張慧 ，李軍 ，2，張小軍 ，張?chǎng)?，連威

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程中，水平井多級(jí)壓裂時(shí)出現(xiàn)的套管變形（簡(jiǎn)稱(chēng)套變）問(wèn)題十分嚴(yán)重，是目前亟待突破的瓶頸問(wèn)題之一[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，四川盆地長(zhǎng)寧區(qū)塊201井組和209井組的145口井，壓裂后有59口井出現(xiàn)了套變現(xiàn)象，占比40.7%；威榮區(qū)塊共壓裂74口井，其中24口井發(fā)生套變，占比32.4%。由鉛模打印和多臂井徑測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，套變多呈剪切變形形態(tài)，主要分布在套管跟端附近。但套變發(fā)生的時(shí)間具有任意性，在每級(jí)壓裂前、壓裂中，甚至壓裂后都有發(fā)生，并且套變點(diǎn)與壓裂段位置出現(xiàn)不對(duì)應(yīng)的情況，近年來(lái)該現(xiàn)象更加明顯，特別是在WY43，WY46等平臺(tái)。

對(duì)于目前已經(jīng)出現(xiàn)的頁(yè)巖氣水平井套變現(xiàn)象，采用斷層滑移導(dǎo)致套管剪切變形的機(jī)理能夠科學(xué)合理地對(duì)套變形態(tài)進(jìn)行解釋[3]。由于壓裂過(guò)程中壓裂液進(jìn)入斷層，孔隙壓力增加，當(dāng)達(dá)到臨界孔隙壓力擾動(dòng)值時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷層滑移。斷層發(fā)育是套變的內(nèi)因，水力壓裂是套變的外因[4-5]。但是，大多數(shù)研究都集中在壓裂過(guò)程中的流體壓力擴(kuò)散規(guī)律上[6-7]，而忽視了壓裂液進(jìn)入斷層的途徑。同時(shí)，與常規(guī)砂巖不同，頁(yè)巖儲(chǔ)層致密、物性差、孔喉小[8]，且設(shè)計(jì)的射孔簇通常距離斷層30 m以上，壓裂期間的壓裂液很難直接進(jìn)入斷層。

因此，本文基于斷層滑移機(jī)理，結(jié)合套變點(diǎn)與壓裂段位置的不對(duì)應(yīng)性，重點(diǎn)關(guān)注非壓裂區(qū)出現(xiàn)的微地震信號(hào)，總結(jié)了壓裂液進(jìn)入斷層的3種主要途徑——水泥環(huán)微環(huán)隙、近井筒天然裂縫、大尺度天然裂縫，并相應(yīng)進(jìn)行了研究，論證了套變的可能性。同時(shí)，提出了采用暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)的防控措施，避免壓裂液沿?cái)鄬訛V失，促進(jìn)水力裂縫均勻擴(kuò)展，保護(hù)井筒的完整性。

1 套變和流體壓力擴(kuò)散關(guān)系

1.1 流體壓力擴(kuò)散途徑

逐段觀察和分析頁(yè)巖氣井壓裂過(guò)程中的微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)微地震信號(hào)有出現(xiàn)在遠(yuǎn)離壓裂區(qū)的現(xiàn)象，這可能是非壓裂段或鄰井發(fā)生套變的原因。根據(jù)流體壓力擴(kuò)散途徑，一般將壓裂液進(jìn)入斷層的情況分為3種：1）壓裂過(guò)程中，高壓壓裂液沿著水泥環(huán)微環(huán)隙竄流，并最終進(jìn)入鄰近井段相交的斷層中，導(dǎo)致斷層滑移（見(jiàn)圖1a）；2）近井地帶存在復(fù)雜天然裂縫，流體壓力沿裂縫網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散至鄰近斷層（見(jiàn)圖1b）；3）水力裂縫在擴(kuò)展過(guò)程中被大尺度天然裂縫捕獲，并將流體壓力傳遞至鄰井?dāng)鄬樱ㄒ?jiàn)圖1c）。

圖1 流體壓力擴(kuò)散途徑

N18-4井第14段最大水平地應(yīng)力方向?yàn)?09°，天然裂縫走向?yàn)?0°。受天然裂縫引導(dǎo)，水力裂縫主要沿天然裂縫方向延伸，僅在天然裂縫邊部存在少數(shù)沿最大水平地應(yīng)力方向的破裂。采用矩張量反演方法對(duì)破裂方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，66.7%的水力裂縫破裂方向在40°～80°，與天然裂縫夾角較小，僅有8.3%的水力裂縫沿最大水平地應(yīng)力方向破裂。這說(shuō)明在壓裂過(guò)程中，水力裂縫易受天然裂縫引導(dǎo)，沿天然裂縫方向延伸。

1.2 相鄰井段流體壓力擴(kuò)散現(xiàn)象

N18-6井壓裂第16段時(shí)，在起裂階段距井筒東北側(cè)約250 m處連續(xù)發(fā)生微地震事件。結(jié)合螞蟻體預(yù)測(cè)結(jié)果，綜合判斷此處疑似存在天然裂縫帶，但距離第16段較遠(yuǎn)，對(duì)壓裂施工影響較弱。壓裂第17，18段時(shí)，繼續(xù)監(jiān)測(cè)到疑似天然裂縫帶的微地震事件，事件集中在井筒東側(cè)，以向東延伸為主，微地震信號(hào)在該區(qū)域的重復(fù)程度較大。同時(shí)，在第24段附近監(jiān)測(cè)到多個(gè)能量較強(qiáng)事件，后續(xù)下橋塞時(shí)在此處遇阻。

N18-6井第16，17，18段受天然裂縫影響，在東側(cè)天然裂縫發(fā)育區(qū)重復(fù)壓裂，致使流體壓力不斷在該區(qū)域累積，觸發(fā)第24段周?chē)鷶鄬踊萍羟刑坠堋３酥?，由于流體總是由高壓向低壓擴(kuò)散，水平井壓裂由趾端向跟端推進(jìn)過(guò)程中，流體壓力在套管跟端處逐漸累積，這也是由趾端向跟端套變次數(shù)逐漸增多的原因。根據(jù)長(zhǎng)寧區(qū)塊套變位置統(tǒng)計(jì)情況，套變點(diǎn)數(shù)量由趾端向跟端存在增加趨勢(shì)，絕大部分的套變（64.9%）發(fā)生在壓裂段中后部，跟端處A靶點(diǎn)附近套變點(diǎn)數(shù)量最多，占37.8%。

1.3 鄰井壓力擴(kuò)散現(xiàn)象

頁(yè)巖氣水平井采用拉鏈?zhǔn)綁毫炎鳂I(yè)模式，井間距一般為300～400 m。壓裂過(guò)程中，流體壓力通過(guò)大尺度天然裂縫傳遞到鄰井，產(chǎn)生井間干擾，導(dǎo)致鄰井?dāng)鄬踊?。這可以用來(lái)解釋部分井還未壓裂便出現(xiàn)套變的現(xiàn)象。例如，WY43-6井首段壓裂后卻在4 020～4 026 m套變（A靶點(diǎn)4 010 m），該套變點(diǎn)距WY43-5井A靶點(diǎn)398.94 m，可能是WY43-5井靠近A靶點(diǎn)井段壓裂導(dǎo)致的。

2 固井質(zhì)量對(duì)流體壓力擴(kuò)散的影響

頁(yè)巖氣井多級(jí)壓裂過(guò)程中，井筒溫度和內(nèi)壓處于頻繁升高和降低狀態(tài)。本文采用水泥環(huán)長(zhǎng)效密封能力全尺寸評(píng)價(jià)裝置，開(kāi)展循環(huán)加卸載作用下水泥環(huán)微環(huán)隙演變實(shí)驗(yàn)。在30 MPa圍壓下，循環(huán)載荷上限為20 MPa，下限為 10 MPa，加卸載速率為 0.5 kN/s，共循環(huán)20次。

首次加載時(shí)，應(yīng)變-應(yīng)力曲線近似呈線性增長(zhǎng)，加載到20 MPa后，應(yīng)力卸載到10 MPa，又再次加載到20 MPa，卸載和再加載曲線形成“滯回環(huán)”。每次加載產(chǎn)生的應(yīng)變大于卸載恢復(fù)的應(yīng)變，因此曲線向右移動(dòng)，累積塑性應(yīng)變不斷增加[9-10]。由于套管、水泥環(huán)、地層的彈性模量不同，三者變形會(huì)出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的情況，導(dǎo)致固井第一、二膠結(jié)面處產(chǎn)生微環(huán)隙[11]。

此外，水泥石在井下高溫高壓下會(huì)產(chǎn)生微裂紋，這是以往研究套變所忽略的。對(duì)按井下高溫高壓條件養(yǎng)護(hù)7 d的Y1水泥石進(jìn)行CT掃描，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：水泥石中存在3條微裂縫，發(fā)育大、中孔洞，孔洞直徑分布在0.12～2.38 mm，主要形狀為球體（見(jiàn)圖2）。壓裂過(guò)程中，高壓壓裂液由裂隙處加劇水泥環(huán)的破壞，破壞形成的縱向裂縫和微環(huán)隙成為壓裂液向斷層濾失的有利通道，從而觸發(fā)相鄰壓裂段斷層滑移剪切套管。

圖2 Y1水泥石的CT掃描結(jié)果

3 流體壓力沿近井筒天然裂縫擴(kuò)散現(xiàn)象

斯通利波衰減法是儲(chǔ)層裂縫定量評(píng)價(jià)的重要方法[12]。利用斯通利波可以識(shí)別井段細(xì)微天然裂縫的分布。壓裂過(guò)程中水力裂縫溝通細(xì)微天然裂縫，在井筒周?chē)纬闪藦?fù)雜的立體裂縫網(wǎng)絡(luò)，流體壓力沿裂縫網(wǎng)絡(luò)向相鄰井段擴(kuò)散。

N18-6井第16，17，18段正處于斯通利波能量衰減段，采用相應(yīng)的壓裂數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1），建立流體壓力擴(kuò)散模型（見(jiàn)圖3，其中σv，σh分別為垂直地應(yīng)力、最小水平地應(yīng)力），采用Cohesive單元法，研究流體壓力沿近井筒天然裂縫的擴(kuò)散規(guī)律。

表1 N18-6井第16，17，18段壓裂數(shù)據(jù)

該處地層表現(xiàn)為走滑斷層應(yīng)力特征，最大水平地應(yīng)力、最小水平地應(yīng)力、垂直地應(yīng)力分別為63.89，48.45，55.24 MPa，孔隙壓力為42.69 MPa，天然裂縫與第24段斷層交于B點(diǎn)。采用斷層滑移風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法[13-14]，計(jì)算得到第24段斷層的臨界孔隙壓力擾動(dòng)值（5 MPa左右）。當(dāng)水力壓裂誘發(fā)的孔隙壓力擾動(dòng)值高于該值時(shí)，斷層滑移的可能性較大。

圖3 流體壓力擴(kuò)散模型示意

圖4為壓裂第16，17，18段時(shí)B點(diǎn)孔隙壓力擾動(dòng)值的變化規(guī)律。在壓裂第16段期間，水力裂縫尖端遇天然裂縫，發(fā)生水力裂縫轉(zhuǎn)向或突破天然裂縫，使得近井筒細(xì)微天然裂縫相互連通，形成沿天然裂縫方向擴(kuò)展的裂縫網(wǎng)絡(luò)。但由于第16段與第24段斷層的距離較遠(yuǎn)，B點(diǎn)孔隙壓力擾動(dòng)值僅為1.04 MPa，影響較小。壓裂第17，18段時(shí)，沿壓裂第16段時(shí)形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)擴(kuò)展，在靠近第24段的區(qū)域造成重復(fù)壓裂，B點(diǎn)的孔隙壓力進(jìn)一步累積。

圖4 B點(diǎn)孔隙壓力擾動(dòng)值的變化規(guī)律

通過(guò)計(jì)算，壓裂第17段時(shí)，B點(diǎn)的孔隙壓力擾動(dòng)值為2.73 MPa，斷層滑移概率為31%，處于中風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)；壓裂第18段時(shí)，B點(diǎn)的孔隙壓力擾動(dòng)值為7.23 MPa，斷層滑移概率為92%，處于高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，此時(shí)易發(fā)生斷層滑移。與計(jì)算的概率對(duì)應(yīng)，實(shí)際工況下第24段確實(shí)發(fā)生了套變，下橋塞時(shí)在此處遇阻。

4 大尺度天然裂縫的壓裂液濾失現(xiàn)象

4.1 大尺度天然裂縫的影響

大尺度天然裂縫的平面延伸長(zhǎng)度為百米級(jí)至千米級(jí)，規(guī)模較大，但是數(shù)量較少[15]，一般可以利用三維地震資料的疊后屬性（如相干體、方差體、螞蟻體等）進(jìn)行檢測(cè)和表征[16-17]。長(zhǎng)寧區(qū)塊大尺度天然裂縫按走向大致可分為3組，即近EW走向、（N）NE走向和NNW走向，其中NE走向數(shù)量最多。裂縫以高角度縫為主，絕大多數(shù)傾角大于60°[18]。頁(yè)巖氣井鉆井過(guò)程中，水平段可能直接穿過(guò)大尺度天然裂縫，甚至出現(xiàn)同一平臺(tái)多口井穿過(guò)同一裂縫的現(xiàn)象。

大尺度天然裂縫的存在對(duì)壓裂產(chǎn)生諸多影響。水力裂縫擴(kuò)展至大尺度天然裂縫發(fā)育區(qū)，它與天然裂縫交點(diǎn)的流體壓力大于平行于天然裂縫面的正應(yīng)力和巖石抗張強(qiáng)度之和時(shí)，水力裂縫沿原方向擴(kuò)展終止，實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向[19]。由于天然裂縫滲透率較儲(chǔ)層更大，易造成壓裂液嚴(yán)重濾失，流體壓力快速沿天然裂縫傳遞至井筒遠(yuǎn)端，形成長(zhǎng)條形微地震事件點(diǎn)，大大降低了壓裂的有效改造體積。同時(shí)，由天然裂縫引導(dǎo)的流體壓力可能傳遞到鄰井，產(chǎn)生井間干擾，甚至?xí)せ钹従車(chē)鷶鄬樱瑢?dǎo)致鄰井在壓裂前發(fā)生套管剪切變形。

4.2 二維裂縫濾失模型

水力裂縫和天然裂縫內(nèi)的流體流動(dòng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)達(dá)西流動(dòng)，因此使用泊肅葉方程來(lái)描述裂縫內(nèi)的流體流動(dòng)。假設(shè)在地層中有1條縫寬為w的天然裂縫，但由于裂縫的寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裂縫的長(zhǎng)度，因此流體沿裂縫寬度方向的速度可近似為0。裂縫方向流體平均流量與壓力梯度的關(guān)系[20]為

式中：Q 為流體平均流量，cm3/s；w為裂縫寬度，μm；μ為流體黏度，mPa·s；p 為裂縫中的流體壓力，10-1MPa；l為裂縫長(zhǎng)度，cm。

達(dá)西定律中，流體平均流量與壓力梯度的關(guān)系為

式中：K 為裂縫滲透率，μm2；A 為橫截面積，cm2。

結(jié)合式（1）、（2），可得裂縫等效滲透率 Ke：

儲(chǔ)層孔隙壓力的分布規(guī)律[21]為

式中：pw為裂縫附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙壓力，Pa；p0為壓裂點(diǎn)的流體壓力，Pa；N為濾失系數(shù)，m/s1/2；L為監(jiān)測(cè)點(diǎn)到壓裂點(diǎn)的距離，m；t為壓裂時(shí)間，s。

將式（3）代入式（4），得到距離壓裂點(diǎn)L處的孔隙壓力：

在長(zhǎng)寧區(qū)塊相鄰2口水平井上分別設(shè)置距離為426 m的壓裂點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，壓裂450 min后，壓裂點(diǎn)的孔隙壓力為83.0 MPa，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙壓力為62.3 MPa，壓裂液黏度為2 mPa·s。假設(shè)裂縫寬度為0.01 mm，計(jì)算得到的濾失系數(shù)為1.18×10-2m/s1/2。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例分析

N18-6井壓裂第24段時(shí)，在N18-5井第8段附近發(fā)生了微地震事件，兩井間可能出現(xiàn)連通。N18-5井的第9段穿過(guò)1#斷層。壓裂段地層壓力為73.0 MPa，壓裂點(diǎn)到1#斷層的距離為407.9 m，持續(xù)壓裂180 min。經(jīng)計(jì)算得到，1#斷層孔隙壓力增加了11.6 MPa。采用斷層滑移風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，計(jì)算得到1#斷層的滑移概率（見(jiàn)圖5a）。在孔隙壓力擾動(dòng)值為11.6 MPa時(shí)，1#斷層的滑移概率小于5%，幾乎不會(huì)出現(xiàn)斷層滑移現(xiàn)象。該處套管實(shí)際也并未發(fā)生變形。

圖5 斷層滑移風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

N19-5井第11段附近前后3次下橋塞遇阻，套變嚴(yán)重。最大損傷出現(xiàn)在3 514.3 m處，該處最小內(nèi)徑為63.9 mm，套變量超過(guò)50 mm，縮徑嚴(yán)重。N19-6井微地震-螞蟻體綜合解釋結(jié)果顯示，該段施工可能已溝通天然裂縫，且能量集中于N19-5井2#斷層附近。該壓裂段地層壓力為88.0 MPa，壓裂點(diǎn)到2#斷層的距離為412.3 m，持續(xù)壓裂159 min。經(jīng)計(jì)算得到，2#斷層孔隙壓力增加了13.2 MPa。由圖5b可知，該孔隙壓力擾動(dòng)值下，2#斷層的滑移概率為91%。這與壓裂過(guò)程中該段頻繁出現(xiàn)套變事故相對(duì)應(yīng)。

5 暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)應(yīng)用效果

壓裂過(guò)程中，水力裂縫被小斷層或大裂縫捕獲后形成的裂縫形態(tài)單一，而非向四周擴(kuò)展形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。這可能造成壓裂改造效果欠佳，井間連通干擾，甚至導(dǎo)致斷層滑移，發(fā)生套變。一般采用避開(kāi)斷層射孔，或者減少泵壓、排量等工程措施，但是效果有限。在一定程度上，減少泵壓、排量的確降低了斷層滑移風(fēng)險(xiǎn)[22]，但同時(shí)也減少了改造體積，降低了油氣產(chǎn)量。

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)能夠減少壓裂液向斷層濾失，進(jìn)一步增加裂縫復(fù)雜程度，大幅度提高儲(chǔ)層的整體滲透率，從而提高開(kāi)采效益[23-25]。其主要原理是：通過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工曲線及井下微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，配備不同粒徑粉末和顆粒組合的暫堵劑，暫堵流動(dòng)阻力較小的主裂縫，實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向，開(kāi)啟沿不同方向擴(kuò)展的水力裂縫[26-27]。

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)的實(shí)施對(duì)水力裂縫的復(fù)雜程度具有改善作用。N4-6井第17，18段持續(xù)壓裂5 h，前后共投注暫堵劑4次。水力裂縫最初沿東南方向起裂，加入暫堵劑后，該方向微地震事件減少，暫堵劑加量繼續(xù)增大后，裂縫向四周延伸，第17，18段得到均勻改造。全過(guò)程施工排量穩(wěn)定在12 m3/min左右，壓裂過(guò)程順利進(jìn)行。

暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)也是防治井間干擾的重要措施。N18-5井第18段施工過(guò)程中，在N18-4井第22段附近監(jiān)測(cè)到大量微地震事件點(diǎn)，N18-4井井口壓力增加4.0 MPa（見(jiàn)表2）。N18-5井第19段壓裂期間事件點(diǎn)繼續(xù)在N18-4井附近延伸，并監(jiān)測(cè)到N18-5井施工壓力下降5 MPa，N18-4井口壓力增加4.0 MPa。為此，N18-5井第 20，21，22段各加入 500 kg暫堵劑，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)N18-4井井口壓力增加幅度逐漸減小，直至無(wú)明顯壓力變化，暫堵成功。

表2 N18-5井的井間干擾數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表2可以看出：投注暫堵劑前后，改造體積的變化規(guī)律尚不明確，裂縫的延伸方向僅發(fā)生少量偏移，但是井間干擾的改善效果十分顯著。

6 結(jié)論

1）基于斷層滑移機(jī)理，結(jié)合非壓裂區(qū)出現(xiàn)的微地震信號(hào)，總結(jié)了壓裂液進(jìn)入斷層的3種主要途徑——水泥環(huán)微環(huán)隙、近井筒天然裂縫、大尺度天然裂縫。

2）頁(yè)巖氣井多級(jí)壓裂過(guò)程中，流體壓力可能沿循環(huán)溫壓形成的水泥環(huán)內(nèi)部縱向裂縫和界面微環(huán)隙向其他井段擴(kuò)散。

3）水力裂縫易受天然裂縫的影響，近井筒天然裂縫引導(dǎo)水力裂縫向鄰近井段延伸，導(dǎo)致壓裂液激活該段斷層；遠(yuǎn)井區(qū)域大尺度天然裂縫捕獲水力裂縫，引起井間干擾，發(fā)生套管剪切變形。

4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工效果，暫堵轉(zhuǎn)向壓裂技術(shù)的實(shí)施緩解了壓裂液向斷層的濾失，增加了水力裂縫的復(fù)雜程度，改善了井間干擾現(xiàn)象，最終減少了套變發(fā)生。