页岩气水平井套管的剪压变形试验与套变预防实践.docx

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页岩气水平井套管的剪压变形试验与套变预防实践

摘要:

在我国页岩气勘探开发取得快速发展的同时，也伴随着页岩气水平井套管变形（以下简称套变）问题的频发，直接影响到了页岩气开发的效率和效益。

为了探索预测、防范与治理套变的方法，基于套管抗内压交变试验、MIT24井径测井的地面模拟试验和套变形态特征的系统解析、套变的大型物理模拟试验和数值模拟等室内工作，分析了页岩气水平井套变的地质、工程原因，结合广义剪切活动准则，制订了套变风险点评价的新方法和预防套变的技术措施。

研究结果表明：

①MIT24井径测井解释的23口井119个套变点的变形特征，符合剪压变形试验的力学行为；②大型物理模拟试验显示出走滑应力状态下，天然裂缝发生明显滑移；③数值模拟结果显示，随着断层滑移量的增加，套管受到的挤压应力不断增加，当断层的滑移量介于7.5～9.0mm，套管达到临界屈服强度，并开始产生塑性变形。

在四川盆地南部威远地区的28口井开展了“暂堵裂缝＋长段多簇”等技术的现场试验，套变率从研究前的54%降低到14.3%，丢段率从研究前的7.8%降低到0，套变治理取得了显著的成效。

结论认为，断层和大裂缝（以下简称断-裂）发生剪切滑移是导致页岩气水平井套变的主要原因，在套变风险点压裂前应提前采取“暂堵裂缝＋长段多簇”、降低压裂规模、适当释放井筒压力等措施降低断-裂的活动性，从而达到预防套变的目的。

关键词:

页岩气；水平井；套管变形；地质力学；套管变形防治；“暂堵裂缝＋长段多簇”压裂工艺；现场试验

0　引言

在我国页岩气勘探开发取得快速发展的同时，也伴随着页岩气水平井套管变形（以下简称套变）问题的频发。

2011年国内第1口页岩气水平井（威201-H1井）、2012年国内第1口具有商业价值的页岩气水平井（宁201-H1井）都曾发生过严重的套变。

截至2018年12月底，长宁—威远、昭通等国家级页岩气示范区共计压裂页岩气井377口井，其中套变/遇阻井达133口井，占比为35.3%。

在国外页岩油气开发过程中，同样也面临着套变的问题。

《JournalofPetroleumTechnology》2020年第1期话题栏目指出：

页岩油气开发套变率达20%～30%；美国Marcellus页岩油井套变率为6.2%，阿根廷内乌肯盆地VacaMuerta组页岩气井套变率为25%，加拿大Duvernay某区块套变率达47%、丢段率为8.8%。

针对套管变形机理，国内外学者大多从工程角度开展探索与研究，如压裂时井筒温度交变载荷、固井质量以及套管—水泥环—地层等方面。

尹虎等[1]通过水力压裂时的热传导控制方程，探讨了不同井口温度下常规水力压裂和大规模水力压裂时井底温度的变化情况，认为大型水力压裂时井底温度变化对套管抗挤强度影响较大，并且对不同钢级的套管抗挤强度的影响程度也有所不同，其中高钢级套管的抗挤强度受影响较小，而低钢级套管抗挤强度受影响则较大；戴强[2]将套变原因初步划分为强度削弱和外载荷变化两种类型，并提出水泥环破坏后可能形成局部应力集中。

刘奎等[3]认为压裂过程的温度应力及由套管内压周期性变化导致的局部载荷是页岩气井套管变形的主要因素。

张认认等[4]提出基于贝叶斯网络的页岩气井套管变形失效定量风险分析方法，建立页岩气井套管变形失效的贝叶斯网络模型，识别页岩气井套管变形失效最可能的因素，评估各失效场景的动态发生概率。

Sugden等[5-7]指出固井质量差是页岩气井套管损坏的主要原因，并应用Abaqus有限元软件，认为水泥环缺失和套管偏心会在套管内壁上产生较严重的应力集中。

Yin等[8]讨论了压裂前后井筒温度变化引起的环空增压是套管挤毁失效的重要影响因素。

高利军等[9]通过引入单位横向位移和椭圆度来表征剪切套损中套管变形程度，提出在滑移面附近不固井能有效缓解剪切套损，但单纯改变固井水泥力学性能的效果微乎其微。

范明涛等[10]运用Abaqus软件建立了温压耦合下的套管—水泥环—地层受力有限元模型，认为大排量压裂施工中，套管应力随着偏心距的增加而减小，温降对套管应力的影响较大。

部分研究者从页岩蠕滑、断层剪切活动等进行了研究。

刘港等[11-13]从受断层影响的页岩气水平井套损进行机理分析、室内模拟试验和仿真模拟，得出断层剪切活化前套管围岩蠕滑作用产生的径向挤压力可以造成套管缩径，在断层处表现为套管的差异变形；随着水力压裂及页岩气开采过程中断层的不断活化，断层产生的剪应力成为套管弯曲错断的主因，模拟结果与机理分析的一致性表明断层面水平套管剪切损坏是围岩蠕滑挤压力和断层活化剪切力共同作用的结果。

王素玲等[14]基于Abaqus软件平台，在考虑流固耦合效应的条件下，建立了标准层套管—水泥环—地层的三维力学模型，模拟了套管剪切损坏的变形过程，认为防止页岩层的剪切滑移可有效预防套损的发生，而提高套管强度不能从根本上解决套损问题。

陈朝伟等[15]分析了圆形断层模型的震源参数关系建立了由断层半径、滑移距离、地震矩和矩震级等参数组成的数学模型，首先根据24臂井径测井数据或通过套管变形点的磨鞋最大直径来确定断层的滑动量（即套管变形量），然后利用该模型计算得到引起套管变形的裂缝或断层的半径和微地震震级。

陈朝伟等[16-17]分析了套管变形与地质特征和水力压裂施工的相关性，表明断层裂缝和层理发育是套管变形的内因，水力压裂是套管变形的外因，认为套管变形的机理是压裂液沿着某条通道进入天然裂缝，使裂缝内孔隙压力提高，当达到临界值时，激发天然裂缝滑动，进而造成套管变形，指出了剪切变形套管占60%，呈现剪刀差形态。

李留伟等[18]基于两口井的24臂井径套管变形测量、裸眼井径、电阻率电测、钻时及气测录井、固井CBL/VDL及CBL成像等资料，分析了引起套管变形位置附近地层的地质与工程特征。

蒋振源等[19]认为断层滑移引起的套管剪切变形是一类重要套管变形形态，引入内径净减小量的概念表征套管变形程度，对套管钢级、壁厚、固井水泥弹性模量和水泥环厚度进行了敏感性分析，认为增大套管钢级、加厚套管壁厚、降低固井水泥弹性模量、增大水泥环厚度都能减轻套管变形。

中国石油集团川庆钻探工程有限公司（以下简称川庆钻探）与中国石油大学（北京）通过中国石油天然气集团有限公司科学研究与技术开发项目“深层页岩气有效开采关键技术攻关与试验”合作，在研究确定套变形态特征的基础上，开展了大量的室内试验和现场实践，基本明确了套变的机理；通过在四川盆地南部川庆钻探威远区块的现场试验，套变率从54%下降到14.3%，丢段率从7.8%降低到0，套变的预测、防范与治理技术取得了突破性进展。

1　套变特征的统计分析

对2019年23口页岩气套变井进行了MIT24井径测井，解释了119个套变点（段），其中202井区14口86个套变点（段），204井区9口33个套变点（段）。

1.1　套变位置与天然裂缝发育位置相关性较高

统计套变/遇阻位置96处，与地震预测裂缝吻合64处，平均符合率67%，其中，202井区58处中40处（符合率69%），204井区38个变形点24处（符合率63%）；88个实测套变位置中的56个位于斯通利波裂缝解释段位置，占比63%；与测井远探测解释成果比较，套变位置都在裂缝发育段。

1.2　套变点/遇阻点与固井质量相关性不强

为提高水平段套管居中度、保证固井质量，基本上每1根套管上加放一只滚柱扶正器，平均单井下入197只。

通过对威远16口井72个已证实的套变点统计：

67处固井质量为优，占比92%；5处为中。

72个套变点固井声幅CBL平均为8.05%，最高为23.39%。

说明固井质量好坏与套变相关性不强。

1.3　套变点/遇阻点与水平段狗腿度关联不大

2019年，72个套变点狗腿度平均为1.72°/30m，小于3°/30m共有62个点，占比86%。

最大狗腿度5.21°/30m（威204H41-7井），最小狗腿度1.07°/30m（威204H36-3井）；平均井斜94°，最高102.31°（威202H13-1井）、最低80.43°（威202H16-6井）。

1.4　套变点/遇阻点大多远离目标压裂段

套变点与目标压裂段的距离大多相距较远，平均252m。

实测16口井42个遇阻点，小于100m有14个，100～500m有22个，500～1000m有5个，1000m以上有1个（1032m，威202H16-6井压完第8段后）。

可以看出，套变位置都不是发生在压裂段的实际位置。

套变点/遇阻点与A点距离并无显著规律，但偏入靶点A点方向压裂段的套变点数量要多于靠近水平段末端的压裂段（表1），0～700m之间共46个变形点，700～1500m之间共28个变形点。

表1　套变点距入靶点A点的距离统计表

1.5　套变点径向与轴向变形特征

通过MIT24井径解释发现，在套管直径方向上平均变形量为15.8mm，平均变形程度13.8%。

整体看，内径变形量小于30mm占到83%，是套变的主体。

变形后内径大于102mm共有30处占到42%，内径大于95mm共有15处占到21%，内径大于86mm共有14处占到20%，小于86mm共有13处占到17%（图1-a），其中威202H16-6井在井深3459.00m处变形内径最小仅为67.07mm，变形比例达40.86%。

图1　径向变形与轴向变形程度对比图

沿井眼轴线上看，水平上70%的套变长度小于10m（图1-b），超过10m长度的变形段均由若干短变形段组合而成（84%小于10m），且均与单裂缝或多裂缝剪压变形特征相符。

1.6　增加套管壁厚对降低套变率效果不明显

通过模拟计算，在没有地层滑移，常规壁厚12.7mm、Q125钢级139.7mm套管服役全过程（完井、压裂）是安全的。

有28口井在水平段采用钢级Q125、壁厚15.2mm的144.7mm外加厚高韧性套管，抗剪切性能增加150%，抗外挤性能增加160%，抗内压性能增加115%，抗拉性能增加122%，已压裂16口井，套变9口井，套变率56.3%，套变率仍高于未加厚套管（表2），说明通过增加套管壁厚也无法抵御地层的剪切载荷，对降低套变效果不明显。

表2　Ø144.7mm套管套变情况统计表

2　套变机理及其控制因素

通过MIT24井径地面模拟试验验证和套变形态及方位的系统分析、套变大型物理模拟试验和数值模拟实验、威远地质构造分析与砂箱模拟实验、长宁—威远相似露头观测等方面的研究工作，分析套变特征与方位、套变机理、威远构造的形成机制等研究，取得以下认识。

2.1　套管变形外形特征与方位特征

目前套管变形特征主要通过MIT24井径测井来获取。

为了确定套管变形的真实特征，得到MIT24井径测井数据的正确解释，开展了地面模拟页岩气水平井套管进行测井解释模型校正。

实际套管通过人为剪切、挤压、穿孔等模拟井下套管可能发生的损坏情况，并按90°间隔方位测量4次，模拟井下连续油管存储测井以及井眼轨迹可能引起的旋转，同时，按照从A点到B点、始终保持高边方位在最上方的方式测量。

通过这样的试验和模型校正，得到了井径测井准确的解释模型。

按照该解释模型对23口井119个套变点的形态特征和方位进行了重新解释，发现套变外形特征均呈现为剪切变形特征，以及在剪切段附近引起的不对称挤压变形，将这种变形特征简称为“剪压”变形（图2）。

同时，剪压的方位主要呈近东西向，剪切滑动的侧伏角为正负30°左右（图3）。

图2　剪压变形的套管外形三维图

图3　套变近东西向方位特征图

结合威远地区现今最大水平主应力方向为东西向，说明套变的方位与现今应力场方位是匹配的，套管呈现出的变形特征是切割套管的大裂缝和小断层（简称断-裂）发生走滑活动引起岩层对套管产生东西向不对称的挤压所致。

2.2　套变物理模拟实验和数值模拟验证

为了验证剪压作用导致的套管变形，开展了套管变形的物理模拟实验和数值模拟。

2.2.1　物理模拟实验

为了开展套管剪压变形的物理模拟实验，专门研发了大型岩样体积压裂套变物理模拟实验装置，用物理模型的方法模拟体积压裂过程中套管的剪压变形。

通过大型岩样体积压裂套变物理模拟实验装置，创建了含弱面大型岩样体积压裂套变物理模拟实验方法，并进行了考虑井筒完整性的全三维大尺度的压裂套变物理模拟[12-13]。

模拟的500mm×500mm×500mm露头岩样取自压裂目的层龙马溪组页岩储层；模拟的含射孔孔眼套管内径21mm、壁厚1.5mm。

根据相似原理分别进行了（σv，σH，σh）=（30MPa，20MPa，16MPa）（正断层应力状态）、（20MPa，30MPa，16MPa）（走滑地应力状态）、（16MPa，30MPa，20MPa）（逆断层应力状态）3种不同地应力状态；30mL/min、90mL/min两种不同泵注排量；60°与45°两种不同裂缝倾角等因素对压裂套变影响的实验。

实验过程中通过声发射监测发现，压裂过程中水力裂缝扩展进入到预制的天然裂缝内。

随着压裂的继续，天然裂缝内的流体压力达到活动的临界值，导致天然裂缝失稳产生剪切滑动而引发套管发生剪压的现象。

实验发现，走滑地应力状态下，天然裂缝发生明显滑移；逆断层应力状态下，裂缝滑移相对轻微；随着裂缝倾角增大，滑移量明显增大。

通过该物理模拟实验有效还原了地下体积压裂过程中产生套变的过程，揭示了压裂致套管剪压变形的作用机理。

2.2.2　数值模拟

利用Abaqus软件，采用有限元方法，模拟套管在断层剪切滑移过程中产生的变形过程。

模型从外到内总共由3个部分组成，即岩石—水泥环—套管，按套管在地下的实际情况设计。

模型包含长度为6m的套管，以及横截面为1m×1m包裹套管的地层岩石构成（套管、水泥环以及岩层的力学参数按实际测量结果设定）；断层走向参考威远地区实际地质情况设计，取30°、45°、75°；断-裂带宽度取10cm、20cm、50cm、100cm；断层的滑移量按一定的步长线性增加，滑动方式为走向滑移。

模拟结果表明，断层开始滑移时，套管迅速受到岩层的不对称挤压（图4）：

随着断层滑移量的增加，套管受到的挤压应力不断增加，当断层的滑移量达到7.5～9.0mm时，套管达到临界屈服强度（断层的临界滑移量与断层的走向、断-裂带宽度等参数有关），并开始产生塑性变形；随着断层滑移量的进一步增加，套管的变形程度也不断增加。

图4　单裂缝数值模拟剪切滑移图

数值模拟结果表明，只要岩层的滑移量达到一定值（10～15mm），无论何种强度的套管都会达到屈服强度而发生塑性变形。

这说明增加套管强度是无法解决断-裂滑移引起的套管变形。

数值模拟套管变形以后的形态与MIT24井径测井解释结果完全匹配。

2.2.3　交变载荷试验

通过对外径Ø139.7mm、壁厚12.7mm、钢级125套管交变载荷试验，模拟压裂最高施工泵压140MPa、停泵后套管内最低关井压力40MPa（图5），循环40次疲劳试验后，抗剪切强度降低15%、屈服强度降低10%、抗外挤强度降低10%。

因此通过交变载荷试验套管强度仍然是安全的。

2.3　套管变形地质力学机理

通过前面的研究分析，套管变形特征主要为剪压变形；远探测成像测井（TBDS）测井裂缝解释也证明套变均发生在裂缝发育处；通过龙马溪组页岩露头大型物模试验及数值模拟（图4），验证了套管变形就是由于断-裂的剪切滑移所致。

上述分析充分说明，套管变形是在页岩气开发大型注水压裂过程中诱发断-裂剪切滑移所产生的，结合地质力学的基础理论——广义剪切活动准则[20-22]，确定套变机理为：

在构造活动强烈的地区，注水压裂时，随着压裂液的不断注入，压裂液可能进入或沟通断层或裂缝，引起断-裂内的压力不断增加（Δp），导致断-裂面上正应力降低，剪应力增大，当断-裂面上的剪应力大于临界剪应力时，断-裂便会发生剪切滑移，从而引起套管剪压变形。

图5 　Ø139.7×12.7 mm 套管内压疲劳试验图

按照童亨茂等提出的广义剪切活动准则，古断-裂（F1）的投影在原地应力状态下位于断-裂剪切活动线下方，即fa＜1.0，断-裂处于稳定状态，不会发生剪切滑移，套管不会发现剪切变形；随着本井或邻井压裂液的不断注入，流体压力通过裂缝缝网传递到断-裂位置，引起断-裂的正应力降低，摩尔空间[23]逐渐左移，F1的投影位于断-裂剪切活动线上方，即fa＞1.0，断-裂开始活动，会发生剪切滑移，当剪切位移量超过水泥环、套管的抗剪切强度后就会引起套管的剪切及挤压变形（即剪压变形）[24]。

在地应力状态（包括地层流体压力）确定的情况下，应用广义剪切活动准则，可以定量计算目标断-裂产生活动的临界流体压力。

3　套变风险预防措施及效果

3.1　套变风险预测

根据套变的地质力学机理，套变是由断-裂剪切活动造成的，因此套变的风险决定于切过井筒断-裂的潜在活动能力。

按照上述逻辑，通过反复实践，形成了一套完整的套变风险预测和评价方法：

①以平台为单位，主要利用蚂蚁体、同相轴、道积分、振幅及相位等地震属性综合识别解释平台区内的断-裂；②根据3个主应力的大小和方向、断-裂产状（倾向和倾角）和力学参数（断-裂内聚力CF、摩擦系数μF），按照广义剪切活动准则，计算断-裂活动性系数；③综合断-裂活动性系数和断-裂规模（断层在平面上的延伸长度）这两个参数，确定整个平台内所有断-裂的活动风险级别；④确定平台内所有井的风险点及风险级别：

井筒与断-裂相交的点即为该井的套变风险点，风险级别由断-裂活动的风险级别决定；⑤根据风险级别，提出优化压裂顺序以及压裂设计中拟提前采取措施的建议。

3.2　套变预防措施

考虑到断-裂的分布、产状、规模及力学参数，地应力状态等地质因素是我们无法改变和控制的，而在压裂过程中控制和降低断-裂内的流体压力增量（Δp）减轻断-裂的活动性，以及通过改善水泥环性能减轻地层滑移对套管的剪切程度，在一定程度上是可以实现的。

为此，威远区块主要采用堵塞沟通目标断-裂的通道或者降低目标断-裂内的Δp、避免激活断-裂发生剪切活动或降低断-裂的剪切活动量，从而达到套变防治的目的。

在威远区块28井次（表3）开展了“裂缝暂堵＋长段多簇”工艺的防套变措施，具体包括：

①在压裂过程中采取暂堵的方式，堵塞天然裂缝通道，降低通道内的Δp；②采取长段多簇的压裂设计方式，降低缝端净压力、减少沟通天然大裂缝概率和Δp；③采用降低压裂规模、压力释放（返排）等方法，达到降低断-裂内的Δp的目的。

表3　威远区块“裂缝暂堵＋长段多簇”压裂工艺试验井应用情况表

由于套管外面有水泥环，断-裂的剪压作用是通过水泥环作用到套管上，因此，可以采取加厚水泥环厚度、增加水泥环韧性、降低水泥环弹性模量、加入高强度微珠固井等方式吸收断-裂的剪切位移量，可以减轻套管的变形程度。

同时，提高套管的韧性也可以产生一定的作用。

在威远区块，先后在威204H38-4井、威204H18-5井、威204H40-3井开展了“高强度微珠固井”工艺的防套变措施，这3口井都是位于套变高风险区域的高风险井，相比同平台将降低壁厚为12.7mm的套管，目前威204H38-4井已经顺利完成压裂，没有发生套变。

截至2020年12月31日底，在威远川庆区块采用“裂缝暂堵＋长段多簇”压裂工艺，通过28口井的现场应用，减轻了断/裂的活动性，其中4口发生套变（表3），套变率从研究前的54%降低到14.3%，丢段率从研究前的7.8%降低到0。

套变程度大幅降低、单井套变点数大幅降低；套变发生时间大幅推迟，没有对压裂整体进展造成影响；压裂时效平均从1.47段/d提高到2.0段/d，提升了36%。

4　结论

1）断-裂发生剪切滑移是页岩气水平井套管变形的主要原因。

2）威远页岩气套管变形的外形特征呈剪压变形特征，变形的方位为近东西向，即与现今应力场的最大水平主应力方向一致。

套变机理为：

在构造活动强烈的地区，压裂时，随着压裂液的不断注入，压裂液可能进入或沟通断层或裂缝，引起断-裂内的压力（Δp）不断增加，导致断-裂面的正应力降低，从而激活断-裂发生剪切滑移，引起套管剪压变形。

3）套变风险点主要寻找穿过井筒的断-裂，断-裂的活动性可以通过广义剪切活动准则进行定量评估。

4）应立足全平台（及邻平台）综合施策，优化拉链压裂顺序，在套变风险点压裂前应提前采取“裂缝暂堵＋长段多簇”、降低压裂规模、适当释放井筒压力等手段降低断-裂的活动性。

5）在套变风险区固井时，可以采用降低水泥环弹性模量、加入高强度微珠固井等方式吸收地层位移量，减轻剪切滑移对套管的变形程度。