陳朝偉 項德貴

（ 中國石油集團工程技術研究院有限公司 ）

0 引言

四川盆地已初步建成長寧—威遠國家級頁巖氣示范區(qū)，但30%以上的水平井在壓裂過程中出現(xiàn)套管變形問題，套管變形不僅影響單井產(chǎn)量，還縮短井筒生命周期，嚴重制約著我國頁巖氣的高效開發(fā)。

針對造成頁巖氣開發(fā)套管變形的原因，許多學者開展了研究，提出了溫度應力效應[1-3]、非對稱壓裂[4-9]、固井質(zhì)量[10-15]和斷層滑動[16-30]等原因。目前，大多數(shù)學者認識到水力壓裂過程中的斷層激活可能是導致套管變形的主控因素[17-29]，這也得到了越來越多現(xiàn)場數(shù)據(jù)的驗證。這些研究認識為現(xiàn)場提供了理論指導，但套管變形仍時有發(fā)生，還缺乏解決問題的具體措施，有待于進一步研究。

本文從套管變形的機理出發(fā)，分析套管變形的防控技術。首先，基于套管變形的地質(zhì)和工程原因，建立了流體通道—斷層激活模型，揭示了套管變形機理。其次，在該模型的基礎上，從鉆井、固井、壓裂等方面提出了套管變形的防控策略，實現(xiàn)鉆前預測、壓前預防、壓裂預警和壓裂控制的一體化套管變形防控策略，為解決頁巖氣開發(fā)套管變形問題提供了依據(jù)。

1 套管變形機理

四川盆地頁巖氣開發(fā)套管變形具有三大特征，其一，具有天然裂縫/斷層相關性的套管變形點數(shù)量占套管變形總數(shù)的61.7%，這是地質(zhì)特征[16，31-32]。其二，套管變形均發(fā)生在水力壓裂期間，井底施工壓力均較大，這是工程特征[33]。其三，具有剪切特征的變形點數(shù)量占73%，這是套管變形形狀特征[34]。因此，斷層/天然裂縫是套管變形的地質(zhì)原因，水力壓裂是套管變形的工程原因。

基于套管變形的地質(zhì)和工程原因，利用斷層激活地質(zhì)力學原理，建立流體通道—斷層激活模型（圖1）。該模型包含幾個矛盾運動過程：其一，水力壓裂過程中，壓裂液通過孔眼進入地層，在井底壓力和地層閉合壓力這兩個相反的作用力的作用下，水力裂縫向地層深處不斷擴展；其二，壓裂液通過某條流體通道進入斷層/天然裂縫，造成斷層/天然裂縫內(nèi)流體壓力增加，滑動阻力減小，當滑動阻力小于斷層/天然裂縫面的剪應力時，斷層/天然裂縫發(fā)生滑動，同時伴隨著能量釋放，流體壓力降低，滑動阻力增加，達到新的平衡狀態(tài)；其三，斷層/天然裂縫滑動過程中，對穿過斷層/天然裂縫的套管施加剪切作用，引起套管變形。該模型將水力裂縫擴展、斷層被激活、斷層和套管相互作用這3 個過程聯(lián)系在一起，其中斷層被激活的過程是該模型的核心。

圖1 流體通道—斷層激活模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of fluid channel-fault activation model

流體通道—斷層激活模型揭示了壓裂時引起套管變形的發(fā)生過程和機理：壓裂液沿著某條流體通道進入斷層/天然裂縫，造成斷層/天然裂縫內(nèi)孔隙壓力增加，當達到臨界值時，激發(fā)斷層/天然裂縫滑動，造成套管變形。流體通道可以是水力裂縫、井壁通道和層理裂縫[35-36]，或者是由這幾種通道組合形成的綜合通道[37]。該模型為套管變形防控方法提供了理論依據(jù)。

2 套管變形風險預測技術

依據(jù)斷層激活地質(zhì)力學原理，斷層是否激活主要取決于地應力場的方向與大小、斷層的方位、孔隙壓力及摩擦系數(shù)等因素。通常獲取這些參數(shù)存在一定的誤差，在參數(shù)不確定的背景下，利用蒙特卡洛方法可以真實地模擬實際物理過程的優(yōu)勢，評估斷層/天然裂縫滑動概率，以此表征其滑動風險，其分析流程如下：

（1）基于高分辨率地震資料，利用最大似然體屬性方法，識別研究區(qū)內(nèi)斷層/天然裂縫分布特征；

（2）通過地質(zhì)、鉆井、測井等資料，獲取研究區(qū)內(nèi)基礎的地應力場及孔隙壓力數(shù)據(jù)；

（3）基于臨界應力斷層/天然裂縫假說原理，評估原始條件下研究區(qū)中斷層/天然裂縫力學活動狀態(tài)；

（4）基于壓裂施工資料確定研究區(qū)孔隙壓力變化規(guī)律；

（5）采用定量風險評估方法（QRA），確定研究區(qū)中斷層/天然裂縫隨地層孔隙壓力變化的滑動概率。

斷層/天然裂縫滑動風險是在考慮地層參數(shù)不確定性的基礎上，以斷層/天然裂縫滑動概率來表征的。當斷層/天然裂縫滑動概率為50%時，表明該斷層/天然裂縫處于即將滑動狀態(tài)，但是在地層參數(shù)誤差范圍內(nèi)，斷層/天然裂縫滑動風險是應力狀態(tài)中心值偏離臨界破壞線的距離所決定的，所以以摩爾圓與臨界破壞線交點為中心，將斷層/天然裂縫滑動風險劃分為3 個等級：低風險（滑動概率小于30%）、中風險（滑動概率為30%～70%）、高風險（滑動概率大于70%），如圖2 所示。

圖2 不同滑動風險斷層/天然裂縫的應力狀態(tài)Fig.2 Stress state of faults/natural fractures with various slip risks

利用該方法，評估了寧201-H1井[38]、H19平臺[39]的斷層/天然裂縫滑動風險，評估結(jié)果和現(xiàn)場實際情況吻合較好。最近利用該方法對寧209 井區(qū)進行了斷層/天然裂縫滑動風險預測，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 寧209 井區(qū)斷層/天然裂縫滑動風險預測圖Fig.3 Prediction of slip risks of faults/fractures in Ning 209 well block

3 套管變形預防技術

在斷層/天然裂縫滑動過程中，會對穿過斷層/天然裂縫的套管施加一個巨大的作用力和位移，2009—2016 年現(xiàn)場采用了提高套管鋼級和增加套管壁厚等措施，以抵抗這種外擠力。但現(xiàn)場實踐表明，提高套管鋼級和增加套管壁厚對減少套管變形的效果非常有限。為了分析影響套管變形的因素，從而尋找有效的預防方法，建立了斷塊滑動引起套管剪切變形的斷塊—水泥環(huán)—套管模型，實現(xiàn)了對斷塊滑動的數(shù)值模擬，并對套管鋼級、套管壁厚和固井水泥彈性模量等參數(shù)的影響規(guī)律進行分析[40]。

計算結(jié)果表明，當提高套管鋼級，屈服強度從655MPa 上升至965MPa 時，斷層滑動30mm 導致的套管變形量降低了1.31%；當套管壁厚從9.15mm上升至13.15mm 時，斷層滑動30mm 導致的套管變形量降低了7.47%。這說明，提高套管鋼級和壁厚對套管變形影響較小，這在理論上解釋了這兩種方法不能有效緩解套管變形的原因[40]。

在斷塊滑動量s=30mm 的情況下，當固井水泥彈性模量從10GPa 降低到5GPa 和2GPa 時，套管變形量分別減小了13.56%、41.83%（圖4）。若采用超柔性固井材料（彈性模量為0.1GPa），甚至不固井的措施（彈性模量為0.01GPa），套管變形量可控制在2mm 以內(nèi)[40]。

圖4 水泥彈性模量對套管變形量的影響[40]Fig.4 Influence of elastic modulus of cement sheath on casing deformation [40]

基于上述實踐和數(shù)值分析，為了預防套管變形，避免“硬碰硬”，應該采用“以柔克剛”的預防方法?；谠摾砟?，提出了用“低彈?！彼嗍?，即水泥石的抗壓強度在滿足要求的情況下其彈性模量盡可能低的預防套管變形方法；在高風險井段下入膨脹橡膠組合套管等特殊工具，用于吸收套管變形，保護套管。最近，先后在威遠區(qū)塊高風險區(qū)域威204H38-4 井、威204H18-5 井和威204H40-3 井開展了“高強度微珠固井”工藝現(xiàn)場試驗，目前威204H38-4 井已經(jīng)順利完成壓裂，沒有發(fā)生套管變形[41]。

4 套管變形預警技術

斷層/天然裂縫滑動過程伴隨著能量釋放，產(chǎn)生了微地震信號。對長寧H19 平臺實施微地震監(jiān)測，提取了與套管變形點相關的微地震事件點，發(fā)現(xiàn)微地震在空間和時間上具有如下特征：（1）微地震信號與井筒不對稱；（2）不同壓裂段的微地震事件點大部分重疊，呈線性分布；（3）出現(xiàn)了較多的大矩震級事件；（4）時間上，大矩震級事件點出現(xiàn)在壓裂中后期的頻率較高；（5）微地震b值（b為震級和頻度關系式中的比例系數(shù)）較小，接近于1。基于微地震信號特征和套管變形的剪切特征，這些微地震信號可以解釋為激活的斷層/天然裂縫，正是這些斷層/天然裂縫的錯動引起了套管發(fā)生剪切變形[42-43]。通過上面分析可以看出，套管變形時微地震特征很顯著，可以將其作為套管變形發(fā)生的前兆信號，作為套管變形預警的手段。

對長寧區(qū)塊的微地震數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，可分成以下3 級：高風險對應震級Mw≥-0.46，中等風險對應-1.3 ＜Mw＜-0.46，低風險對應Mw≤-1.3。同理b值也可分成3 級：高風險對應b≤1.02，中等風險對應1.02 ＜b＜1.11，低風險對應b≥1.11。將高風險、中等風險和低風險分別對應“紅、黃、綠”3個等級，建立分級預警標準（圖5）。當達到紅色級別時，停止施工；當達到黃色級別時，調(diào)整施工參數(shù)，如降低排量、減小規(guī)模，同時繼續(xù)觀察，不升級為紅色級別即可；當為綠色級別時，可繼續(xù)施工不受影響。因此，通過實時監(jiān)測微地震信號并處理分析，可實現(xiàn)套管變形預警。

圖5 基于微地震監(jiān)測的套管變形“紅黃綠燈”預警標準Fig.5 Early warning standard of “Red-Yellow-Green Light” for casing deformation based on microseismic monitoring

5 套管變形壓裂控制技術

壓裂液通過孔眼進入地層，再通過某條流體通道進入斷層/天然裂縫，流體通道不僅傳遞了壓裂液，還傳遞了流體壓力，地面施工壓力改變了斷層/天然裂縫面上的滑動阻力與剪應力之間的平衡，引起斷層/天然裂縫滑動，造成套管變形。

基于上述原理，有兩種控制套管變形的思路：第一種是優(yōu)化壓裂施工參數(shù)。為此，建立斷層滑動的水力壓裂數(shù)值模型，利用壓裂數(shù)值模擬建立壓裂施工參數(shù)與斷層激活之間的定量聯(lián)系。模擬分析的結(jié)果表明，降低排量和液量均能降低斷層激活的長度，從而能在一定程度上控制斷層滑動，進而控制套管變形。寧201 井區(qū)套管變形比例為22%，而寧209 井區(qū)采取了降排量和（或）降液量的措施后套管變形比例為13%[44]。

第二種方法是阻斷流體通道。其原理如下，當水力裂縫溝通斷層/天然裂縫后，通道內(nèi)阻力減小，縫內(nèi)凈壓力降低，井筒內(nèi)的壓裂液向其匯集，形成一條高速流動的流體通道；在壓裂液中投放一定數(shù)量的暫堵球，暫堵球根據(jù)流速進行分配，傾向于流速大的孔眼，從而堵住與斷層/天然裂縫溝通的孔眼，切斷井筒和斷層/天然裂縫的連接通道，從而控制住斷層/天然裂縫的滑動（圖6）。因此，多簇射孔+暫堵孔眼可控制排量和液量分配，是一種有效的平衡套管變形和頁巖氣產(chǎn)量之間矛盾的手段。截至2020 年底，威遠區(qū)塊28 口井采用“裂縫暫堵+長段多簇”壓裂工藝，只有4 口井發(fā)生套管變形，套管變形比例從研究前54%降低到14.3%[41]。

圖6 多簇射孔+暫堵孔眼控制套管變形示意圖Fig.6 Schematic diagram of multi-cluster perforation +temporary plugging for casing deformation controlling

6 結(jié)論

基于套管變形的地質(zhì)、工程和形狀特征，利用斷層激活地質(zhì)力學原理，建立了流體通道—斷層激活模型，從而將水力裂縫擴展、斷層/天然裂縫被激活、斷層/天然裂縫和套管相互作用3 個過程聯(lián)系了起來。

流體通道—斷層激活模型揭示了套管變形的發(fā)生過程和原因：壓裂液沿著某條流體通道進入斷層/天然裂縫，造成斷層/天然裂縫內(nèi)孔隙壓力增加，當達到臨界值時，激發(fā)斷層/天然裂縫滑動，造成套管變形。

在流體通道—斷層激活模型的基礎上，分析斷層滑動力學條件、斷層滑動和套管相互作用規(guī)律、套管變形井微地震特征、優(yōu)化壓裂施工參數(shù)和多簇射孔+暫堵孔眼工藝，形成了鉆前預測、壓前預防、壓裂預警和壓裂控制一體化套管變形防控策略。

本文研究結(jié)果能對四川盆地頁巖氣開發(fā)套管變形問題的解決提供指導，也能為其他盆地套管變形問題的研究提供參考。