页岩气水平井开发套管变形的地质力学机理及其防治对策

童亨茂 张 平 张宏祥 刘子平 任晓海 肖坤泽 周一博 邓 才

1.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室 2.中国石油大学（北京）地球科学学院3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司

0 引言

在页岩气开发大型注水压裂过程中，很多水平井的套管发生了变形，套管变形（以下简称套变）问题严重。

据中国石油集团川庆钻探工程有限公司（以下简称川庆公司）的资料，截至2018年底，长宁—威远、昭通等区块共压裂377口井，其中套变/遇阻井133口井，占比35.3%。套变的发生严重影响了产能和压裂时效，成为制约页岩气开发的“卡脖子”因素。

针对套变问题，中国石油天然气集团有限公司组织国内外的相关单位进行了数年的研究，采取了多项措施，包括增加套管的壁厚、钢材的强度、改善固井质量、完善套管程序等，但一直没有取得预期的效果，如采用壁厚15.2 mm外加厚、钢级达125的套管，试验16口井，有9口井仍然发生套变。由于套变机理一直没有得到清晰地认识，至2018年底，套变问题依旧非常严重：川庆公司威远区块套变井占比40.9%，中国石油集团长城钻探工程有限公司（以下简称长城公司）威远区块套变井占比52.5%，长宁区块套变井占比31.9%，昭通区块套变井占比18%。解剖套变机理迫在眉睫。

笔者通过对套变特征的系统解剖，应用广义剪切活动准则[1-3]和广义断层模式[1,2,4]等地质力学和构造地质学的新理论，确定套变符合剪切变形特征，用剪切变形的机理可以科学合理地解释所有的套变现象。

剪切作用产生套变已有很多作者论述[5-20]，但主要针对直井，并多限于定性描述，少量涉及定量描述的研究成果[9,15,17,19-20]，其理论基础都是基于均匀介质的库伦准则或二维应力分析的滑动摩擦律[21]，由于上述基础理论在实际应用中具有明显的局限性[1,2]，剪切作用引起的套变分析（尤其是水平井）总体还处在定性—半定量分析阶段。而广义剪切活动准则突破了均匀介质和二维应力状态的局限，以该理论为基础，可以实现剪切作用引起套变的定量分析。

笔者在对套变特征的系统解剖、确定套变机理的基础上，应用广义剪切活动准则[3]，分析断层和裂缝（以下简称断—裂）面发生剪切变形的定量控制因素，并提出套变防治研究的宏观思路，以期为页岩气开发相关工程人员提供参考。

我国页岩气资源量巨大[16]，地质构造活动强烈[22]，一方面，页岩气在国家能源安全战略中重要性不断提升；另一方面，我国的页岩气开发潜在的套变风险高居世界前列。因此页岩气水平井开发的套变防治既有重要的经济价值，也有重要的战略意义。对于套变机理的科学解剖，为套变防治工作指明了方向，具有重要的理论意义和现实价值。

1 套变的地质力学机理

1.1 来自套变与工程质量关系的信息

川庆公司在2016年前威远地区页岩气水平井使用的套管壁厚12.7 mm、钢级Q125，压裂后套变严重。2016—2017年，在28口水平井的水平段采用了壁厚15.2 mm、钢级Q125的高韧性厚壁套管以降低套变率，但统计已完成压裂的16口水平井中，仍有9口井发生了套变，套变率达56.3%（表1），不减反增。常规工程理论及模拟实验证明，该套管抗挤安全系数在威远地区介于2.4～3.6（之前使用的常规套管抗挤安全系数介于2.1～3.1），这种套管在无地层滑移情况下是完全能够满足压裂工况的。这样就无法解释增加套管壁厚套变反而突出的问题，因而难以制订合理的工程对策措施。

表1 川庆公司厚壁套管（壁厚15.2 mm）试验统计表

川庆公司对威远16口井74个已证实的套变点的统计表明，发生套变的井段固井质量较好，而且总体存在以下趋势：固井质量越好，套变越强，其中68处套变段固井质量为优，占比91.9%，6处套变段固井质量为中，占比8.1%。

上述两方面信息为揭示套变的地质力学机理提供了重要启示。

1.2 套变的地质力学机理

1.2.1 广义剪切活动准则

笔者应用地质力学和构造地质学的基础理论——广义剪切活动准则[3]，对发现的套变现象进行力学机理解剖，发现各方面的套变特征均符合剪切变形的力学机理，表明套变是在注水压裂过程中流体（水）压力传递到地层薄弱面（断—裂面）诱发地层产生剪切滑移，引起地层对套管的不对称挤压造成的（图1）。

图1 走滑—逆断层活动造成套管剪切变形示意图

经典的岩石剪切破裂准则是Coulomb-Mohr准则和以Byerlee律为代表的滑动摩擦律。而Coulomb-Mohr准则基于均匀介质，Byerlee律适用于二维应力状态，在实际应用中存在很大的局限性。

童亨茂等[1-3]针对经典剪切破裂存在的局限，在Coulomb-Mohr准则和Byerlee律的基础上，从产生剪切破裂的物理本质出发，应用“先存构造活动性准则”和“活动趋势分析”理论[23]，提出“广义剪切活动准则”[3]。该准则可以用来定量判断在任意介质中、在任意三轴应力状态下、任意方位界面（如断层面、裂缝面、地层界面等薄弱面）发生剪切滑移的可能性，其数学表达式[3]为：

式中fa表示界面的剪切滑移趋势因子（fa＜1.0时，界面稳定；fa=1.0时，界面处于临界活动状态；fa＞1.0时，界面已经发生剪切滑移。其值越大，界面的活动能力就越强）；σ1、σ2、σ3分别表示3个主应力的大小；θ表示界面（图2中的面ABC）与σ1轴的夹角；α表示σ3轴和BC的交角（图2）；Cw表示界面的内聚力；μ表示界面的摩擦系数；p表示作用在界面上的流体压力。

广义剪切活动准则，把经典的剪切破裂准则Coulomb-Mohr准则和Byerlee律统一起来[3]见式（1）：Coulomb-Mohr准则是式（1）在均匀介质（Cw=C，C为介质内聚力）和界面临界活动状态（fa=1.0）下的特例；Byerlee律是式（1）在二维应力状态（σ2=σ3）界面临界活动状态（fa=1.0）下的特例。因此，式（1）可以对任意界面的剪切滑移进行定量描述和分析。

按照广义剪切活动准则，地层沿某一界面是否发生剪切滑移及剪切活动性的决定于：①3个主应力σ1、σ2、σ3的大小；②界面相对于主应力轴的产状（θ，α）及其力学性质（Cw，μ）；③界面上流体压力（p）的大小等3个方面参数，可以定量评价，如图3所示。其中①和②中的参数主体是由地质构造环境决定的，注水压裂可以改变的是界面上的流体压力（p）。

图3中红线和蓝线分别为θ和的等值线，θ为面的倾向与最大主压应力σ1方向的夹角，为面的倾角。薄弱面P（图中绿色圆点）对应的（θ，）值为（60°，30°），断—裂剪切活动线为其薄弱面P发生剪切活动的临界线。图中摩尔空间为走滑应力体制下绘制的，流体压力的作用使得摩尔空间向左移动，薄弱面P达到剪切活动条件。

在注水压裂过程中，当高压流体压力传递到界面上时，p值就会增加，界面的活动性就会增加。当流体压力传递到薄弱面而使其达到剪切滑移条件时（摩尔空间向左移动，使薄弱面达到剪切滑移条件（图3中的薄弱面P向左移动，与断—裂剪切活动线接触），薄弱面就会产生剪切滑移，并导致破裂扩展。随着破裂扩展，就会产生能量消耗而产生应力降（包括薄弱面上流体压力的下降），剪切滑移就会停止，除非再次达到界面剪切滑移的条件。

图3 流体压力增加导致薄弱面产生剪切滑移的机理示意图

以上分析可知，注水压裂会诱发断—裂界面的剪切滑移，引起套变，下面对发生的套变现象进行深入分析。

1.2.2 套变地质力学解释

1.2.2.1 压裂期间套变与流体压力传递的关系

W4H51平台下半支的4口井巷道间距为300 m，在压裂期间压力监测显示存在明显井间干扰现象（表2），如W4H51-6井的第2段压裂时，邻井W4H51-5井压力初值由35.12 MPa升高到38.28 MPa，压力涨幅3.16 MPa。

经统计分析，随着压裂的持续进行，套变程度及套变位置在不断地延伸，即同一口井随着压裂时间的持续，发生套变的位置（套变点数量）不断增多，套变程度不断增强。如W2H16-6井在2018年11月1日经测井测得4处套变，而在2019年2月17日的测井中测得12处套变；再如W4H39-6井的一处套变在2018年8月9日测井时套变程度为4.95%，套变长度为0.8 m，套变等级为一级，而在2018年8月18日第二次测井时套变程度增加到10.25%，套变长度为16.4 m，套变等级为三级。

通过对套变井的系统统计表明，套变点的数量向水平井A点（水平段着陆点）方向存在增加的趋势，A点附近（小于500 m）占41.9%；中间段（500～1 000 m）位置占43.2%；B点附近（大于1 000 m）占14.9%。表明绝大部分的套变（85.1%）发生压裂段中后部（表3）。

表2 W4H51平台邻井井口压力监测结果统计表

表3 井筒套变点距A点的距离分布表

W4H39-7和W4H39-8井压裂后，邻井W4H39-6还未压裂便已出现套变；W2H15和W2H16平台压裂时，后压的部分井在压裂前也出现套变。

根据广义剪切活动准则，加砂压裂作业液体进入断—裂面，或者流体压力传递到断—裂面后会改变断面处的有效正应力（有效正应力下降），使断—裂面达到临界剪切活动状态（fa=1.0）后，地层发生剪切变形而引起套变。地震资料解释和露头观测表明，页岩气开发的目的层龙马溪组发育近正交的裂缝网络，在注水压裂过程中，流体压力可以通过裂缝网络实现传递。剪切活动发生后，能量会损耗，出现应力降[24]，使断—裂面回到临界剪切活动状态之下（fa＜1.0），断—裂就停止活动。除非再有新的流体压力补充，再次使其达到重新活动的条件，如W2H16-6井多次套变。表2数据反映了随着压裂从B点附近逐渐向A点附近推进时，流体压力可以不断得到累积，套变从B点向A点推进迁移。套变点远离压裂段或邻井发生套变是流体压力沿裂缝网络传递的结果（图4）。

图4 水平井压裂过程中流体压力沿裂缝网络在不同井段间（a）和井间（b）传递示意图

1.2.2.2 微地震及套变形态指示地层剪切滑移

W2H11-4井微地震的监测结果表明，压裂时，除在井筒旁监测到微地震事件外，还在较远的区域监测到微地震事件（图5）。W2H10-4井采用深井监测得到的微地震事件震级：监测到的微地震事件总计1 107个，震级范围-2.3～2.76，该井各压裂段都有大震级事件（超过1.5）出现，大震级事件数66个，占总数的6%。其中第8段和第12段大震级事件数分别为4个和5个，分别占本段微地震事件总数的7.5%和10.9%，这两段后续出现遇阻（套变）情况。

压裂过程中压裂液不断在地层中造缝，形成扩张破裂，破坏了地层的完整性，并成为流体流动通道。这种扩张破裂引起的微地震事件点在井旁两侧近于对称分布（如W2H11-4井），其震级一般小于0级。已有研究表明，地层的剪切活动（断层活动）产生的微地震震级才可能较大（超过1.5级）[25-27]，如W2H10-4井的微地震响应。

此外，笔者对川庆公司威远区块23口井119个套变点套变形态特征进行了系统分析，结果表明，几乎所有点（其中1个是工程因素导致的套管扩张变形）的套变形态，均为剪切变形后的形态，平均变形量15.8 mm，平均变形程度13.8%，变形长度大多小于10 m。

图5 W2H11-4井微地震监测图

W4H12-2井共有8段发生套变，在24臂井径测井曲线图上的套变位置井径曲线具有明显的错动变形，套变后井筒主要以偏向椭圆形态存在（图6-a），显示不对称单侧挤压的形态，三维图上有明显的错动（图6-b）。

图6 W4H12-2井套变处的24臂井径测井解释剪切形态特征图

1.2.2.3 套变与薄弱面的关系

根据川庆公司的资料统计，发现至少有86%的套变点与薄弱面（断—裂面及岩性界面）的存在相关；其余14%没有明确的资料支撑，推测也与断—裂相关。各个平台各井套变多发生于距平台井较近断层半支，如W4H6-1井套变点就位于断层位置。

根据广义剪切活动准则，薄弱面（主要是断—裂面）内聚力小（断—裂的内聚力一般小于1.0 MPa），剪切活动趋势因子（fa）一般要大于库伦破裂面的fa，因此剪切活动更容易沿已有的断—裂发生，如W4H6-1井。

层理面虽然也是薄弱面，但在页岩气开发区，地层面的倾角一般小于10°（图1），其fa值一般很小，远小于库伦破裂面（fa值一般小于0.2），因此，在近水平地层（倾角小于10°）中进行注水压裂，不会引起剪切活动而造成套变。确实存在岩层分界面附近产生套变的情况，如N8H9-6井、N8H23-1井，但进一步的分析表明，发生套变的井段均有裂缝存在，说明套变是沿裂缝发生剪切滑移造成的。

1.2.2.4 套变与工程质量的关系

地层剪切变形引起的套变是受位移控制的，因此，无论套管的强度与厚度多大，都无法抵抗地层的剪切滑移。考虑到地层沿断—裂的剪切应变通过套管外侧水泥环传递到套管上造成剪切变形（图1），这样，固井质量越高（套管和地层的耦合程度越高），剪切变形从地层向套管的传递程度就越高，套变发生的可能性自然就越大。

2 套变的防治对策

2.1 套管剪切变形的控制因素

从前面的分析充分表明，套变是地层沿断—裂面在注水压裂过程中诱发剪切活动造成的，因此，地层剪切滑移引起的套变决定于：①断—裂是否出现剪切滑移及断—裂剪切滑移量；②套管与地层的耦合程度（固井方式）及套管的韧性度。因此，套变地质力学研究应包括4个方面，即识别可能出现活动的断—裂（套变风险点）、断—裂的潜在活动能力、断—裂的剪切滑移量、套管变形与地层剪切变形的耦合关系（固井水泥环对地层变形的传递程度）。

如前所述，页岩的层理面虽然也是薄弱面，但由于其倾角很小（四川页岩气开发区，层理的倾角一般小于7°），无论流体压力如何增加，根据广义剪切活动准则，都使其无法得到剪切滑移的条件，因此，四川页岩气开发区压裂时层理面的剪切滑移可以排除。因此，只需考虑断层和天然裂缝（即断—裂）的剪切滑移。

根据广义剪切活动准则，断—裂发生剪切滑移是由地质因素（原地应力的大小和方向、薄弱面的产状和力学性质，这里称之为内因）、工程因素（注水压裂过程中传递到薄弱面的流体压力，这里称之为外因）联合决定的，可以进行定量评价。而断—裂的剪切滑移量与其几何尺寸[24]以及附加流体压力的持续程度有关[13,17]。概括起来，控制断—裂的剪切活动性及滑移量的因素包括：①现今原地应力场；②断—裂的产状和规模；③注水压裂过程中传递到断—裂面上的流体压力及其持续程度等。

地层沿断—裂发生剪切变形后，断—裂面两侧地层对套管的不对称挤压是通过固井的水泥环作用到套管上，使套管产生的变形，套管的变形量和水泥环吸收的变形量之和等于地层的剪切应变量。因此，套管的变形量等于地层的剪切应变量减去水泥环吸收的变形量。在地层剪切应变量不变的情况下，水泥环吸收的应变量越大，套变量就越小。

上述套变的控制因素分析，为套变防治提供了理论基础。

2.2 套管剪切变形防治对策

上述控制因素分析表明，页岩气开发套管发生剪切变形的控制因素包括：①现今原地应力场（3个主应力σ1、σ2、σ3的大小和方向）；②薄弱面（主要是断—裂面）的产状（θ，α）和力学性质（Cw，μ）及几何尺寸；③薄弱面上流体压力的大小及其持续程度；④水泥环对剪切变形的吸收能力等4个方面，其中①和②是地质因素，是引起套变的内因，③是工程因素，是引起套变的外因。由于剪切变形引起的套变受控于地层的剪切位移，不受套管工程力学参数的控制，因此，套管剪切变形的防治需要围绕上述地质力学因素、压裂施工参数和固井材料等方面展开。

2.2.1 提升现今原地应力场测量分析的精度

现今原地应力场测量分析包括测定目的层在不同区域的3个主应力的大小和方向。考虑到盆地区内的地应力一般属于Anderson应力状态（3个主应力中有一个是直立的，另外两个水平），竖直方向的主应力比较容易确定（σv=ρgh），因此，确定两个水平主应力（σH，σh）的大小和方向是重点工作。

水平主应力方向的测定方法主要有：①直井的井壁崩落测井法；②诱导裂缝成像测井法；③快慢波测井法等[28]，其中方法②精度相对较高。

水平主应力大小的测定方法主要有：①应力解除法；②微压裂法；③测井解释法。其中方法①主要针对浅层，而且测量难度很大，一般很少采用，目前主要应用方法②和③测定水平主应力大小。由于测井解释法数据丰富，使用比较方便，因此比较常用，但往往存在较大的误差；方法②精度较高，但需要用直井作专门的测定。考虑到方法②精度比较高，在一个地区测量若干井是十分必要的。

笔者发现，现今地应力测量经常出现误区，把古应力和现今应力混淆在一起，如应用岩石的凯瑟效应法和差应变法用来测定现今应力的大小[16]，这是需要特别注意的。

2.2.2 提高小断层—大裂缝的识别解释精度

在页岩气开发区，由于层理面一般没有剪切滑移风险，薄弱面主要考虑断—裂。

由于断—裂的剪切滑移量与其几何尺寸（如断—裂的延伸长度）成正比，中、小裂缝（延伸长度在数十米以内）虽然也可能存在较强的剪切活动性，但其剪切滑移量十分有限，不存在套变的风险。因此，断层和大裂缝（延伸长度超过百米）是重点考虑的对象。

小断层（断距在10 m以内）和大裂缝在地震资料上的识别和解释是目前还没有很好解决的世界性难题。目前采用的分析预测手段包括蚂蚁体、相干体、曲率、对称性等地震属性分析，虽然取得一定的效果，但离准确预测的目标还有很大的距离。成像测井虽然能很准确地检测井筒上出现的裂缝，但无法确定裂缝的规模。这是需要进一步攻关的课题。

断—裂的力学性质分析包括测定其内聚力（Cw）和摩擦系数（μ），可以通过实验测试获得。

2.2.3 探索压裂过程中断—裂面上流体压力的分布特征和演化规律

断—裂面上流体压力的增加是压裂过程中流体压力传递到断—裂面上造成的。根据本文的研究分析，压裂过程中，流体压力传递到断—裂面存在4种方式（图4）。

压裂过程中，传递到目标断—裂面上流体压力的大小目前是通过数值模拟计算来实现的[29]，但前提也是需要确定流体传递的裂缝网络。由于目前流体传递数值模拟的模型是理想化的（如裂缝宽度是设定的），传递到目标断—裂面上的流体压力很难准确获得，这也是一个没有很好解决的世界性难题，需要进一步地探索和攻关。

2.2.4 寻找能吸收变形的固井材料

主要是探索和寻找能吸收变形的特种材料来固井，让水泥环能吸收较大的剪切变形，达到套变防治的目的。目前，中石油已组织有关部门开始了专项研究，正在试验和测试中。

2.3 套变防治的有关建议措施

2.3.1 套变风险点的预测和评价

断—裂与井筒的交切点即套变风险点。压裂前，综合采用各种技术手段，分析确定切割井筒的断—裂（包括断—裂的几何形态和产状），并应用广义剪切活动准则进行断—裂活动性的定量评价。在此基础上，再进行压裂方案设计。

2.3.2 断—裂剪切变形的压力敏感性分析

针对开发区的地应力状态和断—裂分布特征，应用广义剪切活动准则进行断—裂剪切滑移的压力敏感性分析，确定目标断—裂的临界流体压力，为压裂设计提供参考。

2.3.3 控制流体进入断—裂是套变防治的根本措施

根据前面的分析，剪切变形引起的套变，流体压力是主导外因（地质因素是内因，且无法改变），控制压裂液大量进入断—裂，是防止套变的根本措施。具体建议措施包括：①压裂段避开断层，②对压裂液快速流失的小断层和大裂缝实施暂堵，③减低泵压（排量）等是可能的有效手段。让压裂液产生人工裂缝，而不沿断—裂流失是防治套变的根本措施。

上述套变的防治对策和建议措施总体均被川庆公司采纳并应用到页岩气开发生产实践中。其中控制压裂液流失的大裂缝暂堵措施，从2019年10月份开始，已开展了19口井的现场试验，取得良好的成效：①19口参与试验的井，仅3口井发生了套变，套变大幅度下降，单井套变率从以前（2016—2019年）平均50.4%下降到15.8%；②单井套变的点数大幅度下降：3口套变井中，有2口仅有1处发生套变，而以前往往是1口井发生多处套变；③发生的套变点，套变程度显著下降，变形程度均小于10%（小桥塞可以通过，对压裂的影响不是太大），套变产生的丢段率从以前的平均4.63%下降到0；④套变发生的时间显著推后：3口套变井，套变发生在压裂接近结束的时间，对压裂产生的影响就很小。暂堵大裂缝措施取得很好成效，使得严峻的套变形势得到有效扭转。

3 结论

1）页岩气水平井开发产生的套管变形现象均符合剪切变形特征，页岩气水平井开发引起的套管变形是地层沿断—裂面剪切滑移造成的。

2）明确了四川页岩气开发管管变形的地质力学机理：套管变形是在注水压裂过程中，流体（水）压力传递到断—裂面上，通过降低断—裂面上的正应力（降低有效正应力）而诱发地层产生剪切滑移，并作用到套管上使其发生变形的结果。

3）页岩气水平井开发引起的套变问题需要通过地质力学研究来解决，包括：①识别确定可能出现活动的断—裂（套变风险点）；②评价断—裂的潜在活动能力；③预测断—裂的剪切滑移量；④分析地层剪切作用与套管变形的耦合关系（固井水泥环对地层变形的吸收程度）。

4）控制断—裂的剪切滑移的因素包括：①现今原地应力场；②断—裂的产状和规模；③注水压裂过程中传递到断—裂面上的流体压力及其持续程度等，页岩气开发套变的防治工作应主要针对上述因素展开。其中，控制压裂液大量进入断—裂，让压裂液造缝而不沿断—裂流失是防治套变的根本措施。