張 鑫,李 軍,張 慧,孫曉明,鄧天安,姚 勇,焦建芳

(1中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)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(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)，部分頁(yè)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(yán)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(dǎo)致部分儲(chǔ)層井段被迫放棄改造作業(yè)，甚至導(dǎo)致橋塞不能順利鉆磨等問題，這些問題的出現(xiàn)影響了頁(yè)巖氣水平井單井產(chǎn)量的提髙。

近兩年，眾多學(xué)者對(duì)壓裂過程中套管變形機(jī)理進(jìn)行了重要探索。Haitao Li分析認(rèn)為非均勻應(yīng)力、固井質(zhì)量、壓裂改造面積不對(duì)稱和斷裂滑移為影響套管變形的四個(gè)最可能因素[1]。Fei Yin建立了水力—機(jī)械耦合模型來預(yù)測(cè)水力壓裂下的地層行為，分析了孔隙壓力、裂縫擴(kuò)展、有效應(yīng)力和地層變形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[2]。劉偉等綜合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬分析，認(rèn)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(xué)狀態(tài)，明確了斷層滑動(dòng)的力學(xué)機(jī)理，基于震源機(jī)制原理，利用現(xiàn)場(chǎng)微地震數(shù)據(jù)反演了斷層滑動(dòng)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(jí)數(shù)以及改造程度對(duì)長(zhǎng)水平段套管應(yīng)力分布的影響[5]。于浩等認(rèn)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(duì)稱、施工壓力大以及地應(yīng)力場(chǎng)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(dá)到防止套管變形的目的[7]。

綜上所述，目前大多學(xué)者認(rèn)為，造成頁(yè)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(wú)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(jìn)一步理清套管變形機(jī)理，對(duì)壓裂施工控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 威榮區(qū)塊套損規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析

截至2020年9月,中石化威遠(yuǎn)—榮縣區(qū)塊已完鉆并實(shí)現(xiàn)壓裂井52口，待壓裂井4口。該區(qū)塊頁(yè)巖氣儲(chǔ)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(jìn)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(shí)施，導(dǎo)致有利儲(chǔ)層無(wú)法實(shí)現(xiàn)針對(duì)性改造，被迫放棄壓裂達(dá)28段，影響了頁(yè)巖氣的產(chǎn)能建設(shè)。

對(duì)該區(qū)塊早期5口典型套變井套管變形情況統(tǒng)計(jì)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(diǎn)附近4次；B靶點(diǎn)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(yīng)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(yán)重，另一側(cè)磨損輕微的現(xiàn)象?？梢哉J(rèn)為套管發(fā)生擠壓或剪切變形，而多臂井徑測(cè)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(dòng)是導(dǎo)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(cè)井成像

龍馬溪頁(yè)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(yè)巖層和石灰?guī)r巖層中，有幾種類型的弱應(yīng)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(yīng)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(luò)的復(fù)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(kuò)展，地層壓力會(huì)發(fā)生變化，這將導(dǎo)致天然裂縫的開啟或滑移[10]。對(duì)于套管變形的井，在多級(jí)壓裂過程中通常可以監(jiān)測(cè)微震信號(hào)。威頁(yè)X- 1HF是該區(qū)塊套管變形最嚴(yán)重的井之一，圖3展示了威頁(yè)X- 1HF井在壓裂過程中的微震監(jiān)測(cè)圖。

圖3 X- 1井微地震監(jiān)測(cè)示意圖

通過以上統(tǒng)計(jì)得出，套管損壞多發(fā)生在后半段，這和壓裂中監(jiān)測(cè)到的后半段微地震信號(hào)越來越頻繁相對(duì)應(yīng)?？梢岳斫鉃槎嗉?jí)壓裂造成套管損壞變形是一個(gè)累積的過程，前面壓裂導(dǎo)致地應(yīng)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(yīng)力引起天然弱面的滑動(dòng)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(qiáng)度。當(dāng)套管進(jìn)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(dāng)橢圓度達(dá)到一定數(shù)值后，會(huì)導(dǎo)致井下工具下入遇阻[11- 12]。初步可以認(rèn)為，套管變形的主要原因是多級(jí)壓裂過程中水力裂縫的起裂與擴(kuò)展而造成的地應(yīng)力非均勻累加效應(yīng)[13]。

2 多級(jí)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(zhǎng)度500 m，共模擬5條裂縫的起裂和擴(kuò)展過程，以單裂縫代表整個(gè)壓裂段內(nèi)裂縫的擴(kuò)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(yè)巖儲(chǔ)層巖石的性質(zhì)。預(yù)置5條射孔孔道，采用擴(kuò)展有限元模擬水力裂縫的擴(kuò)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(shí)間為100 s，其他參數(shù)如表1所示。

圖4 有限元模型裂縫預(yù)置及網(wǎng)格劃分

表1 數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)

2.2 有限元模型計(jì)算結(jié)果

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

圖5 壓裂結(jié)束后地應(yīng)力分布情況

3 近井筒地應(yīng)力分布規(guī)律研究

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

圖6 節(jié)點(diǎn)及路徑選擇示意圖

圖7是壓裂過程中節(jié)點(diǎn)位置處地應(yīng)力增加值變化情況。

圖7 地應(yīng)力隨壓裂時(shí)間的變化情況

從圖7可以看出，多級(jí)裂縫擴(kuò)展過程中，井筒周圍地應(yīng)力不斷增加，作用在套管的地應(yīng)力也隨之增加。壓裂過程中，該節(jié)點(diǎn)位置處地應(yīng)力是不斷增加的，最終增加值為34.5 MPa。隨著壓裂的不斷進(jìn)行，套管所處的地應(yīng)力環(huán)境更加復(fù)雜，套管變形風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)逐級(jí)提高。

從圖8可以看出，壓裂過程中X方向近井筒位置地應(yīng)力最大值出現(xiàn)在最后一級(jí)壓裂位置，且從第二級(jí)開始，應(yīng)力越來越高，即沿井筒方向地應(yīng)力累加效果明顯。進(jìn)一步驗(yàn)證了頁(yè)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(shí)，在垂直于井筒方向，井筒附近出現(xiàn)地應(yīng)力值的波動(dòng)，且最大地應(yīng)力出現(xiàn)在井筒附近。可見多級(jí)壓裂作業(yè)可以改變井筒附近地應(yīng)力分布情況，為天然裂縫或微斷層的錯(cuò)動(dòng)提供了條件。

圖8 X方向地應(yīng)力大小分布圖

圖9 Y方向地應(yīng)力大小分布圖

4 套管變形預(yù)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(duì)于地質(zhì)因素，可采取的手段很少，只能壓裂時(shí)在一定程度上合理地避開裂縫發(fā)育區(qū)域。而對(duì)于壓裂施工參數(shù)可以人為地進(jìn)行調(diào)整，以減輕壓裂施工對(duì)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(gè)方面的作用：降低溫度—壓力耦合對(duì)套管應(yīng)力的影響；降低斷層附近壓裂時(shí)套管承受的剪應(yīng)力；降低壓裂過程中斷層滑移的可能性。當(dāng)然，前提是能夠保證壓裂施工的順利進(jìn)行。

(2)優(yōu)化段簇間距。進(jìn)一步優(yōu)化施工規(guī)模及分段長(zhǎng)度，即減小段間距，相應(yīng)地增加段長(zhǎng)，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?cái)?shù)。

(3)間歇性壓后返排。根據(jù)多級(jí)壓裂誘導(dǎo)應(yīng)力/能量積累形成高應(yīng)力區(qū)，壓裂2～3級(jí)后適當(dāng)進(jìn)行2～2.5倍井筒容積的返排，增大應(yīng)力/能量釋放，降低裂縫剪切與蠕變，降低套變風(fēng)險(xiǎn)。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

5.1 應(yīng)用平臺(tái)簡(jiǎn)介

威頁(yè)X- 4井是中石化威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)塊某平臺(tái)一口水平井，該井完鉆井深為5 546 m，造斜點(diǎn)位于3 450 m處，水平段長(zhǎng)1 500 m。該平臺(tái)前期3口井壓裂過程中都出現(xiàn)了嚴(yán)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(yè)X- 4井在壓裂設(shè)計(jì)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(jí)加厚套管(表2)，增加套管抗變形性能；采用微地震監(jiān)測(cè)裂縫擴(kuò)展、針對(duì)可能套變提出預(yù)警。

表2 威頁(yè)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(yán)防壓力、排量大幅度激動(dòng)，平穩(wěn)施工，緩解局部應(yīng)力加載過大。

(3)對(duì)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(jìn)一步加劇套管變形程度。

5.3 套變情況分析

威頁(yè)X- 4HF井實(shí)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(hào)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(diǎn)與水平段套管存在微形變致套管通過性變差，但未對(duì)壓裂施工造成嚴(yán)重影響。

5.4 試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

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?cè)蛟斐蓧毫褋G段(簇)的現(xiàn)象。該技術(shù)已在威榮、永川區(qū)塊頁(yè)巖氣水平井的壓裂作業(yè)中全面推廣。

6 結(jié)論

(1)頁(yè)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(jí)壓裂過程中套管損壞變形是一個(gè)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(jí)水力裂縫引起的地應(yīng)力的不斷累加，進(jìn)而導(dǎo)致天然裂縫剪切滑動(dòng)，天然裂縫或斷層滑動(dòng)是導(dǎo)致套管變形損壞的主要因素。

(3)多級(jí)壓裂過程中壓裂區(qū)域體積的變化對(duì)水平段近井筒地應(yīng)力影響較大；加強(qiáng)地震預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確識(shí)別天然裂縫或斷層，改造段適當(dāng)遠(yuǎn)離滑移界面可以降低套管發(fā)生剪切破壞的概率。