張 平 何昀賓 劉子平 童亨茂 鄧 才 任曉海張宏祥 李彥超 屈 玲 付 強(qiáng) 王向陽(yáng)

1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)處 2.中國(guó)石油集團(tuán)油田技術(shù)服務(wù)公司井下技術(shù)部 3.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司頁(yè)巖氣項(xiàng)目經(jīng)理部 4.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院 5.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司非常規(guī)油氣工程研究所

0 引言

在我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)取得快速發(fā)展的同時(shí)，也伴隨著頁(yè)巖氣水平井套管變形（以下簡(jiǎn)稱套變）問(wèn)題的頻發(fā)。2011年國(guó)內(nèi)第1口頁(yè)巖氣水平井（威201-H1井）、2012年國(guó)內(nèi)第1口具有商業(yè)價(jià)值的頁(yè)巖氣水平井（寧201-H1井）都曾發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的套變。截至2018年12月底，長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)、昭通等國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)共計(jì)壓裂頁(yè)巖氣井377口井，其中套變/遇阻井達(dá)133口井，占比為35.3%。

在國(guó)外頁(yè)巖油氣開發(fā)過(guò)程中，同樣也面臨著套變的問(wèn)題?！禞ournal of Petroleum Technology》2020年第1期話題欄目指出：頁(yè)巖油氣開發(fā)套變率達(dá)20%～30%；美國(guó)Marcellus頁(yè)巖油井套變率為6.2%，阿根廷內(nèi)烏肯盆地Vaca Muerta 組頁(yè)巖氣井套變率為25%，加拿大Duvernay某區(qū)塊套變率達(dá)47%、丟段率為8.8%。

針對(duì)套管變形機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多從工程角度開展探索與研究，如壓裂時(shí)井筒溫度交變載荷、固井質(zhì)量以及套管—水泥環(huán)—地層等方面。尹虎等[1]通過(guò)水力壓裂時(shí)的熱傳導(dǎo)控制方程，探討了不同井口溫度下常規(guī)水力壓裂和大規(guī)模水力壓裂時(shí)井底溫度的變化情況，認(rèn)為大型水力壓裂時(shí)井底溫度變化對(duì)套管抗擠強(qiáng)度影響較大，并且對(duì)不同鋼級(jí)的套管抗擠強(qiáng)度的影響程度也有所不同，其中高鋼級(jí)套管的抗擠強(qiáng)度受影響較小，而低鋼級(jí)套管抗擠強(qiáng)度受影響則較大；戴強(qiáng)[2]將套變?cè)虺醪絼澐譃閺?qiáng)度削弱和外載荷變化兩種類型，并提出水泥環(huán)破壞后可能形成局部應(yīng)力集中。劉奎等[3]認(rèn)為壓裂過(guò)程的溫度應(yīng)力及由套管內(nèi)壓周期性變化導(dǎo)致的局部載荷是頁(yè)巖氣井套管變形的主要因素。張認(rèn)認(rèn)等[4]提出基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的頁(yè)巖氣井套管變形失效定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法，建立頁(yè)巖氣井套管變形失效的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，識(shí)別頁(yè)巖氣井套管變形失效最可能的因素，評(píng)估各失效場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)發(fā)生概率。Sugden等[5-7]指出固井質(zhì)量差是頁(yè)巖氣井套管損壞的主要原因，并應(yīng)用Abaqus有限元軟件，認(rèn)為水泥環(huán)缺失和套管偏心會(huì)在套管內(nèi)壁上產(chǎn)生較嚴(yán)重的應(yīng)力集中。Yin等[8]討論了壓裂前后井筒溫度變化引起的環(huán)空增壓是套管擠毀失效的重要影響因素。高利軍等[9]通過(guò)引入單位橫向位移和橢圓度來(lái)表征剪切套損中套管變形程度，提出在滑移面附近不固井能有效緩解剪切套損，但單純改變固井水泥力學(xué)性能的效果微乎其微。范明濤等[10]運(yùn)用Abaqus軟件建立了溫壓耦合下的套管—水泥環(huán)—地層受力有限元模型，認(rèn)為大排量壓裂施工中，套管應(yīng)力隨著偏心距的增加而減小，溫降對(duì)套管應(yīng)力的影響較大。

部分研究者從頁(yè)巖蠕滑、斷層剪切活動(dòng)等進(jìn)行了研究。劉港等[11-13]從受斷層影響的頁(yè)巖氣水平井套損進(jìn)行機(jī)理分析、室內(nèi)模擬試驗(yàn)和仿真模擬，得出斷層剪切活化前套管圍巖蠕滑作用產(chǎn)生的徑向擠壓力可以造成套管縮徑，在斷層處表現(xiàn)為套管的差異變形；隨著水力壓裂及頁(yè)巖氣開采過(guò)程中斷層的不斷活化，斷層產(chǎn)生的剪應(yīng)力成為套管彎曲錯(cuò)斷的主因，模擬結(jié)果與機(jī)理分析的一致性表明斷層面水平套管剪切損壞是圍巖蠕滑擠壓力和斷層活化剪切力共同作用的結(jié)果。王素玲等[14]基于Abaqus軟件平臺(tái)，在考慮流固耦合效應(yīng)的條件下，建立了標(biāo)準(zhǔn)層套管—水泥環(huán)—地層的三維力學(xué)模型，模擬了套管剪切損壞的變形過(guò)程，認(rèn)為防止頁(yè)巖層的剪切滑移可有效預(yù)防套損的發(fā)生，而提高套管強(qiáng)度不能從根本上解決套損問(wèn)題。陳朝偉等[15]分析了圓形斷層模型的震源參數(shù)關(guān)系建立了由斷層半徑、滑移距離、地震矩和矩震級(jí)等參數(shù)組成的數(shù)學(xué)模型，首先根據(jù)24臂井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)或通過(guò)套管變形點(diǎn)的磨鞋最大直徑來(lái)確定斷層的滑動(dòng)量（即套管變形量），然后利用該模型計(jì)算得到引起套管變形的裂縫或斷層的半徑和微地震震級(jí)。陳朝偉等[16-17]分析了套管變形與地質(zhì)特征和水力壓裂施工的相關(guān)性，表明斷層裂縫和層理發(fā)育是套管變形的內(nèi)因，水力壓裂是套管變形的外因，認(rèn)為套管變形的機(jī)理是壓裂液沿著某條通道進(jìn)入天然裂縫，使裂縫內(nèi)孔隙壓力提高，當(dāng)達(dá)到臨界值時(shí)，激發(fā)天然裂縫滑動(dòng)，進(jìn)而造成套管變形，指出了剪切變形套管占60%，呈現(xiàn)剪刀差形態(tài)。李留偉等[18]基于兩口井的24臂井徑套管變形測(cè)量、裸眼井徑、電阻率電測(cè)、鉆時(shí)及氣測(cè)錄井、固井CBL/VDL及CBL成像等資料，分析了引起套管變形位置附近地層的地質(zhì)與工程特征。蔣振源等[19]認(rèn)為斷層滑移引起的套管剪切變形是一類重要套管變形形態(tài)，引入內(nèi)徑凈減小量的概念表征套管變形程度，對(duì)套管鋼級(jí)、壁厚、固井水泥彈性模量和水泥環(huán)厚度進(jìn)行了敏感性分析，認(rèn)為增大套管鋼級(jí)、加厚套管壁厚、降低固井水泥彈性模量、增大水泥環(huán)厚度都能減輕套管變形。

中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司（以下簡(jiǎn)稱川慶鉆探）與中國(guó)石油大學(xué)（北京）通過(guò)中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“深層頁(yè)巖氣有效開采關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與試驗(yàn)”合作，在研究確定套變形態(tài)特征的基礎(chǔ)上，開展了大量的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，基本明確了套變的機(jī)理；通過(guò)在四川盆地南部川慶鉆探威遠(yuǎn)區(qū)塊的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，套變率從54%下降到14.3%，丟段率從7.8%降低到0，套變的預(yù)測(cè)、防范與治理技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。

1 套變特征的統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)2019年23口頁(yè)巖氣套變井進(jìn)行了MIT24井徑測(cè)井，解釋了119個(gè)套變點(diǎn)（段），其中202井區(qū)14口86個(gè)套變點(diǎn)（段），204井區(qū)9口33個(gè)套變點(diǎn)（段）。

1.1 套變位置與天然裂縫發(fā)育位置相關(guān)性較高

統(tǒng)計(jì)套變/遇阻位置96處，與地震預(yù)測(cè)裂縫吻合64處，平均符合率67%，其中，202井區(qū)58處中40處（符合率69%），204井區(qū)38個(gè)變形點(diǎn)24處（符合率63%）；88個(gè)實(shí)測(cè)套變位置中的56個(gè)位于斯通利波裂縫解釋段位置，占比63%；與測(cè)井遠(yuǎn)探測(cè)解釋成果比較，套變位置都在裂縫發(fā)育段。

1.2 套變點(diǎn)/遇阻點(diǎn)與固井質(zhì)量相關(guān)性不強(qiáng)

為提高水平段套管居中度、保證固井質(zhì)量，基本上每1根套管上加放一只滾柱扶正器，平均單井下入197只。通過(guò)對(duì)威遠(yuǎn)16口井72個(gè)已證實(shí)的套變點(diǎn)統(tǒng)計(jì)：67處固井質(zhì)量為優(yōu)，占比92%；5處為中。72個(gè)套變點(diǎn)固井聲幅CBL平均為8.05%，最高為23.39%。說(shuō)明固井質(zhì)量好壞與套變相關(guān)性不強(qiáng)。

1.3 套變點(diǎn)/遇阻點(diǎn)與水平段狗腿度關(guān)聯(lián)不大

2019年，72個(gè)套變點(diǎn)狗腿度平均為1.72°/30 m，小于3°/30 m共有62個(gè)點(diǎn)，占比86%。最大狗腿度5.21°/30 m（威204H41-7井），最小狗腿度1.07°/30 m（威 204H36-3井）；平均井斜 94°，最高 102.31°（威202H13-1井）、最低80.43°（威202H16-6井）。

1.4 套變點(diǎn)/遇阻點(diǎn)大多遠(yuǎn)離目標(biāo)壓裂段

套變點(diǎn)與目標(biāo)壓裂段的距離大多相距較遠(yuǎn)，平均252 m。實(shí)測(cè)16口井42個(gè)遇阻點(diǎn)，小于100 m有14個(gè)，100～500 m有22個(gè)，500～1 000 m有5個(gè)，1 000 m以上有1個(gè)（1 032 m，威202H16-6井壓完第8段后）?？梢钥闯觯鬃兾恢枚疾皇前l(fā)生在壓裂段的實(shí)際位置。

套變點(diǎn)/遇阻點(diǎn)與A點(diǎn)距離并無(wú)顯著規(guī)律，但偏入靶點(diǎn)A點(diǎn)方向壓裂段的套變點(diǎn)數(shù)量要多于靠近水平段末端的壓裂段（表1），0～700 m之間共46個(gè)變形點(diǎn)，700～1 500 m之間共28個(gè)變形點(diǎn)。

表1 套變點(diǎn)距入靶點(diǎn)A點(diǎn)的距離統(tǒng)計(jì)表

1.5 套變點(diǎn)徑向與軸向變形特征

通過(guò)MIT24井徑解釋發(fā)現(xiàn)，在套管直徑方向上平均變形量為15.8 mm，平均變形程度13.8%。整體看，內(nèi)徑變形量小于30 mm占到83%，是套變的主體。變形后內(nèi)徑大于102 mm共有30處占到42%，內(nèi)徑大于95 mm共有15處占到21%，內(nèi)徑大于86 mm共有14處占到20%，小于86 mm共有13處占到17%（圖1-a），其中威202H16-6井在井深3 459.00 m處變形內(nèi)徑最小僅為67.07 mm，變形比例達(dá)40.86%。

沿井眼軸線上看，水平上70%的套變長(zhǎng)度小于10 m（圖1-b），超過(guò)10 m長(zhǎng)度的變形段均由若干短變形段組合而成（84%小于10 m），且均與單裂縫或多裂縫剪壓變形特征相符。

圖1 徑向變形與軸向變形程度對(duì)比圖

1.6 增加套管壁厚對(duì)降低套變率效果不明顯

通過(guò)模擬計(jì)算，在沒(méi)有地層滑移，常規(guī)壁厚12.7 mm、Q125鋼級(jí)139.7 mm套管服役全過(guò)程（完井、壓裂）是安全的。有28口井在水平段采用鋼級(jí)Q125、壁厚15.2 mm的144.7 mm外加厚高韌性套管，抗剪切性能增加150%，抗外擠性能增加160%，抗內(nèi)壓性能增加115%，抗拉性能增加122%，已壓裂16口井，套變9口井，套變率56.3%，套變率仍高于未加厚套管（表2），說(shuō)明通過(guò)增加套管壁厚也無(wú)法抵御地層的剪切載荷，對(duì)降低套變效果不明顯。

表2 ?144.7 mm套管套變情況統(tǒng)計(jì)表

2 套變機(jī)理及其控制因素

通過(guò)MIT24井徑地面模擬試驗(yàn)驗(yàn)證和套變形態(tài)及方位的系統(tǒng)分析、套變大型物理模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)、威遠(yuǎn)地質(zhì)構(gòu)造分析與砂箱模擬實(shí)驗(yàn)、長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)相似露頭觀測(cè)等方面的研究工作，分析套變特征與方位、套變機(jī)理、威遠(yuǎn)構(gòu)造的形成機(jī)制等研究，取得以下認(rèn)識(shí)。

2.1 套管變形外形特征與方位特征

目前套管變形特征主要通過(guò)MIT24井徑測(cè)井來(lái)獲取。為了確定套管變形的真實(shí)特征，得到MIT24井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的正確解釋，開展了地面模擬頁(yè)巖氣水平井套管進(jìn)行測(cè)井解釋模型校正。實(shí)際套管通過(guò)人為剪切、擠壓、穿孔等模擬井下套管可能發(fā)生的損壞情況，并按90°間隔方位測(cè)量4次，模擬井下連續(xù)油管存儲(chǔ)測(cè)井以及井眼軌跡可能引起的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，按照從A點(diǎn)到B點(diǎn)、始終保持高邊方位在最上方的方式測(cè)量。通過(guò)這樣的試驗(yàn)和模型校正，得到了井徑測(cè)井準(zhǔn)確的解釋模型。按照該解釋模型對(duì)23口井119個(gè)套變點(diǎn)的形態(tài)特征和方位進(jìn)行了重新解釋，發(fā)現(xiàn)套變外形特征均呈現(xiàn)為剪切變形特征，以及在剪切段附近引起的不對(duì)稱擠壓變形，將這種變形特征簡(jiǎn)稱為“剪壓”變形（圖2）。同時(shí)，剪壓的方位主要呈近東西向，剪切滑動(dòng)的側(cè)伏角為正負(fù)30°左右（圖3）。

圖3 套變近東西向方位特征圖

結(jié)合威遠(yuǎn)地區(qū)現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向?yàn)闁|西向，說(shuō)明套變的方位與現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)方位是匹配的，套管呈現(xiàn)出的變形特征是切割套管的大裂縫和小斷層（簡(jiǎn)稱斷-裂）發(fā)生走滑活動(dòng)引起巖層對(duì)套管產(chǎn)生東西向不對(duì)稱的擠壓所致。

2.2 套變物理模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬驗(yàn)證

為了驗(yàn)證剪壓作用導(dǎo)致的套管變形，開展了套管變形的物理模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。

2.2.1 物理模擬實(shí)驗(yàn)

為了開展套管剪壓變形的物理模擬實(shí)驗(yàn)，專門研發(fā)了大型巖樣體積壓裂套變物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，用物理模型的方法模擬體積壓裂過(guò)程中套管的剪壓變形。

通過(guò)大型巖樣體積壓裂套變物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，創(chuàng)建了含弱面大型巖樣體積壓裂套變物理模擬實(shí)驗(yàn)方法，并進(jìn)行了考慮井筒完整性的全三維大尺度的壓裂套變物理模擬[12-13]。

模擬的500 mm×500 mm×500 mm露頭巖樣取自壓裂目的層龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層；模擬的含射孔孔眼套管內(nèi)徑21 mm、壁厚1.5 mm。根據(jù)相似原理分別進(jìn)行了（σv，σH，σh）=（30 MPa，20 MPa，16 MPa）（正斷層應(yīng)力狀態(tài)）、（20 MPa，30 MPa，16 MPa）（走滑地應(yīng)力狀態(tài)）、（16 MPa，30 MPa，20 MPa）（逆斷層應(yīng)力狀態(tài)）3種不同地應(yīng)力狀態(tài)；30 mL/min、90 mL/min兩種不同泵注排量；60°與45°兩種不同裂縫傾角等因素對(duì)壓裂套變影響的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，壓裂過(guò)程中水力裂縫擴(kuò)展進(jìn)入到預(yù)制的天然裂縫內(nèi)。隨著壓裂的繼續(xù)，天然裂縫內(nèi)的流體壓力達(dá)到活動(dòng)的臨界值，導(dǎo)致天然裂縫失穩(wěn)產(chǎn)生剪切滑動(dòng)而引發(fā)套管發(fā)生剪壓的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，走滑地應(yīng)力狀態(tài)下，天然裂縫發(fā)生明顯滑移；逆斷層應(yīng)力狀態(tài)下，裂縫滑移相對(duì)輕微；隨著裂縫傾角增大，滑移量明顯增大。通過(guò)該物理模擬實(shí)驗(yàn)有效還原了地下體積壓裂過(guò)程中產(chǎn)生套變的過(guò)程，揭示了壓裂致套管剪壓變形的作用機(jī)理。

2.2.2 數(shù)值模擬

利用Abaqus軟件，采用有限元方法，模擬套管在斷層剪切滑移過(guò)程中產(chǎn)生的變形過(guò)程。

模型從外到內(nèi)總共由3個(gè)部分組成，即巖石—水泥環(huán)—套管，按套管在地下的實(shí)際情況設(shè)計(jì)。模型包含長(zhǎng)度為6 m的套管，以及橫截面為1 m×1 m包裹套管的地層巖石構(gòu)成（套管、水泥環(huán)以及巖層的力學(xué)參數(shù)按實(shí)際測(cè)量結(jié)果設(shè)定）；斷層走向參考威遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)際地質(zhì)情況設(shè)計(jì)，取30°、45°、75°；斷-裂帶寬度取10 cm、20 cm、50 cm、100 cm；斷層的滑移量按一定的步長(zhǎng)線性增加，滑動(dòng)方式為走向滑移。

模擬結(jié)果表明，斷層開始滑移時(shí)，套管迅速受到巖層的不對(duì)稱擠壓（圖4）：隨著斷層滑移量的增加，套管受到的擠壓應(yīng)力不斷增加，當(dāng)斷層的滑移量達(dá)到7.5～9.0 mm時(shí)，套管達(dá)到臨界屈服強(qiáng)度（斷層的臨界滑移量與斷層的走向、斷-裂帶寬度等參數(shù)有關(guān)），并開始產(chǎn)生塑性變形；隨著斷層滑移量的進(jìn)一步增加，套管的變形程度也不斷增加。

圖4 單裂縫數(shù)值模擬剪切滑移圖

數(shù)值模擬結(jié)果表明，只要巖層的滑移量達(dá)到一定值（10～15 mm），無(wú)論何種強(qiáng)度的套管都會(huì)達(dá)到屈服強(qiáng)度而發(fā)生塑性變形。這說(shuō)明增加套管強(qiáng)度是無(wú)法解決斷-裂滑移引起的套管變形。數(shù)值模擬套管變形以后的形態(tài)與MIT24井徑測(cè)井解釋結(jié)果完全匹配。

2.2.3 交變載荷試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)外徑?139.7 mm、壁厚12.7 mm、鋼級(jí)125套管交變載荷試驗(yàn)，模擬壓裂最高施工泵壓140 MPa、停泵后套管內(nèi)最低關(guān)井壓力40 MPa（圖5），循環(huán)40次疲勞試驗(yàn)后，抗剪切強(qiáng)度降低15%、屈服強(qiáng)度降低10%、抗外擠強(qiáng)度降低10%。因此通過(guò)交變載荷試驗(yàn)套管強(qiáng)度仍然是安全的。

圖5 ?139.7×12.7 mm套管內(nèi)壓疲勞試驗(yàn)圖

2.3 套管變形地質(zhì)力學(xué)機(jī)理

通過(guò)前面的研究分析，套管變形特征主要為剪壓變形；遠(yuǎn)探測(cè)成像測(cè)井（TBDS）測(cè)井裂縫解釋也證明套變均發(fā)生在裂縫發(fā)育處；通過(guò)龍馬溪組頁(yè)巖露頭大型物模試驗(yàn)及數(shù)值模擬（圖4），驗(yàn)證了套管變形就是由于斷-裂的剪切滑移所致。

上述分析充分說(shuō)明，套管變形是在頁(yè)巖氣開發(fā)大型注水壓裂過(guò)程中誘發(fā)斷-裂剪切滑移所產(chǎn)生的，結(jié)合地質(zhì)力學(xué)的基礎(chǔ)理論——廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則[20-22]，確定套變機(jī)理為：在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)，注水壓裂時(shí)，隨著壓裂液的不斷注入，壓裂液可能進(jìn)入或溝通斷層或裂縫，引起斷-裂內(nèi)的壓力不斷增加（Δp），導(dǎo)致斷-裂面上正應(yīng)力降低，剪應(yīng)力增大，當(dāng)斷-裂面上的剪應(yīng)力大于臨界剪應(yīng)力時(shí)，斷-裂便會(huì)發(fā)生剪切滑移，從而引起套管剪壓變形。

按照童亨茂等提出的廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則，古斷-裂（F1）的投影在原地應(yīng)力狀態(tài)下位于斷-裂剪切活動(dòng)線下方，即fa＜1.0，斷-裂處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生剪切滑移，套管不會(huì)發(fā)現(xiàn)剪切變形；隨著本井或鄰井壓裂液的不斷注入，流體壓力通過(guò)裂縫縫網(wǎng)傳遞到斷-裂位置，引起斷-裂的正應(yīng)力降低，摩爾空間[23]逐漸左移，F(xiàn)1的投影位于斷-裂剪切活動(dòng)線上方，即fa＞1.0，斷-裂開始活動(dòng)，會(huì)發(fā)生剪切滑移，當(dāng)剪切位移量超過(guò)水泥環(huán)、套管的抗剪切強(qiáng)度后就會(huì)引起套管的剪切及擠壓變形（即剪壓變形）[24]。

在地應(yīng)力狀態(tài)（包括地層流體壓力）確定的情況下，應(yīng)用廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則，可以定量計(jì)算目標(biāo)斷-裂產(chǎn)生活動(dòng)的臨界流體壓力。

3 套變風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施及效果

3.1 套變風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

根據(jù)套變的地質(zhì)力學(xué)機(jī)理，套變是由斷-裂剪切活動(dòng)造成的，因此套變的風(fēng)險(xiǎn)決定于切過(guò)井筒斷-裂的潛在活動(dòng)能力。按照上述邏輯，通過(guò)反復(fù)實(shí)踐，形成了一套完整的套變風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)方法：①以平臺(tái)為單位，主要利用螞蟻體、同相軸、道積分、振幅及相位等地震屬性綜合識(shí)別解釋平臺(tái)區(qū)內(nèi)的斷-裂；②根據(jù)3個(gè)主應(yīng)力的大小和方向、斷-裂產(chǎn)狀（傾向和傾角）和力學(xué)參數(shù)（斷-裂內(nèi)聚力CF、摩擦系數(shù)μF），按照廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則，計(jì)算斷-裂活動(dòng)性系數(shù)；③綜合斷-裂活動(dòng)性系數(shù)和斷-裂規(guī)模（斷層在平面上的延伸長(zhǎng)度）這兩個(gè)參數(shù)，確定整個(gè)平臺(tái)內(nèi)所有斷-裂的活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別；④確定平臺(tái)內(nèi)所有井的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別：井筒與斷-裂相交的點(diǎn)即為該井的套變風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別由斷-裂活動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別決定；⑤根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，提出優(yōu)化壓裂順序以及壓裂設(shè)計(jì)中擬提前采取措施的建議。

3.2 套變預(yù)防措施

考慮到斷-裂的分布、產(chǎn)狀、規(guī)模及力學(xué)參數(shù)，地應(yīng)力狀態(tài)等地質(zhì)因素是我們無(wú)法改變和控制的，而在壓裂過(guò)程中控制和降低斷-裂內(nèi)的流體壓力增量（Δp）減輕斷-裂的活動(dòng)性，以及通過(guò)改善水泥環(huán)性能減輕地層滑移對(duì)套管的剪切程度，在一定程度上是可以實(shí)現(xiàn)的。

為此，威遠(yuǎn)區(qū)塊主要采用堵塞溝通目標(biāo)斷-裂的通道或者降低目標(biāo)斷-裂內(nèi)的Δp、避免激活斷-裂發(fā)生剪切活動(dòng)或降低斷-裂的剪切活動(dòng)量，從而達(dá)到套變防治的目的。在威遠(yuǎn)區(qū)塊28井次（表3）開展了“裂縫暫堵＋長(zhǎng)段多簇”工藝的防套變措施，具體包括：①在壓裂過(guò)程中采取暫堵的方式，堵塞天然裂縫通道，降低通道內(nèi)的Δp；②采取長(zhǎng)段多簇的壓裂設(shè)計(jì)方式，降低縫端凈壓力、減少溝通天然大裂縫概率和Δp；③采用降低壓裂規(guī)模、壓力釋放（返排）等方法，達(dá)到降低斷-裂內(nèi)的Δp的目的。

由于套管外面有水泥環(huán)，斷-裂的剪壓作用是通過(guò)水泥環(huán)作用到套管上，因此，可以采取加厚水泥環(huán)厚度、增加水泥環(huán)韌性、降低水泥環(huán)彈性模量、加入高強(qiáng)度微珠固井等方式吸收斷-裂的剪切位移量，可以減輕套管的變形程度。同時(shí)，提高套管的韌性也可以產(chǎn)生一定的作用。在威遠(yuǎn)區(qū)塊，先后在威204H38-4井、威204H18-5井、威204H40-3井開展了“高強(qiáng)度微珠固井”工藝的防套變措施，這3口井都是位于套變高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的高風(fēng)險(xiǎn)井，相比同平臺(tái)將降低壁厚為12.7 mm的套管，目前威204H38-4井已經(jīng)順利完成壓裂，沒(méi)有發(fā)生套變。

截至2020年12月31日底，在威遠(yuǎn)川慶區(qū)塊采用“裂縫暫堵＋長(zhǎng)段多簇”壓裂工藝，通過(guò)28口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，減輕了斷/裂的活動(dòng)性，其中4口發(fā)生套變（表3），套變率從研究前的54%降低到14.3%，丟段率從研究前的7.8%降低到0。套變程度大幅降低、單井套變點(diǎn)數(shù)大幅降低；套變發(fā)生時(shí)間大幅推遲，沒(méi)有對(duì)壓裂整體進(jìn)展造成影響；壓裂時(shí)效平均從1.47段/d提高到2.0段/d，提升了36%。

表3 威遠(yuǎn)區(qū)塊“裂縫暫堵＋長(zhǎng)段多簇” 壓裂工藝試驗(yàn)井應(yīng)用情況表

4 結(jié)論

1）斷-裂發(fā)生剪切滑移是頁(yè)巖氣水平井套管變形的主要原因。

2）威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣套管變形的外形特征呈剪壓變形特征，變形的方位為近東西向，即與現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)的最大水平主應(yīng)力方向一致。套變機(jī)理為：在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)，壓裂時(shí)，隨著壓裂液的不斷注入，壓裂液可能進(jìn)入或溝通斷層或裂縫，引起斷-裂內(nèi)的壓力（Δp）不斷增加，導(dǎo)致斷-裂面的正應(yīng)力降低，從而激活斷-裂發(fā)生剪切滑移，引起套管剪壓變形。

3）套變風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)主要尋找穿過(guò)井筒的斷-裂，斷-裂的活動(dòng)性可以通過(guò)廣義剪切活動(dòng)準(zhǔn)則進(jìn)行定量評(píng)估。

4）應(yīng)立足全平臺(tái)（及鄰平臺(tái)）綜合施策，優(yōu)化拉鏈壓裂順序，在套變風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)壓裂前應(yīng)提前采取“裂縫暫堵＋長(zhǎng)段多簇”、降低壓裂規(guī)模、適當(dāng)釋放井筒壓力等手段降低斷-裂的活動(dòng)性。

5）在套變風(fēng)險(xiǎn)區(qū)固井時(shí)，可以采用降低水泥環(huán)彈性模量、加入高強(qiáng)度微珠固井等方式吸收地層位移量，減輕剪切滑移對(duì)套管的變形程度。