頁巖氣井分段壓裂套損影響因素分析

李軍，李玉梅，張德龍，楊宏偉，孫世斌

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.北京信息科技大學(xué)高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3.北京探礦工程研究所，北京 100083；4.中國海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

頁巖氣井分段壓裂套損影響因素分析

李軍1，李玉梅2，張德龍3，楊宏偉1，孫世斌4

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.北京信息科技大學(xué)高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3.北京探礦工程研究所，北京 100083；4.中國海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

四川盆地長寧—威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)分段壓裂過程中出現(xiàn)的套管變形、擠毀問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到頁巖氣井的井筒完整性以及勘探開發(fā)效果?？紤]非均勻地應(yīng)力、套管偏心、頁巖各向異性、地層巖性非均質(zhì)性等多因素的逐級(jí)耦合作用，利用有限元數(shù)值方法建立了偏心套管-水泥環(huán)-地層耦合的全尺寸數(shù)值模型，對(duì)頁巖氣水平井分段壓裂過程中套管損壞機(jī)理進(jìn)行研究分析。研究發(fā)現(xiàn)：套管偏心不是套管先期損壞的主控因素；隨著非均勻地應(yīng)力比增大，套管內(nèi)壁應(yīng)力極值及周向應(yīng)力不均勻程度明顯增大；頁巖各向異性比越大，偏心角徑向位置對(duì)應(yīng)的套管內(nèi)壁應(yīng)力越大，此處承載風(fēng)險(xiǎn)也越高；套管內(nèi)壁應(yīng)力最大值出現(xiàn)在巖性交替變化界面，非均質(zhì)性差異對(duì)套管內(nèi)壁應(yīng)力極值有較大的影響。研究結(jié)果可為頁巖氣井分段壓裂過程中套損預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

頁巖氣；套管變形；套管偏心；非均勻地應(yīng)力；各向異性；巖性非均質(zhì)性

0 引言

目前，國內(nèi)頁巖氣開發(fā)大都采用水平井+水力加砂分段壓裂工藝。在分段壓裂改造過程中，很多井都出現(xiàn)了套管損壞變形的情況，導(dǎo)致壓裂工具無法下入，改造完成后橋塞無法鉆磨，后期無法進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)井等［1-6］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，西南油氣田完成壓裂施工的24口頁巖氣井中，有9口壓裂后出現(xiàn)套管損壞，1口采用體積壓裂工藝的致密砂巖水平井也出現(xiàn)了套管變形情況，導(dǎo)致壓裂工具無法下入，改造完成后橋塞無法鉆磨。

針對(duì)頁巖氣井井筒完整性失效問題，美國率先從井眼軌跡、非均勻地應(yīng)力載荷、固井質(zhì)量、熱應(yīng)力和壓裂施工參數(shù)等方面開展了相關(guān)研究［7-9］。在頁巖油層套管固井時(shí)，由于造斜段、水平段套管自重或井壁失穩(wěn)坍塌掉塊、扶正器的位置不當(dāng)?shù)仍?，居中度難以保證而造成套管偏心［10-11］。另外，由于不同井的地層環(huán)境、井身結(jié)構(gòu)和壓裂施工參數(shù)不同［12-13］，其影響因素也不同。目前，對(duì)于導(dǎo)致頁巖氣井壓裂作業(yè)后套管損壞的主控因素尚未清楚。但是，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)表明，套管在井下復(fù)雜環(huán)境中受多種工況條件影響，僅考慮單一因素?zé)o法準(zhǔn)確描述套管損壞機(jī)理。為此，本文結(jié)合前人研究成果，考慮非均勻地層應(yīng)力、套管偏心、頁巖各向異性、水平段儲(chǔ)層非均質(zhì)特性等多因素耦合作用，對(duì)頁巖氣井分段壓裂過程中套管損壞機(jī)理進(jìn)行研究。

1 地應(yīng)力場(chǎng)的影響

1.1 數(shù)值模型建立

將套管偏心視為固井過程中出現(xiàn)的常態(tài)，研究分析地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)偏心套管屈服破壞的影響。建立笛卡爾直角坐標(biāo)系XOY，井眼中心位于O點(diǎn)，坐標(biāo)系Y方向?yàn)榇瓜虻貞?yīng)力σV方向，X方向?yàn)樽畲蟮貞?yīng)力σH方向，Z軸與井筒軸線重合，即水平井筒軸線沿水平最小主應(yīng)力σh方向。設(shè)套管中心為點(diǎn)O′，井眼半徑為R，套管外徑為r，偏心距OO′，偏心角為φ。

以長寧—威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)威201-H1龍馬溪組（改造段1 604～2 750 m）為例，建立套管-水泥環(huán)-地層全耦合有限元數(shù)值模型（見圖1）?？紤]到邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，根據(jù)圣維南原理，建立模型平面范圍取井徑尺寸的5倍以上，以消除邊界效應(yīng)對(duì)套管應(yīng)力的影響。模型尺寸為5 m×3 m×3 m，套管外徑139.70 mm，壁厚9.17 mm，井眼直徑215.9 mm，套管選取TP95S鋼級(jí)。地層彈性模量22 GPa，泊松比0.23，密度2 300 kg/ m3；水泥環(huán)彈性模量10 GPa，泊松比0.17，密度2 000 kg/m3。有限元模型中頁巖儲(chǔ)層和水泥環(huán)均采用位移和孔壓耦合的六面體單元C3D8P，套管采用C3D8R六面體單元，模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后單元總數(shù)為31 125個(gè)，按內(nèi)密外疏的方式劃分網(wǎng)格。

計(jì)算假設(shè)：1）地層、水泥環(huán)、套管均為各向同性的彈性材料；2）套管-水泥環(huán)-地層的交界面膠結(jié)良好，且緊密地連接在一起，沒有相對(duì)滑動(dòng)；3）不考慮射孔參數(shù)對(duì)套管材料性能的影響。

圖1 偏心套管-水泥環(huán)-地層三維有限元模型

1.2 結(jié)果分析

當(dāng)套管偏心距為24 mm時(shí)，研究偏心角分別為0，15，30，45，60，90°條件下套管內(nèi)壁應(yīng)力的極值狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)：偏心套管所受應(yīng)力極值出現(xiàn)在圓周角對(duì)應(yīng)偏心角處的內(nèi)壁上。偏心角越大，套管內(nèi)壁應(yīng)力極值越大，對(duì)于偏心角分別為0，30°的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同偏心角條件下套管內(nèi)壁出現(xiàn)最大應(yīng)力位置

套管偏心距為24 mm，偏心角為45°時(shí)，研究非均勻地應(yīng)力比λ（σV/σH）分別為1.1，1.2，1.4，1.6情況下，偏心角對(duì)套管內(nèi)壁最大應(yīng)力分布狀態(tài)的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：隨著λ增大，套管內(nèi)壁應(yīng)力極值及應(yīng)力不均勻程度明顯增大；沿套管內(nèi)壁與最大水平應(yīng)力夾角為45，235°這2點(diǎn)是套管內(nèi)壁承載危險(xiǎn)區(qū)（見圖3）。

圖3 非均勻地應(yīng)力比對(duì)套管內(nèi)壁最大應(yīng)力狀態(tài)的影響

2 頁巖各向異性的影響

2.1 數(shù)值模型建立

頁巖具有較強(qiáng)的層理性且層理沿水平方向有序分層排布，可將層理性較強(qiáng)的頁巖體看作橫觀各向同性介質(zhì)。假設(shè)水平井沿水平最小地應(yīng)力方向鉆進(jìn)，套管-水泥環(huán)-地層有限元數(shù)值模型全局坐標(biāo)為XYZ，橫觀各向同性地層局部坐標(biāo)系為（X′，Y′，Z′），全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系三軸一一對(duì)應(yīng)，其中X/X′和Z/Z′軸位于各向同性面內(nèi)，坐標(biāo)軸Y垂直于層理面方向（見圖4）。圖中，Eh表示平行于頁巖層理的水平向彈性模量，Ev表示垂直于頁巖層里的垂向彈性模量。

圖4 橫觀各向同性地層水平井局部坐標(biāo)系

考慮套管偏心、非均勻應(yīng)力，研究頁巖地層各項(xiàng)異性對(duì)套管內(nèi)壁應(yīng)力極值的影響規(guī)律。建立數(shù)值計(jì)算模型偏心角為45°，偏心距為24 mm，垂向地應(yīng)力為35 MPa，水平最大主應(yīng)力為48 MPa，水平最小主應(yīng)力為29 MPa。借助彈性模量各向異性比值K=Eh/Ev來表示頁巖儲(chǔ)層各向異性差異。在數(shù)值計(jì)算模型中輸入5個(gè)工程彈性常數(shù)，來表征頁巖的橫觀各向同性特性。其中，Ev為18.00 GPa，Eh為19.65～23.07 GPa，垂直方向泊松比νv為0.223，水平方向泊松比νh為0.242～0.287。

2.2 結(jié)果分析

考慮套管偏心、非均勻地應(yīng)力載荷，取頁巖地層各向異性比分別為1.1，1.3，研究并對(duì)比頁巖地層各向異性對(duì)套管內(nèi)壁應(yīng)力的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：頁巖各向異性比越大，在偏心角對(duì)應(yīng)的圓周角處套管內(nèi)壁應(yīng)力越大，此處承載風(fēng)險(xiǎn)也越高；在對(duì)稱方向周圍各向異性比對(duì)套管內(nèi)壁最大應(yīng)力影響較小。同樣，套管內(nèi)壁應(yīng)力最大值出現(xiàn)在偏心角與圓周角重合處（見圖5）。

3 頁巖非均質(zhì)性的影響

3.1 理論背景

隨著頁巖氣資源開發(fā)的持續(xù)推進(jìn)，頁巖儲(chǔ)層水平段的非均質(zhì)性變化特征不斷凸顯。其中，包括受沉積環(huán)境、泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征影響的微觀非均質(zhì)性和儲(chǔ)層巖石非均質(zhì)性質(zhì)。如威201-H1井測(cè)井解釋表明，套管損壞附近區(qū)域的巖性相互交替分布，地應(yīng)力變化劇烈，巖石在巖性交替變化界面區(qū)域極易發(fā)生滑移剪切。即使很多學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這種客觀存在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，但頁巖儲(chǔ)層非均質(zhì)特性對(duì)套損造成的影響程度到底如何，國內(nèi)鮮有報(bào)道。

圖5 頁巖各向異性比對(duì)套管內(nèi)壁周向應(yīng)力極值影響

3.2 數(shù)值模型建立

如前所述，套管變形與地層巖性、地應(yīng)力變化的規(guī)律有很大的相關(guān)性。把巖石劃分為不同體積的巖塊，假設(shè)每一巖塊的力學(xué)性質(zhì)均不相同，這樣就出現(xiàn)多個(gè)巖性不同界面。

如圖6所示，綜合考慮非均勻地應(yīng)力、套管偏心、各向異性（K=1.1）、頁巖水平段巖性非均質(zhì)性多因素，建立數(shù)值計(jì)算模型，模型由巖體A，B，C，D 4部分區(qū)塊組成，每相鄰巖體區(qū)塊彈性模量不相同，保持泊松比不變。另外，考慮到相鄰巖體的力學(xué)性質(zhì)差異程度，假設(shè)儲(chǔ)層Ⅱ的A，B，C，D段的彈性模量變化差值為1 MPa，儲(chǔ)層Ⅲ的A，B，C，D段的彈性模量變化差值為3 MPa，儲(chǔ)層Ⅳ的A，B，C，D段的彈性模量變化差值為5 MPa，儲(chǔ)層Ⅰ的巖性數(shù)據(jù)參考威201-H1井儲(chǔ)層真實(shí)的巖性變化數(shù)據(jù)，相鄰巖體的巖性急劇變化，符合一般實(shí)際井的狀況。

圖6 地層水平段力學(xué)非均質(zhì)性數(shù)值計(jì)算模型

3.3 結(jié)果分析

定義相鄰水平段儲(chǔ)層的彈性模量差異為E-E′，開展地層巖性交替變化對(duì)套管內(nèi)壁應(yīng)力影響的規(guī)律研究。針對(duì)儲(chǔ)層Ⅱ（E-E′=1 MPa）、儲(chǔ)層Ⅲ（E-E′=3 MPa）、儲(chǔ)層Ⅳ（E-E′=5 MPa）分別進(jìn)行套管內(nèi)壁應(yīng)力最大值的預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)套管內(nèi)壁應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在巖性交替變化界面位置。另外，儲(chǔ)層Ⅰ的巖性數(shù)據(jù)參考威201-H1龍馬溪組（改造段：1 604～2 750 m）巖性數(shù)據(jù)交替變化規(guī)律，相鄰巖體的巖性急劇變化，符合一般實(shí)際井的狀況。選取TP95S套管，屈服強(qiáng)度655 MPa。如圖7所示，對(duì)比儲(chǔ)層Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ的彈性模量變化差異影響條件下套管內(nèi)壁應(yīng)力最大值。發(fā)現(xiàn)：巖性交替分布處內(nèi)壁徑向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在巖性變化界面處。水平段非均質(zhì)性差異E-E′越大，套管內(nèi)壁徑向應(yīng)力越大，且套管內(nèi)壁應(yīng)力極值相近；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際井?dāng)?shù)據(jù)，E-E′劇烈變化時(shí)，套管內(nèi)壁應(yīng)力急劇變化且極值較大，套管達(dá)到屈服強(qiáng)度，發(fā)生破壞。

圖7 套管內(nèi)壁徑向應(yīng)力極值隨井深變化規(guī)律

4 結(jié)論

1）隨著非均勻地應(yīng)力比增大，套管內(nèi)壁應(yīng)力極值及應(yīng)力不均勻程度明顯增大；偏心套管內(nèi)壁應(yīng)力極值出現(xiàn)在圓周角對(duì)應(yīng)偏心角內(nèi)壁上，此處為套管內(nèi)壁承載危險(xiǎn)區(qū)。

2）頁巖各向異性比越大，偏心角徑向位置對(duì)應(yīng)的套管內(nèi)壁應(yīng)力越大，此處承載風(fēng)險(xiǎn)也越高。

3）巖性交替界面處套管內(nèi)壁應(yīng)力最大。水平段非均質(zhì)性差異E-E′越大，套管內(nèi)壁徑向應(yīng)力越大；E-E′劇烈變化時(shí)，套管內(nèi)壁應(yīng)力急劇變化且極值較大，套管發(fā)生屈服破壞。

4）建議壓裂前期進(jìn)行地層評(píng)估，明確巖性交替分布儲(chǔ)層位置，避開地層巖性界面和地應(yīng)力差異較大區(qū)域，射孔位置避開套損風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

［1］趙常青，譚賓，曾凡坤，等.長寧—威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)水平井固井技術(shù)［J］.斷塊油氣田，2014，21（2）：256-258.

［2］孫銘新，程遠(yuǎn)方，賈江鴻，等.低滲透復(fù)雜斷塊油藏套損機(jī)理及數(shù)值計(jì)算［J］.斷塊油氣田，2012，19（6）：788-791.

［3］董文濤，申瑞臣，梁奇敏，等.體積壓裂套管溫度應(yīng)力計(jì)算分析［J］.斷塊油氣田，2016，23（5）：673-675.

［4］李自平.大慶油田嫩二底標(biāo)志層套管剪切失效的有限元分析［J］.斷塊油氣田，2015，22（6）：812-815.

［5］陳作，曾義金.深層頁巖氣分段壓裂技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議［J］.石油鉆探技術(shù)，2016，44（1）：6-11.

［6］張衛(wèi)東，楊勇，路智勇，等.延緩斷層處套管損壞的方法［J］.斷塊油氣田，2012，19（6）：800-802.

［7］趙常青，馮彬，劉世彬，等.四川盆地頁巖氣井水平井段的固井實(shí)踐［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（9）：61-65.

［8］ZONG G，LIN W，SUFEN D，et al.China shale gas exploration：early Sichuan Basin Longmaxi Shale Gas stimulation and completion case study［R］.SPE 166746，2013.

［9］SUGDEN C，JOHNSON J，CHAMBERS，et al.Special considerations in the design optimization of the production casing in high-rate，multistage-fractured shale wells［J］.SPE Drilling&Completion，2012，27（4）：459-472.

［10］王國華，陳正茂，熊繼有，等.非均勻載荷下套管偏心對(duì)套管強(qiáng)度影響研究［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2012，34（10）：105-107.

［11］李建新，馮松林，李明忠，等.影響固井注水泥頂替效率的主要問題及其研究進(jìn)展［J］.斷塊油氣田，2016，23（3）：393-396.

［12］閆聯(lián)國，周玉倉.彭頁HF-1頁巖氣井水平段固井技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2012，40（4）：47-51.

［13］高應(yīng)運(yùn).延川南煤層氣田V形水平井組壓裂技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2016，44（3）：83-87.

（編輯 王淑玉）

Analysis of casing damage for staged fracturing in shale gas well

LI Jun1,LI Yumei2,ZHANG Delong3,YANG Hongwei1,SUN Shibin4
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;2.Beijing Key Laboratory of High Dynamic Navigation Technology,Beijing Information Science&Technology University,Beijing 100101,China;3.Beijing Institute of Exploration and Engineering,Beijing 100083,China;4.Offshore Oil Engineering Co.Ltd.,CNOOC,Tianjin 300461,China)

The issue of casing deformation and collapse during the process of staged fracturing in Changning-Weiyuan shale gas reservoir in Sichuan Basin has seriously affected the exploration and development and wellbore integrity in shale gas.Considering the effects of multi-factor coupling of the non-uniform stress,casing eccentric,shale anisotropy,lithologic heterogeneity step by step, a finite element numerical model coupling of the eccentric casing-cement sheath-formation was established to explore the mechanism of casing damage during the staged fracturing process of shale gas well.The analysis results show that the casing eccentricity is not the main factor for the casing damage in early stage;as the non-uniform in-situ stress ratio increases,the stress extreme value of the casing wall and non-uniformity of circumferential stress increases significantly;the greater the anisotropy ratio, the greater the casing stress of the inner wall corresponding to the radial position of the eccentric angle,and the higher the risk here; the casing stress maximum of the inner wall appears in the interfaces of the lithology variations,and the heterogeneity differences have influences in different degree on the casing stress maximum of the inner wall.The study results will provide the theoretical basis for the casing damage prediction during the staged fracturing process of shale gas well.

shale gas;casing deformation;casing eccentric;non-uniform stress;anisotropy;lithology heterogeneity

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“長水平段非均質(zhì)頁巖儲(chǔ)層非均勻分簇射孔優(yōu)化研究”（51674272）、“控壓鉆井測(cè)控理論及關(guān)鍵問題研究”（51334003）；高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題“角速度陀螺儀過載振動(dòng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析”（HDN2017003）；北京信息科技大學(xué)學(xué)校科研基金項(xiàng)目“過載-振動(dòng)復(fù)合環(huán)境下陀螺儀動(dòng)力學(xué)特性分析”（1725006）

TE35

A

10.6056/dkyqt201703020

2016-11-16；改回日期：2017-03-27。

李軍，男，1971年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事石油工程巖石力學(xué)研究。E-mail：lijun446@vip.163.com。

李軍，李玉梅，張德龍，等.頁巖氣井分段壓裂套損影響因素分析［J］.斷塊油氣田，2017，24（3）：387-390.

LI Jun，LI Yumei，ZHANG Delong，et al.Analysis of casing damage for staged fracturing in shale gas well［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（3）：387-390.