形量之間的關系，進而優化壓裂施工條件，可以達到控制套管變形的目的。基于斷層滑移力學分析，建立斷層滑移有限元模型，研究斷層滑移量與套管變形量的聯系，進行相關影響因素敏感性分析，進而提出有利于緩解套管變形問題的方法。

2 斷層剪切滑移機制

中國四川地區地質構造復雜，頁巖層天然裂縫發育。鉆井設計過程中，往往以經濟甜點為首要目標，且目前技術手段無法準確識別地下斷層情況，因此井眼軌跡往往會穿越斷層，如圖4所示。在這種條件下進行壓裂作業時，水力裂縫與天然裂縫相互溝通，大量壓裂液從井筒流入天然裂縫或斷層縫隙中。隨著壓裂不斷進行，裂隙或孔隙壓裂升高，進而引發斷層滑移。

圖4 斷層滑移示意圖Fig.4 Schematic diagram of fault slipe

為了保證水力裂縫更容易起裂，最理想的井眼軌跡為水平段沿著水平最小地應力方向鉆進。同時考慮井壁穩定因素，水平段延伸方向往往和最小水平地應力方向呈一定的小角度。為簡化計算，假設頁巖氣井水平段延伸方向與最小水平地應力方向重合。由摩爾庫倫準則，斷層發生滑動的條件為[13]

τ>f(σn-pp)+C

(1)

式(1)中：τ為地層作用于斷層面的剪應力， MPa；f為摩擦因數；σn為地層作用于斷層面的正應力，MPa；pp為地層孔隙壓力， MPa；C為斷層面黏聚力強度， MPa。

根據圖4所示斷層面與井筒延伸方向夾角可以得出

τ=σ1sinθcosθ-σ3sinθcosθ

(2)

σn=σ1cosθcosθ+σ3sinθsinθ

(3)

式中：σ1為最大水平主應力， MPa；σ3為最小水平主應力， MPa；θ為斷層面與井筒方向夾角，°。

在壓裂過程中，大量壓裂液被泵入地層，導致近井筒地層孔隙壓力增加。甚至水力裂縫與天然斷層直接溝通，壓裂液進入斷層內，斷層內流體壓力增加，斷層面抗剪強度減小。當剪切應力超過其抗剪強度時，斷層滑動。將式(2)、式(3)代入式(1)，令兩邊相等，得斷層臨界滑動時的孔隙壓力為

pp=Aσ1+Bσ3+C/f

(4)

式(4)中：A=1/2(1+cos2θ-sin2θ/f);B=1/2(1-cos2θ+sin2θ/f)。

3 斷層滑移模型

中國四川頁巖氣區盆地地應力大小分布一般為水平最大主應力>垂向地應力>水平最小主應力，即斷層滑移主要受水平方向地應力控制，為走滑模式。建立頁巖氣水平井斷層剪切滑動模型，如圖5所示。假設斷層面與井眼軸向夾角即斷層夾角為θ。 考慮頁巖儲層的非均質性，設置E1、E2、E3分別為地層各個方向的彈性模量；泊松比分別為μ23、μ21、μ13，3個方向地應力分別為σH、σh、σv。

圖5 斷層滑移示意圖Fig.5 Schematic diagram of fault slip

根據斷層滑移模型，建立三維有限元模型，如圖6所示。通過控制兩個塊體的相對移動距離來表示斷層滑移量。根據圣維南原理，當地層尺寸大于套管水泥環組合體尺寸5～6倍時，邊界對套管組合體應力的影響可以忽略。基于此，設置有限元模型尺寸為 3 m×3 m×4 m，井眼尺寸為 0.215 9 m。其他計算參數如表1所示。

圖6 斷層滑移有限元模型Fig.6 Finite element model of fault slip

表1 計算參數

4 計算結果與影響因素分析

4.1 斷層夾角

頁巖儲層天然裂縫/斷層發育十分復雜，斷層面與井筒軸線呈現不同的夾角。考慮不同斷層夾角條件下套管應力及套管變形量的變化規律，在有限元模型中設置斷層夾角分別為 30°、45°、60°、75°、90°，并計算不同斷層滑移量下套管應力和變形量的變化規律，結果如圖7所示，其中L表示斷層滑移距離。

由圖7可知，在斷層滑移條件下，套管應力和變形量變化規律呈現出相同的趨勢。在一定范圍內當斷層夾角變大時，套管應力和變形量呈現不斷增加的趨勢，斷層夾角為90°時達到最大值。同時，套管應力及變形量隨著斷層滑動距離增加而增加，超過一定數值時，套管應力會超過其屈服值，套管發生變形。在上述條件中，計算所得套管最大變形量為34 mm，這種情況下壓裂工具串無法通過而下放到預定位置，進而造成部分設計壓裂段無法完成施工作業，影響頁巖氣開發效率。

圖7 斷層夾角對套管應力和變形量的影響Fig.7 The influence of the fault angle on casing stress and deformation

4.2 水泥環彈性模量

固井后水泥環對套管起一定的支撐與保護作用，因此水泥環的性能對套管受力有影響。其中彈性模量往往決定水泥石的軟硬程度，模型中分別設置水泥環彈性模量為5、10、15、20、25、30、35、40 GPa，來對比分析斷層滑移條件下其對套管應力的影響。同時考慮軟硬程度相對不同的地層條件，設置軟硬地層的彈性模量(Es)分別為 20、40 GPa。此處套管應力和變形量的計算采用斷層滑移量為50 mm，夾角為90°的情況。

由圖8(a)可知，套管應力隨水泥環彈性模量的增加先增加后小幅減小。在低彈性模量條件下，也就是較軟的水泥對于作用在套管上的地層載荷起到很好的緩沖作用；而當水泥石彈性模量高到一定程度再增加時，較硬的水泥石可以起到一定的保護與支撐作用，但作用有限。由圖8(b)可知，軟硬地層條件下套管變形量變化趨勢基本相同，隨著水泥環彈性模量增加，套管變形量先迅速增加，后變得平緩。綜上所述，在斷層滑移量較小時，低彈性模量水泥環對套管的保護更為有利。

圖8 水泥環彈性模量對套管的影響Fig.8 The effect of cement sheath elastic modulus

4.3 套管配合尺寸

在井眼尺寸固定時，不同尺寸套管屈服強度不同，且對應的水泥環厚度也會不同，因此，不同尺寸套管受力狀態也必然存在較大差異。四川地區頁巖氣井目的層井眼尺寸一般為215.9 mm，配合套管尺寸為139.7 mm。以下分別對127 mm和139.7 mm套管進行分析，套管壁厚均為10 mm。計算結果如圖9所示。其中D為套管外徑。

圖9 斷層滑移量對套管變形的影響Fig.9 The influence of fault slip on casing

相同壁厚條件下，小尺寸套管抗外擠強度更高。同時，小尺寸套管對于斷層滑移預留了更多的空間。由圖9可以看出，在任意斷層滑移量條件下，套管應力隨套管尺寸的增加而增加，小尺寸套管有利于降低套管應力；在任意斷層滑移量條件下，小尺寸套管變形量均較小，更能保障壓裂施工的高效進行。

5 結論

(1)在四川頁巖氣開發區，天然裂縫或斷層的存在是套管變形發生的地質基礎，套管變形方式為剪切變形，主控因素是天然裂縫或斷層的滑移。

(2)地層滑移量與套管變形量間基本呈線性正相關關系；滑移界面即剪切載荷與井筒的夾角對套管變形量影響明顯，當夾角為90°時套管變形量最大。

(3)在斷層滑移作用下，降低固井水泥石的彈性模量有利于降低套管變形量；在壓裂工具可行的前提下，推薦使用小尺寸套管來緩解套管變形問題。