流体通道形成机理及在四川页岩气套管变形分析中的应用

张华礼， 陈朝伟， 石 林， 项德贵， 王思敏， 王 倩， 周 浪

(1西南油气田分公司工程技术研究院 2中国石油集团钻井工程技术研究院)

四川威远-长宁页岩气区块在开采过程中，套管变形问题突出。2009～2015年底间，共压裂101口井(其中水平井90口)。在压裂期间有32口井出现了不同程度的套管变形，套管变形率达到32%，套管变形点达47个，导致桥塞无法坐封到位，放弃压裂110段。这不仅增加了施工成本和难度，更会影响压裂段数，造成单井产量低、井生命周期短等问题，从而影响页岩气开发整体经济效益。

很多学者在页岩气套管变形上做出研究，王永亮等建立有限元模型计算套管的受力情况，认为套管的拐点(竖直井和水平井交点)附近的应力比套管其他位置及周围围岩大，并且有不断累积、变大的趋势，以此推断水力压裂是导致套管损坏的主要因素[1]。蒋可等人利用数值模拟，分析固井时水泥环缺失、套管偏心以及井径变化对套管应力强度的影响，得出当套管偏心且水泥环缺失时，会极大增加套管损坏的风险[2]。戴强等从页岩气试油完井作业特点入手，初步分析了生产套管损坏的原因，认为套管疲劳、套管损伤以及套管外载荷变化，都会对套管强度产生影响，造成套管变形[3]。于浩等人通过建立地层-水泥环-套管的三维有限元模型，分析压裂后套管的应力及变形分布，认为套管失效原因在于压裂后地层压实和错动，套管在轴向力、外挤力和剪切力的综合作用下发生挤压、剪切破坏[4]。练章华等对包含射孔段套管的压裂改造页岩地层进行了有限元分析，认为在体积压裂的过程中会出现拉应力区和零应力区，这会造成射孔段套管“悬空”并导致套管发生弯曲变形和轴向S形变形[5]。以上的学者都对套管变形的原因做出了分析，但套管变形问题依然没有完全解决，还需要不断深入的研究。

本文针对四川威远-长宁页岩气区块出现的套管变形问题，首先提出了压裂液沿着某条通道进入断层，激活断层从而造成套管变形的机理。其次，用地质力学理论和方法分析了井壁通道和页岩层理通道的形成条件。最后，结合具体的一口套管变形井的实例，说明井壁通道和页岩层理通道在现场施工条件下是可能存在的，从而间接地证明了这种套管变形机理的可能性。

一、套管变形机理分析

长宁-威远3口井实施了24臂套管成像测井，测井结果证实套管变形为剪切变形。威远-长宁区块断层/裂缝、层理和套管变形点的相关性统计表明，具有断层/裂缝及岩性界面/层理相关性的套管变形点占套管变形点总数的61.7%，这说明了断层/裂缝和层理是套管变形的内在因素，触发断层滑动需要增加断层内的孔隙压力，而孔隙压力的增加意味着流体的增多[6]，因此，外来流体是断层/裂缝滑动的外在条件。套管变形均发生在水力压裂过程中，对套管变形数据和压裂数据进行统计分析发现，套管变形点距最近射孔点的距离大部分都超过了50 m，有的点甚至超过了300 m。射孔点(压裂液入口)距离套管变形点(断层处)较远，因此，射孔点和变形点需要流体通道，比如井壁通道、水力裂缝和地层的层理通道等。水力裂缝很容易理解，下面对水平井井壁通道和地层的层理通道的形成条件做分析，并通过实例来说明通道存在的可能性。

二、井壁通道的形成条件

页岩气水平井井眼一般是沿着水平最小地应力方向，这样产生的水力裂缝垂直于最小地应力，更有利于形成缝网。但同时井壁上还会形成轴向裂缝，下面做简单的说明。

地应力(上覆岩层压力Sv、水平最大地应力SH和水平最小地应力Sh)是井壁应力的基本来源。钻开井眼后，井壁还受到钻井液液柱压力的作用，在液柱压力和地应力的联合作用下，水平井井壁的有效应力分量为(在井眼圆柱坐标系)[7]：

σrr=Δp=pm-pp

σθθ=Sv+SHsin2α+Shcos2α-2(Sv-SHsin2α-Shcos2α)cos2θ-2pp-Δp

σzz=SHcos2α+Shsin2α-2v(Sv-SHsin2α-Shcos2α)cos2θ-pp

σθz=-2(SH-Sh)sinαcosαcosθ

(1)

式中：σrr—径向应力；σθθ—周向应力；σzz—井眼轴向应力；σθz—剪应力；pm—液体井底压力；pp—地层孔隙压力；α—井眼轴线方位与最大水平地应力方位的夹角；θ—井壁径向方向与井壁低边偏离的角度；v—地层岩石的泊松比。

当α=π/2时，得水平最小地应力方向的井眼的井壁周向应力分量：

σθθ=Sv+SH-2(Sv-SH)cos2θ-pp-pm

(2)

式(2)的最小值与应力模式有关。在正断层应力模式(Sv>SH>Sh)，取θ=0，π时，得井壁周向应力的最小值：

σθθ=3SH-Sv-pp-pm

(3)

在走滑断层应力模式(SH>Sv>Sh)或逆断层应力模式(SH>Sh>Sv)时，取θ=π/2、3π/2，得井壁周向应力的最小值：

σθθ=3Sv-SH-pp-pm

(4)

随着井底压力的增加，井壁环向应力线性减小，当满足σθθ<0时，在井壁上产生沿着井眼轴向方向的诱导裂缝。由式(3)得：

pm>3SH-Sv-pp

(5)

在井壁的上方和下方产生轴向裂缝。由式(4)得：

pm>3Sv-SH-pp

(6)

在该条件下，在井壁的水平两侧产生轴向裂缝。

Lecampion等[8]利用线弹性断裂力学研究了轴向裂缝和横向裂缝的竞争关系，结果表明，在大多数情况下，井壁上优先形成轴向裂缝。

页岩气压裂时通常采用较高的泵压，因此在井壁上形成轴向裂缝，在泵入支撑剂后，将形成永久的流体通道。

三、页岩层理通道的形成条件

通常页岩层理极其发育，水力裂缝遇到页岩层理时，水力裂缝可能受到阻止或发生偏移，也有可能开启层理[9]。设水力裂缝与层理面的夹角为β，则层理面上的法向应力为：

(7)

当水力裂缝与层理刚刚沟通时，交点处的压力表示为pi(0)，则层理张开的条件为[10]：

pi(0)>σn

(8)

随着层理张开，液体滤失量提高，在平衡之后，净压力增加。随着压力的增加，可能会出现3种扩展模式。

第一种情况见图1(a)，在交点处，水力裂缝沿着原方向继续扩展，此时的压力需满足[11]：

pi(t)>σh+T0,i

(9)

其中将水力裂缝与层理沟通时的压力定义为pi(t)，T0,i为交叉点处层理的断裂韧性。在交叉点处缝内的压力最大时，通常会发生这种情况。

第二种情况见图1(b)，随着压力的增加，层理不断向外扩展，需要满足：

pi(t)>σn+To,tip+Δpnf

(10)

式中:To,tip—层理压裂液前端的断裂韧性；Δpnf—交叉点到压裂液前端的压降。

这种扩展模式要求沿程摩阻远比交叉点的断裂韧性小，这样才能克服压差的损耗。

第三种情况见图1(c)，沿着层理扩展到某点后，在垂直于最小主应力的方向形成新的水力裂缝，这种情况可能是该点存在微裂缝。这要求：

To,l

(11)

式中：Δpl—交叉点到l点的压降。

图1 3种扩展模式

在实验室中观察到层理的这几种扩展模式。侯振坤等[12]理论和实验都充分说明，页岩气水力压裂过程中，层理可以向两侧扩展，在泵入支撑剂后，可能形成一条或者多条固定的流体通道。

四、四川页岩气套管变形实例分析

四川威远页岩气示范区W井完井井深4 370 m，垂直井深2 714.89 m，水平段长1 240 m，水平段方位N355°E。设计压裂15段，在压第10、第11段和第12段时，微震监测井筒下方数据出现异常点，在第13级压裂时，桥塞下不去，说明套管发生了变形，图2中红圈处为套变点，经测量，套变发生的位置为3 217 m。套管变形点(3 217 m)距离最近射孔位置(3 340～3 341 m)的距离为123 m。

图2 W井第11、12段压裂微震

将微震事件点在地震剖面上投影，可以清楚的看到，异常点发生在断层上，这说明在压裂过程中激活了断层，而套管变形正是由断层滑动引起的，见图3。从图2(b)可以看出，微震异常点和正常点之间是不连续的，这个现象说明水力裂缝并没有直接沟通断层。因此，断层和射孔点需要有流体通道。

图3 事件点在地震剖面上的投影

该井套管变形点附近的垂直应力当量密度Sv=65 MPa，水平最大地应力SHmax=63 MPa，水平最小地应力Shmin=50 MPa，孔隙压力pp=35 MPa，在压裂施工时，流体井底压力pm=97 MPa。从微震监测数据可以看出，水力裂缝基本上垂直于井方位，该区域属于正断层应力模式，由式(3)得周向应力σθθ=-8 MPa<0，这说明，在井壁的上下两侧能够产生沿井眼轴向方向的诱导裂缝，见图2。

值得说明的是，页岩气井下套管固井，并不是裸眼条件。压裂施工过程中，可能产生微环隙[13]。因此，在泵入支撑剂后，可能形成由微环隙和轴向裂缝共同构成的一条流体通道，见图4。

该井层理的倾角为9°，由式(7)计算水力裂缝穿过的层理面的法向应力为64 MPa，如果近井壁存在弱层理面，可以认为层理处的压力为流体井底压力(97 MPa)，由式(8)可知，层理能够张开。在水力压裂过程中，层理开启，在大排量和高施工压力的作用下，层理向前扩展，沿程摩阻不断增加，直至净压力低于层理的断裂韧性后，层理停止扩展。

图4 流体井壁通道

通过前面的分析，说明两条流体通道都是可能存在的，从而可以据此解释断层错动引起的套管变形。当然，还需要寻找更多的证据做进一步验证。

五、结论和建议

(1)提出了压裂液沿着某条通道进入断层，激活断层从而造成套管变形的机理。有三种可能的流体通道：水力裂缝、井壁通道和层理通道。

(2)页岩水力压裂过程中，井壁上通常会形成轴向裂缝，连通射孔和断层，形成井壁通道。在目前大排量高泵压的压裂施工条件下，页岩层理可能会张开，并横向扩展，可能连通断层，形成层理通道。这两种通道可以解释套管变形点距离最近射孔点较远的套管变形的情况。

(3)依据套管变形机理及流体通道的形成条件，综合考虑页岩改造提产的需求，提出了3条有针对性的措施：①加强地震资料解释，分析断层的位置和大小，优化井眼轨迹，降低套管变形几率，又能提高单井产量；②在固井质量差的井段，控制施工压力，避免井壁产生轴向裂缝；③在层理容易扩展井段，添加转向剂，改变裂缝扩展方向，既可以避免沟通断层，又可以加密裂缝网络，提高产量。