童亨茂 劉子平 張宏祥 張 平 鄧 才 任曉海 肖坤澤 周一博

1.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院 3.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司

0 引言

從2013年底以來，中國石油天然氣集團(tuán)有限公司（以下簡稱中石油）和中國石油化工集團(tuán)有限公司（以下簡稱中石化）利用水平井壓裂技術(shù)，對我國陸上頁巖氣進(jìn)行了大規(guī)模的工業(yè)開發(fā)[1]。但在大型水力壓裂過程中，套管變形（以下簡稱套變）問題頻發(fā)，已成為制約頁巖氣開發(fā)效率和效益的卡脖子因素。

針對套變問題，中石油組織國內(nèi)外的相關(guān)單位進(jìn)行了數(shù)年的研究，從油氣工程的角度采取了多項(xiàng)措施，包括增加套管的壁厚、鋼材的等級與強(qiáng)度、改善固井質(zhì)量、完善套管程序等，但套變的嚴(yán)峻形勢一直沒有得到改變。如采用壁厚15.2 mm外加厚、鋼級Q125套管，試驗(yàn)7口井，其中仍有6口井發(fā)生了套變，套變問題依舊非常嚴(yán)重。截至2018年底，中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司（以下簡稱川慶鉆探）威遠(yuǎn)區(qū)塊套變井占比為40.9%；中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司川南地區(qū)威遠(yuǎn)區(qū)塊套變井占比為52.5%、川南地區(qū)長寧區(qū)塊套變井占比為31.9%、四川盆地周緣昭通區(qū)塊套變井占比為18%。

自2018年10月份以來，中石油改變了套變研究思路，從地質(zhì)力學(xué)的角度出發(fā)，設(shè)立兩個科技專項(xiàng)（中國石油天然氣集團(tuán)有限公司重大現(xiàn)場試驗(yàn)項(xiàng)目“頁巖氣水平井套變防范與治理技術(shù)攻關(guān)”、中國石油集團(tuán)油田技術(shù)服務(wù)有限公司科技統(tǒng)籌項(xiàng)目“頁巖氣套變預(yù)測與治理技術(shù)研究”），與中國石油大學(xué)（北京）合作，對套變問題實(shí)施聯(lián)合攻關(guān)。

通過套管變形的地質(zhì)力學(xué)機(jī)理的系統(tǒng)研究[2]，明確套管變形是現(xiàn)今構(gòu)造作用比較顯著（差異應(yīng)力較大）的地區(qū)，在頁巖氣開發(fā)大型體積壓裂過程中，誘發(fā)地層中的先存破裂（小斷層和裂縫，以下簡稱斷-裂）產(chǎn)生剪切活動造成的。為了防治頁巖氣水平井套變，筆者在簡要闡述套變地質(zhì)力學(xué)機(jī)理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用廣義剪切活動準(zhǔn)則[3]，定量分析了流體壓力對斷-裂剪切活動的控制和影響；再進(jìn)一步針對有天然裂縫發(fā)育的地層，建立流體在水力壓裂過程中流動路徑選擇（壓裂液沿壓裂縫擴(kuò)展還是天然裂縫流動）的理論模型和流動規(guī)律（不同規(guī)模、不同方向天然裂縫流量的定量控制因素），指出大裂縫是壓裂液漏失的“高速通道”；如果控制壓裂液沿大裂縫漏失，就有可能使到達(dá)目標(biāo)斷-裂面上的流體壓力處在斷-裂發(fā)生剪切滑移的臨界值之下。這樣的話，斷-裂就不會發(fā)生剪切滑移進(jìn)而引發(fā)套變。該認(rèn)識為暫堵大裂縫防治套變奠定了理論基礎(chǔ)。

按照上述理論分析，通過暫堵大裂縫，切斷或阻礙壓裂液進(jìn)入目標(biāo)斷-裂的通道，就可以控制斷-裂不發(fā)生剪切滑移或發(fā)生的滑移量較小，從而達(dá)成防治套變的目的。按照這一認(rèn)識，從2019年10月開始，川慶鉆探在四川盆地南部威遠(yuǎn)區(qū)塊開展了19井次（數(shù)據(jù)截至2020年6月份）的暫堵現(xiàn)場試驗(yàn)，套變防治效果非常顯著，套變得以有效控制，嚴(yán)峻的套變形勢得到扭轉(zhuǎn)。

我國頁巖氣開發(fā)的工業(yè)規(guī)模未來將會十分巨大，但我國的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜[4]，頁巖氣開發(fā)過程中發(fā)生套變的潛在風(fēng)險高居世界前列。筆者提出的套變防治措施在現(xiàn)場應(yīng)用取得了一定的成效，有望為頁巖氣水平井套變防治提供一種有效的方法。

1 暫堵大裂縫防治套變的理論基礎(chǔ)

套管變形后，通過24臂井徑測井可以確定變形后的形態(tài)，而套變形態(tài)分析是確定套變機(jī)理最重要的基礎(chǔ)工作。童亨茂等[2]對川慶鉆探威遠(yuǎn)區(qū)塊23口井119個套變點(diǎn)套變形態(tài)特征的分析結(jié)果表明，幾乎所有點(diǎn)（其中1個是工程因素導(dǎo)致的套管擴(kuò)張變形除外）的套變形態(tài)，均為剪切變形對套管造成的不對稱擠壓（簡稱為剪壓變形）后的橢圓形態(tài)。

在套變的形態(tài)特征系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，綜合套變其他方面特征的系統(tǒng)分析以及地質(zhì)力學(xué)機(jī)理解剖[2]，表明套管變形是在水力壓裂過程中誘發(fā)斷-裂剪切活動致使地層對套管的不對稱擠壓作用造成的結(jié)果。

剪切作用產(chǎn)生套變已有很多作者進(jìn)行了不同程度的論述[5-18]，但大部分針對非頁巖氣儲層開發(fā)和直井，并多限于定性描述。有些涉及定量描述的研究試驗(yàn)成果[9,15-20]，論述剪切活動的控制影響因素（應(yīng)力狀態(tài)、斷層的產(chǎn)狀和力學(xué)性質(zhì)、流體壓力等）的理論基礎(chǔ)多是基于均勻介質(zhì)的庫侖—摩爾準(zhǔn)則或二維應(yīng)力分析的滑動摩擦律[21]。上述基礎(chǔ)理論（庫侖—摩爾準(zhǔn)則、滑動摩擦律等）在實(shí)際應(yīng)用中具有明顯的局限性[22-23]，已有的剪切作用引起的套變分析（尤其是針對頁巖氣開發(fā)的水平井）總體還處在定性—半定量分析階段。

廣義剪切活動準(zhǔn)則[3,22-23]和廣義斷層模式[23-25]突破了均勻介質(zhì)和二維應(yīng)力狀態(tài)的局限，以該理論為基礎(chǔ)，重點(diǎn)分析流體壓力、地應(yīng)力狀態(tài)下流體選擇流動通道以及地應(yīng)力狀態(tài)下天然裂縫流動能力對剪切作用的控制。

1.1 流體壓力對套管變形影響的理論分析

上述分析表明，頁巖氣水平井開發(fā)引起的套變是在現(xiàn)今構(gòu)造作用比較顯著（現(xiàn)今構(gòu)造差異應(yīng)力較大）的地區(qū)，在水力壓裂過程中誘發(fā)斷-裂發(fā)生剪切活動造成的。而地層沿?cái)?裂面的剪切活動可以用地質(zhì)力學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的最新基礎(chǔ)理論——廣義剪切活動準(zhǔn)則進(jìn)行定量評價。

據(jù)童亨茂等[3,22-23]提出的“廣義剪切活動準(zhǔn)則”，斷-裂是否發(fā)生剪切活動決定于：①3個主應(yīng)力（σ1，σ2，σ3）的大?。ㄌ貏e是σ1-σ3的大?。?；②斷 -裂的產(chǎn)狀（斷-裂與σ1軸的夾角θ和斷-裂與σ2-σ3平面的交線與σ3軸夾角α）及其力學(xué)性質(zhì)（斷-裂的內(nèi)聚力Cw和摩擦系數(shù)μ）；以及③斷-裂面上流體壓力（p）的大小。其中因素①和②決定于目標(biāo)區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，是人類工程作用無法改變的，這里稱之為斷-裂活動的內(nèi)因；因素③是工程作用可以改變的，這里稱之為斷-裂活動的外因。若能把作用到斷-裂面上的流體壓力（p）控制在斷-裂活動的臨界值之下，斷-裂活動就可以得到控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)防套變的目的。

當(dāng)因素①和②確定時，就可以定量分析斷-裂面的活動性（fa）與作用到斷-裂面上流體壓力（p）的關(guān)系。為了能比較直觀地理解fa與p的定量關(guān)系，本文以W202井區(qū)局部應(yīng)力狀態(tài)為背景，按照參考文獻(xiàn)[2]中的式（1），編制斷-裂活動性系數(shù)（fa）與流體壓力（P）的定量關(guān)系模板（圖1）。

圖1 斷-裂活動系數(shù)與斷-裂內(nèi)流體壓力關(guān)系模板圖

相關(guān)參數(shù)取值 ：σ1=76 MPa，σ2=69 MPa，σ3=64 MPa，Cw=1 MPa，μ=0.6，φ=75°，θ為斷 -裂的傾向與最大主壓應(yīng)力σ1方向的夾角，φ為斷-裂的傾角。

從圖1可以看出，流體壓力對斷-裂活動性的影響是非線性的，流體壓力超過某一數(shù)值后，斷-裂的活動性迅速增加。如在圖1假定參數(shù)情況下，當(dāng)斷-裂面上的流體壓力達(dá)到60～70 MPa后（不同產(chǎn)狀斷-裂達(dá)到活動的臨界流體壓力值是不一致的，如θ=15°、30°、45°、60°和 75°時，臨界流體壓力分別為 71、65.9、61.9，60.4和 61.6 MPa），斷 -裂就會發(fā)生剪切滑移。

壓裂過程中作用到斷-裂面上的流體壓力p是由兩部分構(gòu)成的：原始地層壓力（p地=f地×ρ水gh，f地、ρ水和h分別是地層壓力系數(shù)、水的密度和垂向深度）和由壓裂作用引起的流體壓力增量Δp，即p=p地+Δp。該應(yīng)力狀態(tài)對應(yīng)的區(qū)域目的層（龍馬溪組一段1小層）的原始地層壓力一般介于35～45 MPa。因此，在壓裂過程中，傳遞到斷-裂面上的流體壓力增量Δp為20～25 MPa時，斷-裂就可以發(fā)生剪切滑移。也就是說，在壓裂過程中，只要把傳遞到斷-裂面的流體壓力增量Δp控制在斷-裂產(chǎn)生活動的臨界值之下，斷-裂就不會產(chǎn)生剪切滑移，就可以避免出現(xiàn)套變。

1.2 地應(yīng)力狀態(tài)下流體選擇流動通道的理論模型

由于頁巖基質(zhì)的滲透率非常低，在壓裂期間內(nèi)，壓裂液（水）在頁巖基質(zhì)中的流動（即基質(zhì)中的流體壓力傳遞）可以忽略不計(jì)。因此，在壓裂過程中，壓裂液的流動通道主要是壓裂縫（人工裂縫）和天然裂縫（包括層理縫），即壓裂液要么沿壓裂縫（高壓流體使地層擴(kuò)張破裂而產(chǎn)生，平行于最大主壓應(yīng)力方向[26]）流動，要么沿天然裂縫流動，沒有其他選擇。本文通過力學(xué)分析，建立地應(yīng)力狀態(tài)下流體選擇流動通道的理論模型。

壓裂液在壓裂縫和天然裂縫之間如何選擇流動通道本質(zhì)上是一個力學(xué)問題。形成壓裂縫的條件是流體壓力（p）能克服巖石的抗張強(qiáng)度（T）與最小主應(yīng)力（σ3）之和，即p≥T+σ3；壓裂液讓天然裂縫擴(kuò)張成為流體通道的條件是流體壓力能克服天然裂縫的黏聚力（TF，沒有充填和膠結(jié)的天然裂縫TF=0）與裂縫面上的正應(yīng)力（σn）之和，即p≥TF+σn。這樣，壓裂液流動通道的選擇問題，力學(xué)本質(zhì)上是T+σ3和TF+σn兩個值之間的比較問題 ：當(dāng)①T+σ3

應(yīng)用摩爾空間，上述關(guān)系可以得到非常直觀的表達(dá)（圖2，假定TF=0）：

1）進(jìn)入摩爾空間縱坐標(biāo)左側(cè)區(qū)域（圖2-a中的粉色區(qū)域，Ⅰ區(qū)）的天然裂縫滿足T+σ3＞TF+σn，壓裂液就會優(yōu)先沿天然裂縫運(yùn)移（圖2-b①）。越靠左側(cè)的天然裂縫，流動能力就越強(qiáng)；與最大主壓應(yīng)力平行的天然裂縫（與壓裂縫平行）流動能力最強(qiáng)。

2）位于摩爾空間縱坐標(biāo)上（圖2-a中Ⅱ區(qū)）的天然裂縫滿足T+σ3=TF+σn，壓裂液形成壓裂縫和進(jìn)入天然裂縫的概率大體相同（圖2-b②）。

3）位于摩爾空間縱坐標(biāo)右側(cè)區(qū)域（圖2-a中的黃色區(qū)域，Ⅲ區(qū)）的天然裂縫滿足T+σ3＜TF+σn，壓裂液優(yōu)先形成壓裂縫，不進(jìn)入天然裂縫（圖2-b③）。

考慮到頁巖氣開發(fā)區(qū)應(yīng)力狀態(tài)（3個主應(yīng)力的大小和方向）、天然裂縫的產(chǎn)狀及目的層巖石的抗張強(qiáng)度等都可以取得定量數(shù)據(jù)，因此，對于產(chǎn)狀確定的裂縫，T+σ3和TF+σn兩個值之間的相互關(guān)系就可以定量評價。

綜合地震、成像測井和相似露頭等資料，威遠(yuǎn)區(qū)塊主要發(fā)育NW和NE兩組裂縫，按平均方位投到摩爾空間后，均位于摩爾空間縱坐標(biāo)的左側(cè)（圖2中的綠色圓點(diǎn)），均能成為壓裂液流動的優(yōu)選通道。

圖2相關(guān)參數(shù)取值：(σ1－σ2)/(σ2－σ3) = 1.5，σ1－σ3= 14 MPa，TF= 0，T= 8 MPa。θ和φ定義同圖1，綠色圓點(diǎn)代表NE45°和NW45°走向的裂縫面。

圖2 壓裂過程中優(yōu)先開啟的天然裂縫方位（粉色區(qū)域）預(yù)測及壓裂液通道選擇示意圖

1.3 地應(yīng)力狀態(tài)下天然裂縫流動能力的影響因素

根據(jù)上述分析，地應(yīng)力狀態(tài)確定的情況下，流體是否選擇在天然裂縫中流動主要與裂縫的產(chǎn)狀有關(guān)（裂縫面上的黏聚力一般不予考慮，即TF= 0）。而裂縫潛在的流動能力主要與裂縫的規(guī)模有關(guān)[26]。

Zoback[26]通過長期的研究，建立了Ⅰ型裂縫（與最小主壓應(yīng)力垂直的張裂縫）流動能力的定量表達(dá)式：

式中Q表示壓力梯度引起的流量，m3/s；η表示流體黏度，Pa·s；pf表示裂縫中的流體壓力，Pa；v表示泊松比；E表示巖石的楊氏模量，Pa；L表示垂直于流動方向的裂縫長度，m；表示壓力梯度，Pa/m。

在地應(yīng)力狀態(tài)下，對于其他方向的裂縫，除了作用在裂縫面上的正應(yīng)力（σn）與Ⅰ型裂縫（σ3）不一樣以外，其他條件是一致的。這樣，按式（1），可以得到任意方向天然裂縫流動能力的表達(dá)式。

從上面的分析可以看出，裂縫的規(guī)模是影響其流動能力的主導(dǎo)因素（如同樣條件下，高度100 m裂縫的流動能力分別是高度為10 m和1 m的103倍和106倍）。這樣，滿足T+σ3＞TF+σn（在圖2摩爾空間粉色區(qū)域，Ⅰ區(qū)）條件的大裂縫具有極強(qiáng)的流動能力，在壓裂過程中，容易成為壓裂液的高速流動（漏失）通道。

2 威遠(yuǎn)區(qū)塊現(xiàn)場試驗(yàn)及成效

根據(jù)前面的分析，頁巖氣水平井注水開發(fā)引起的套變，是在水力壓裂過程中，流體壓力傳遞到斷-裂面上，誘發(fā)其產(chǎn)生剪切活動，并作用到套管上使其發(fā)生變形的結(jié)果。這樣，在壓裂過程中，只要把傳遞到斷-裂面上的流體壓力控制在斷-裂發(fā)生剪切活動的臨界值以下，斷-裂就不會產(chǎn)生剪切滑移，套變也就不會產(chǎn)生。因此，只要切斷或阻隔壓裂液進(jìn)入目標(biāo)斷-裂的流體傳遞通道，就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)防套變的目的。上述理論分析和下述現(xiàn)場試驗(yàn)表明，暫堵大裂縫可以實(shí)現(xiàn)上述目的。

目前，暫堵工藝在頁巖氣開發(fā)中的應(yīng)用包括暫堵分段工藝和暫堵轉(zhuǎn)向工藝[27]。暫堵分段工藝主要針對已發(fā)生套管變形、分段工具下入困難的井段，已成功解決許多套變遇阻以后的壓裂問題[27-30]，但暫堵分段很難達(dá)到機(jī)械橋塞分段的準(zhǔn)確度，且施工中由于暫堵材料的可溶性，易造成相鄰井段的重復(fù)改造，影響改造效果[27]；暫堵轉(zhuǎn)向主要目的為增加縫網(wǎng)復(fù)雜程度，有效控制裂縫非均勻擴(kuò)展、避免局部地層過度改造[31-33]，但目前主要在美國應(yīng)用，國內(nèi)仍處于先導(dǎo)試驗(yàn)階段[33]。而暫堵工藝用于套變預(yù)防還沒有先例。

本章基于套變的成因機(jī)理，從理論上闡述了暫堵大裂縫防治套變的可行性。在此基礎(chǔ)上提出暫堵大裂縫預(yù)防套變的工作程序，并開展了現(xiàn)場試驗(yàn)?，F(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果達(dá)到了套變防治的預(yù)期目的。

2.1 暫堵大裂縫防治套變的可行性理論分析

在水力壓裂過程中，壓裂液（水）有兩種去向：壓裂地層中的巖石造新縫和沿天然裂縫漏失。按照前面的分析，壓裂液一旦接觸滿足T+σ3＞TF+σn條件的大裂縫（高速流動通道），壓裂液就會沿其大量漏失。漏失的壓裂液通過裂縫網(wǎng)絡(luò)傳遞到目標(biāo)斷層并積累到一定量后（p達(dá)到斷-裂活動狀態(tài)的臨界值），就會誘發(fā)斷-裂的剪切活動而引起套變。壓裂液沿天然大裂縫的大量漏失，一方面影響壓裂改造效果，另一方面還容易引起套變，因此對這種大裂縫進(jìn)行封堵意義重大。

壓裂液溝通具有高速流動能力的大裂縫后，整個壓裂段的壓裂液會優(yōu)先向其匯集，形成“漏斗”，包括井筒內(nèi)流量大的射孔，以及井筒外壓裂液高速漏失的大裂縫。

“漏斗”的形成為暫堵大裂縫創(chuàng)造了條件：壓裂液“漏斗”形成后，適時地在壓裂液中投放暫堵球和暫堵劑（復(fù)合暫堵），就可以實(shí)現(xiàn)暫堵大裂縫的目的。即，當(dāng)本段壓裂進(jìn)行到一定程度后，在壓裂液中投放一定數(shù)量的暫堵球和暫堵劑，攜帶暫堵球和暫堵劑的壓裂液在井筒時就會優(yōu)先流向與大裂縫溝通的射孔，暫堵球會去堵住形成“漏斗”的射孔，達(dá)到封堵大裂縫的目的；而攜帶暫堵劑的壓裂液通過射孔后會優(yōu)先流向形成“漏斗”的大裂縫，去封堵（或部分封堵）大裂縫（圖3）。

圖3 復(fù)合暫堵大裂縫示意圖

暫堵球封堵的一般是與該段相關(guān)的一級大裂縫（該段的大“漏斗”）；暫堵劑封堵（或部分封堵）的是次級大裂縫（該段的小“漏斗”）。

與大裂縫相關(guān)的“漏斗”被封堵（或部分封堵）后，便可以重啟正常壓裂程序。壓裂結(jié)束后，暫堵球被返排出井口，暫堵劑會被地層流體溶解而失效，不影響后續(xù)生產(chǎn)。

按照上述理論分析，通過復(fù)合暫堵去阻斷或阻隔壓裂液的高速漏失通道（暫堵大裂縫）是可行的。

2.2 暫堵現(xiàn)場試驗(yàn)的工作程序

以上述理論為基礎(chǔ)，2019年10月開始，川慶鉆探對W202和W204兩個井區(qū)分別實(shí)施復(fù)合暫堵現(xiàn)場試驗(yàn)，共19口井參與試驗(yàn)。下面以W202H15-3井為例，簡要說明暫堵現(xiàn)場試驗(yàn)的工作程序。

2.2.1 以壓裂平臺為單位，綜合識別解釋斷層和大裂縫

應(yīng)用三維地震精細(xì)解釋成果識別解釋斷層，并確定斷層的產(chǎn)狀、斷開層位、延伸長度、斷距等要素特征。但參與試驗(yàn)的平臺均無地震資料可直接識別的斷層，因此主要識別和解釋大裂縫。

綜合利用曲率、相干、螞蟻體追蹤、道積分等地震屬性分析技術(shù)，識別解釋大裂縫（包括地震亞分辨斷層），并解釋大裂縫的延伸長度、切層深度和產(chǎn)狀（傾向和傾角）（圖4、圖5），并與鉆井、測井、錄井等資料相互印證，評價其可靠程度。

圖4 W202H15平臺上半支預(yù)測套變點(diǎn)平面圖

圖5 W202H15-3井?dāng)?裂疊合綜合判據(jù)圖

斷層和大裂縫的識別和解釋，目的是構(gòu)建該平臺的斷-裂縫網(wǎng)絡(luò)體系（潛在的流體高速流動通道），并為套變風(fēng)險預(yù)測評價提供基礎(chǔ)。

2.2.2 套變風(fēng)險點(diǎn)的預(yù)測與風(fēng)險分級

斷-裂與井筒交切點(diǎn)就是預(yù)測的套變風(fēng)險點(diǎn)（由A點(diǎn)向B點(diǎn)方向順序編號），套變的風(fēng)險程度決定于斷-裂活動的風(fēng)險程度，而斷-裂活動的風(fēng)險程度決定于斷-裂的活動性和斷-裂規(guī)模。

應(yīng)用廣義剪切活動準(zhǔn)則進(jìn)行斷-裂的活動性評價：根據(jù)①斷-裂產(chǎn)狀、②平臺區(qū)應(yīng)力場參數(shù)（3個主應(yīng)力的大小和方向）、③斷-裂內(nèi)地層流體壓力值、④斷-裂的內(nèi)聚力（沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下可以取經(jīng)驗(yàn)值1.0 MPa）和摩擦系數(shù)（沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下可以取經(jīng)驗(yàn)值0.6）等參數(shù)，利用斷-裂活動性預(yù)測軟件來實(shí)現(xiàn)，評價結(jié)果（表1）包括：①平臺內(nèi)每一條斷-裂的相對潛在活動能力，②預(yù)測斷-裂發(fā)生活動的臨界流體壓力。

表1 W202H15-3井套變風(fēng)險點(diǎn)預(yù)測表

在活動性預(yù)測評價的基礎(chǔ)上，結(jié)合斷-裂的平面延伸長度，綜合評價斷-裂的風(fēng)險級別（同時確定了套變風(fēng)險點(diǎn)的風(fēng)險級別）。先按活動性系數(shù)（fa）確定斷-裂的風(fēng)險級別：①Ⅰ級，fa≥1.5；②Ⅱ級，1.0≤fa＜1.5；③Ⅲ級，fa＜1.0；再根據(jù)斷-裂的平面延伸長度調(diào)整斷-裂的風(fēng)險級別：①當(dāng)斷-裂平面延伸長度超過600 m，提高一個級別（但不超過Ⅰ級）；②當(dāng)斷-裂平面延伸長度介于300～600 m時，保持原級別；③當(dāng)斷-裂平面延伸長度小于300 m，降低一個級別（但不低于Ⅲ級）。

2.2.3 暫堵設(shè)計(jì)與措施

壓裂液與斷-裂溝通存在以下幾種方式[2]：①射孔與斷-裂面直接溝通；②壓裂縫擴(kuò)展后與斷-裂面溝通；③通過裂縫網(wǎng)絡(luò)傳遞與斷-裂面溝通（包括切割本井其他段落和鄰井的斷-裂）。

情況①出現(xiàn)后，壓裂液會迅速沿?cái)?裂面漏失，非常不利于壓裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展；情況②出現(xiàn)后，壓裂液會沿?cái)?裂面漏失，不利于壓裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展；情況③出現(xiàn)后，壓裂液會有一定程度的漏失，對壓裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展有影響。

針對上述3種情況，主要根據(jù)平臺內(nèi)的斷-裂及其風(fēng)險級別來進(jìn)行暫堵設(shè)計(jì)和實(shí)施。

1）有斷層發(fā)育的壓裂段，射孔避開斷層位置，并在壓裂的前期（用液量達(dá)到300～400 m3后）開始暫堵。

2）包含Ⅰ-Ⅱ級風(fēng)險點(diǎn)的壓裂段，本段在壓裂的中前期（用液量到500～600 m3后）開始暫堵；相鄰前后兩段，在壓裂的中期（用液量到700～800 m3后）開始暫堵。

3）包含Ⅲ級風(fēng)險點(diǎn)的壓裂段，在壓裂的中期（用液量到700～800 m3后）開始暫堵。

4）不包含套變風(fēng)險點(diǎn)的壓裂段，在壓裂的中后期（用液量到1 000～1 200 m3后）開始暫堵。不包含風(fēng)險點(diǎn)的壓裂段雖然不會在本段的壓裂初期形成“漏斗”，但隨著壓裂縫的延伸，與大裂縫溝通后也形成“漏斗”，因此，也需要暫堵。

由于地震資料預(yù)測精度的限制，套變風(fēng)險點(diǎn)的預(yù)測位置一般存在30～100 m的誤差，也可能存在大裂縫得不到識別的情況。壓裂過程中要密切觀察微地震的響應(yīng)特征，及時調(diào)整暫堵措施。

2.3 暫堵現(xiàn)場試驗(yàn)

暫堵現(xiàn)場試驗(yàn)取得了很大的成效（表2）：①19口參與現(xiàn)場試驗(yàn)的井，僅3口井發(fā)生了套變，套變率呈現(xiàn)斷崖式下降：單井套變率從以前的約50.4%下降到15.8%；②單井套變的點(diǎn)數(shù)也大幅度下降，3口套變井中，有2口僅有1處發(fā)生套變；③發(fā)生的套變點(diǎn)，套變程度顯著下降，變形程度均小于10%（小橋塞可以通過，對壓裂的影響不大），套變產(chǎn)生的丟段率從以前的4.63%下降到0；④套變發(fā)生的時間顯著推后，3口套變井，套變發(fā)生在壓裂接近結(jié)束的時間，對壓裂產(chǎn)生的影響就很小。

表2 2016年以來W202和W204井區(qū)套變情況統(tǒng)計(jì)表

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，暫堵試驗(yàn)取得了預(yù)期成效，使得頁巖氣開發(fā)嚴(yán)峻的套變形勢得到有效的扭轉(zhuǎn)，套變防治工作取得了積極成效。另一方面，暫堵試驗(yàn)取得成效，同時也驗(yàn)證了上述理論研究方向的正確性，為套變的進(jìn)一步防治工作指明了方向。

3 討論

1）大裂縫的準(zhǔn)確識別與解釋是開展暫堵工作的基礎(chǔ)。目前主要應(yīng)用曲率、相干、螞蟻體追蹤、道積分等地震屬性分析技術(shù)成果對大裂縫進(jìn)行綜合識別和解釋。通過上述技術(shù)手段，大裂縫的方位可以得到比較準(zhǔn)確的識別和解釋，但位置還存在較大的誤差，影響暫堵設(shè)計(jì)和暫堵時機(jī)的準(zhǔn)確確定。大裂縫的準(zhǔn)確識別和解釋有待進(jìn)一步攻關(guān)。

2）堵住大裂縫后，理論上就不會出現(xiàn)套變。實(shí)際上，實(shí)施暫堵后，還存在一定程度的套變，分析可能存在以下原因：①有的大裂縫沒有得到準(zhǔn)確識別；②暫堵時機(jī)沒有得到準(zhǔn)確把握；③暫堵措施封堵大裂縫的程度不夠。預(yù)期上述3方面工作的進(jìn)展，將使套變防治工作取得進(jìn)一步的成果。

4 結(jié)論

1）頁巖氣水平井注水開發(fā)引起的套變，是在水力壓裂過程中，流體壓力傳遞到斷-裂面上，誘發(fā)其產(chǎn)生剪切活動，并作用到套管上使其發(fā)生變形的結(jié)果。只要把傳遞到斷-裂面上的流體壓力控制在臨界值以下，斷-裂就不會產(chǎn)生剪切活動，套變就不會產(chǎn)生。

2）在水力壓裂過程中，壓裂液有兩種去向：壓裂地層巖石造新縫和沿天然裂縫漏失。滿足T+σ3＜TF+σn條件的大裂縫是壓裂液潛在的高速流動通道，壓裂液一旦與其接觸就會大量漏失。控制壓裂液沿大裂縫漏失，既可以防止套變，還可以改善壓裂效果。

3）暫堵大裂縫試驗(yàn)取得了預(yù)期的良好成效，暫堵大裂縫是防治頁巖氣開發(fā)套管變形的有效手段。