壓裂施工中斷層活化對套管影響分析

張全勝 張峰 伊西鋒 劉玉國 王旱祥 馬金明 陳旭輝

摘要：水平井多級分段壓裂大規模實施過程時常會引起斷層活化、滑移，使套管發生變形或損壞。為此，研究了壓裂引起斷層活化的機理，分析了斷層滑移對套管力學性能的影響。分析結果表明：水力裂縫溝通斷層，壓裂液由二者交線處沿斷層滲流，造成交線兩側一定范圍內剪切強度減小，斷層面剪切強度減小至小于有效應力時發生破壞而活化，斷層滲透率越高，活化范圍越大；活化后的斷層滑移量與活化范圍正相關，在水力裂縫和斷層的交線兩側對稱分布，隨著與交線距離的增大，斷層滑移量逐漸減小。所得結論可為壓裂施工及套管保護措施的制定提供技術借鑒。

關鍵詞：水力壓裂；孔隙壓力；斷層活化；滑移量；套管；力學分析

The largescale implementation of multistage fracturing in horizontal wells often causes fault activation and slippage， and then results in casing deformation or damage.Finally， the numerical simulation method was used to analyze the mechanical influence of fault slip on casing.The analysis results show that the hydraulic fracture connects with the fault， the fracturing fluid flows along the fault from the intersection of them， resulting in a decrease of shear strength within a certain range on both sides of the intersection.When the shear strength of the fault plane decreases to less than the effective stress， the fault will be destroyed and activated.The higher the fault permeability， the greater the activation range is.The slip amount of activated fault is positively correlated with the activation range， and is symmetrically distributed on both sides of the intersection of hydraulic fracture and fault.As the distance from the intersection increases， the fault slip amount gradually decreases.The conclusions provide technical reference for the operation of fracturing and the formulation of casing protection measures.

hydraulic fracturing；pore pressure；fault activation；slip amount；casing；mechanical analysis

0 引 言

水平井多級分段壓裂大規模實施過程會引起斷層活化及滑移，不僅剪切套管使其發生變形或損壞，而且嚴重時須放棄部分壓裂段，從而影響采收率。因此，開展壓裂施工引發斷層活化的機理研究，分析斷層滑移對套管的力學影響，對指導壓裂施工、制定套管保護措施、節省成本具有重要意義。

國內外學者針對具體的斷層活化機理及其對套管的影響開展了研究。郭雪利等［1］對不同斷層角度、滑移距離下的套管應力與變形進行了有限元分析，研究發現一旦發生斷層滑移，無論水泥環和套管的性能、尺寸如何，套管都會發生屈服，產生較大變形。劉偉等［2］分析了致密油區塊套管的變形，發現套管最大的變形來自于壓裂引起的斷層及天然裂縫的滑移，套管受剪產生較大的縮頸變形。LI Y.等［3］、席巖等［4］通過現場觀測和數值模擬分析了壓裂過程的套損機理，研究結果表明天然裂縫或斷層的剪切滑移是造成套管變形的主要因素，變形程度與滑移量正相關。李軍等［5］提出了水力壓裂影響下的斷層滑移量計算模型，對現場井進行實例計算，發現控制壓裂泵壓和裂縫長度可以有效降低斷層滑移量，避免套管嚴重變形。陳朝偉等［6-7］、陳挺等［8］提出水力壓裂時壓裂液進入斷層或巖石層理，引起孔隙壓力升高，降低斷層面剪切強度而發生斷層滑移，套管承受剪切作用而發生變形失效。陳挺等［8］針對頁巖氣壓裂過程的套損開展分析，利用螞蟻體追蹤算法查找斷層裂縫，發現套管變形與裂縫發育程度有很大的相關性。WANG K.Y.等［9］通過一種利用曲線相似性的判斷方法來判斷，得出斷層滑動是造成凹陷型和偏心橢圓型的主要原因，通過數值模擬，確定了斷層滑動大小與套管變形的關系。韋堃［10］分析了斷層的強度與壓裂引發滑移的機理，以及斷層滑移時傾角、水泥環對套管安全性的影響。

目前，壓裂施工引起斷層滑移的原理基本明確，但多數學者忽略了壓裂液在斷層面的滲流，認為水力裂縫溝通斷層后壓裂液即充滿整個斷層，整個斷層完全激活。筆者利用滲流力學研究壓裂液在斷層面的滲流及其導致斷層局部活化的機理，在此基礎上利用斷裂力學分析斷層滑移量，開展斷層滑移對套管力學影響的數值模擬研究，以期提出具體的壓裂施工建議，從而指導工程實踐。

模型中地層施加垂向有效地應力36 MPa，最大有效水平地應力60 MPa，最小有效水平地應力24 MPa，地層壓力系數為1.1，地層原始溫度140 ℃，約束地層各表面和水泥環、套管端面的法線方向位移。建立2個載荷步：在第一個載荷步進行地應力平衡，此時套管內壓取靜液柱壓力，約35 MPa，使地應力傳遞到水泥環和套管上；在第二個載荷步進行溫度-力耦合分析，取套管內壓101 MPa，壓裂液溫度100 ℃，斷層施加不同的滑移量（1～7 mm），通過計算可知斷層滑移作用下的套管應力分布。

3.2 套管應力與變形分析

通過數值模擬得到不同斷層滑移量下套管的Mises應力分布和變形，4 mm滑移量下套管應力與變形如圖8所示。斷層滑移的剪切作用下，套管最大應力出現在斷層面附近，滑移一側的套管雖然發生位移，但是其Mises應力與未滑移一側的套管應力相差不大，均遠小于斷層面附近應力。同時圖8顯示在斷層面附近，沿著軸向從滑移一側到未滑移一側，套管在垂向的位移量逐漸減小，說明斷層帶動套管向滑移方向移動，使套管在斷層面附近發生彎曲變形。

套管最大Mises應力及彎曲的軸線偏移量隨斷層滑移量的變化曲線如圖9所示。套管應力隨斷層滑移量的增大而增大，斷層滑移量小于4 mm時，對于P110鋼級的套管來說，套管處于彈性范圍內，在滑移量為4 mm左右時套管最大應力達到P110鋼級套管最小屈服強度758 MPa。套管在斷層滑移作用下發生彎曲變形，彎曲變形的軸線偏移量與斷層滑移量在垂直方向上的分量基本一致，分析中取斷層與井筒軸線成45°角，因此偏移量約為斷層滑移量的0.7倍。

斷層滑移對于套管的應力、變形的影響非常顯著，是引起套管失效的重要原因，因此，應盡可能避免井身軌跡穿過斷層，對于難以避免的情況，應在斷層附近通過提高鋼級等辦法選用更高強度的套管。在進行壓裂設計后，針對距離斷層最近的壓裂段計算斷層激活范圍，驗證激活范圍不會波及到套管，如果波及到套管，則應重新設計并驗證直至斷層激活不會波及到套管。

4 結 論

（1）水力裂縫溝通斷層，壓裂液由二者交線處沿斷層滲流，造成交線兩側一定范圍內剪切強度減小，斷層面剪切強度減小至小于有效應力時發生破壞而活化，斷層滲透率越大，活化范圍越大。

（2）活化后的斷層滑移量與活化范圍正相關，在水力裂縫和斷層的交線兩側對稱分布，隨著與交線距離的增大而逐漸減小，斷層使套管產生彎曲變形，變形的軸線偏移量與斷層滑移量在垂直方向分量基本相同，因此，壓裂施工引起斷層局部的活化、滑移是造成套管屈服、彎曲變形的主要原因。

（3）為避免斷層滑移對套管的影響，井身軌跡應避免穿過斷層，難以避免時，應在斷層附近通過提高鋼級等辦法選用更高強度的套管。在進行壓裂設計后，針對距離斷層最近的壓裂段計算斷層激活范圍，驗證激活范圍不會波及到套管，如果波及到套管，則應重新設計并驗證直至確認安全。

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第一張全勝，教授級高級工程師，生于1964年，2002年畢業于上海交通大學機械工程專業，獲碩士學位，現從事采油工程技術研究工作。地址：（257045）山東省東營市。電話：（0546）8557289。Email：zhangqsh513.slyt@sinopec.com。

通信作者：陳旭輝，Email：z21040087@s.upc.edu.cn。