頁(yè)巖氣井套管變形失效原因分析

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(1.寶山鋼鐵股份有限公司研究院技術(shù)中心 上海 201900；2.西安康普威能源技術(shù)有限公司 陜西 西安 710054)

0 引 言

近幾年我國(guó)在頁(yè)巖氣井鉆探開(kāi)發(fā)方面逐漸取得了重大突破，初步形成了工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。但也暴露出了不少問(wèn)題，主要集中在水平井鉆井成本高、施工難度大、投產(chǎn)套管體積分段壓裂成本高、井筒套管經(jīng)常發(fā)生失效等方面。而且國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣開(kāi)采存在著超大位移水平井開(kāi)發(fā)需求、鉆井完井質(zhì)量控制難度大、多次超高壓套管體積分段壓裂作業(yè)、頁(yè)巖氣井筒生產(chǎn)壽命較長(zhǎng)等特殊性，因此，如何避免發(fā)生頁(yè)巖氣井套管柱失效，延長(zhǎng)其開(kāi)采壽命就成為頁(yè)巖氣開(kāi)采方面的一個(gè)重要課題。頁(yè)巖氣井筒套管發(fā)生失效包括變形、破損、密封失效等情況，本文主要就頁(yè)巖氣井套管變形的原因進(jìn)行分析。

1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層環(huán)境

1.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

頁(yè)巖氣是以多種相態(tài)存在并富集于泥頁(yè)巖(部分粉砂巖)地層中的天然氣[1]。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層致密,以納米孔隙為主,賦存于富有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒沉積巖中(通常指頁(yè)巖),巖石中包含有機(jī)質(zhì)、礦物質(zhì)、流體(包括水和氣體)等組成部分。儲(chǔ)層有很多種巖石類型,不僅包括富有機(jī)質(zhì)的高碳泥頁(yè)巖，還包括黑色頁(yè)巖所夾的薄層泥質(zhì)粉砂巖和各種砂巖。頁(yè)巖分布和巖石組成表現(xiàn)為多樣性和非均質(zhì)性,這使得儲(chǔ)層中孔隙結(jié)構(gòu)以及滲流特征差異很大,在研究頁(yè)巖氣儲(chǔ)層時(shí)必須區(qū)別對(duì)待[2]。其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在氣層埋藏深，厚度大，儲(chǔ)層巖性致密，連通性差，屬于低滲氣藏。

1.2 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的非均質(zhì)性

頁(yè)巖組成和結(jié)構(gòu)特性使得頁(yè)巖氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性很強(qiáng)，并有縱向、橫向非均質(zhì)性之分?？v向非均質(zhì)性是縱向上巖石組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、孔隙特征、儲(chǔ)氣性能等的變化規(guī)律，橫向非均質(zhì)性則是平面上的分布特征[3]。

2 頁(yè)巖氣井套管變形失效原因分析

2.1 頁(yè)巖氣井套管變形失效情況

由于軸向應(yīng)力變化、以及套管外擠壓力大于內(nèi)壓力等因素的作用所造成的套管一處或多處縮徑、擠扁或彎曲等形狀變化，統(tǒng)稱為套管變形損壞，簡(jiǎn)稱套管變形。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，頁(yè)巖氣井套管變形類型包括縮徑變形、擠扁變形和彎曲變形。頁(yè)巖氣井在生產(chǎn)作業(yè)中經(jīng)常出現(xiàn)生產(chǎn)工具(泵或懸掛器等)無(wú)法下入遇阻的情況，經(jīng)分析，這是因?yàn)轫?yè)巖氣井的套管發(fā)生了變形損傷。對(duì)出現(xiàn)井下套管變形的，采用多臂井徑測(cè)井成像技術(shù)(即通過(guò)對(duì)多個(gè)獨(dú)立測(cè)量臂測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，得到實(shí)時(shí)的井徑仿真三維圖像，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)油管、套管的變形、彎曲、斷裂、孔眼、內(nèi)壁腐蝕等情況的實(shí)時(shí)判斷)對(duì)套管變形損傷區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，并在多臂井徑測(cè)井成像儀器上形成套管變形部位幾何結(jié)構(gòu)的仿真圖。圖1就是實(shí)際檢測(cè)得到的頁(yè)巖氣井的套管縮徑變形和彎曲變形的變形部位仿真圖。

圖1 套管縮徑變形和彎曲變形的變形部位仿真圖

2.2 頁(yè)巖氣井套管變形比例統(tǒng)計(jì)

頁(yè)巖氣目前開(kāi)發(fā)多采用水平井多級(jí)分段射孔壓裂技術(shù)[4]。經(jīng)過(guò)對(duì)我國(guó)某礦區(qū)XX1、XX2兩個(gè)頁(yè)巖氣區(qū)塊75口水平壓裂井 (已完成64口，正壓裂11口)的套管狀況的進(jìn)行調(diào)研，其中24口井發(fā)生套管變形，占總井?dāng)?shù)的32%；其中6口井套管變形損傷嚴(yán)重，損傷位置見(jiàn)表1。因套管變形影響改造段數(shù)56段，儲(chǔ)層改造完成率(1 211段)95.4%。其中2014年完成9口水平井壓裂，其中3口井發(fā)生套管變形，占完成井的33.3%；因套管變形影響改造段數(shù)8段，儲(chǔ)層改造完成率(175段)95.4%；2015年66口水平井壓裂(已完成55口，正壓裂11口)，其中21口井發(fā)生套管變形，占?jí)毫丫?1.8%；因套管變形影響改造段數(shù)48段，儲(chǔ)層改造完成率(1 036段)95.4%。

表1 套管變形損傷位置

套管發(fā)生變形井已經(jīng)接近施工總數(shù)的5%，而且多段變形的情況也不在少數(shù)，對(duì)于后期的施工、生產(chǎn)造成了很大影響。

2.3 頁(yè)巖氣套管變形失效井工程參數(shù)

表2是套管變形失效部位在頁(yè)巖氣井中的位置，以及變形部位與水平井A點(diǎn)和B點(diǎn)之間的相對(duì)距離等工程參數(shù)。

表2 套管變形失效部位的位置參數(shù) m

續(xù)表

從表2可見(jiàn)，在靠近B點(diǎn)的井段發(fā)生變形失效的概率很低，其主要發(fā)生在壓裂井段的中部區(qū)域和A點(diǎn)附近，發(fā)生套管形變失效的井段占總失效井段56.2%。

套管變形失效井段的工程參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 套管變形失效井段的工程參數(shù)

通過(guò)對(duì)表3變形失效井段工程參數(shù)分析可以得出：絕大部分套管變形失效井段固井質(zhì)量為優(yōu)，固井質(zhì)量與套管是否發(fā)生變形失效沒(méi)有顯著的相關(guān)性。但由于大型分段體積壓裂條件下初始的固井水泥環(huán)可能會(huì)發(fā)生破壞，當(dāng)套管外水泥環(huán)出現(xiàn)缺失的時(shí)候，如果套管承受高內(nèi)壓(如壓裂工況)，就會(huì)使套管局部處于應(yīng)力集中狀態(tài)，甚至導(dǎo)致套管變形。

還可以從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中得出，套管變形失效區(qū)域絕大部分狗腿度比較小，對(duì)套管產(chǎn)生的彎曲效應(yīng)較?。蛔冃问^(qū)域基本上都在最上一級(jí)壓裂射孔頂界以上，且距離比較遠(yuǎn)。另外，通過(guò)用多臂井徑測(cè)井成像儀器對(duì)井下套管形狀進(jìn)行檢測(cè)，射孔井段的套管沒(méi)有發(fā)生顯著的變形，因此，射孔本身不是導(dǎo)致套管變形失效的直接原因。

2.4 頁(yè)巖氣井壓裂作業(yè)與套管變形失效的關(guān)系

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工況調(diào)研及國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究成果，頁(yè)巖氣水平井分段壓裂后均出現(xiàn)套管變形現(xiàn)象，具有如下特點(diǎn)：1)所有套管變形均發(fā)生在某段水力壓裂結(jié)束后。2)發(fā)生變形位置距離上一級(jí)壓裂存在一定距離；3)變形現(xiàn)象隨壓裂段數(shù)的增加而加重。

頁(yè)巖氣井壓裂作業(yè)后，壓裂注入水沿裂縫進(jìn)入泥頁(yè)巖層，加速泥頁(yè)巖水化膨脹，產(chǎn)生異常高應(yīng)力或剪切力；另外壓裂后地層應(yīng)力的再次平衡時(shí)的應(yīng)力升高等，這些都會(huì)使壓裂段的套管所受外部應(yīng)力明顯增加，從而導(dǎo)致套管一些部位發(fā)生變形失效。所以頁(yè)巖氣井壓裂作業(yè)是導(dǎo)致套管變形失效的主要因素之一。

2.5 頁(yè)巖氣井套管變形失效區(qū)域的地質(zhì)特征

除去工程施工因素對(duì)套管變形失效的影響，我們還對(duì)XX1、XX2區(qū)塊發(fā)生套管失效的頁(yè)巖氣井地質(zhì)方面進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 頁(yè)巖氣套管變形失效井地質(zhì)特征統(tǒng)計(jì)

注：只有一種地質(zhì)特征發(fā)生失效的共7口井，占失效井33.3%；失效區(qū)域包含兩種地質(zhì)特征的共2口井，僅占失效井9.5%；失效區(qū)域包含三種地質(zhì)特征的共12口井，占失效井57.2%。共13口井在A點(diǎn)附近存在套管失效，占失效井比例高達(dá)62%。

從表4可以得出：

1)存在斷層的區(qū)域發(fā)生套管變形失效率最高，其次為存在層間穿越的鉆遇情況，近井筒存在各向異性時(shí)套管變形失效發(fā)生率相對(duì)較低。

2)斷層與套管變形失效的相關(guān)性最高，地質(zhì)導(dǎo)向過(guò)程井眼軌跡的層位間穿越與套管變形失效相關(guān)性次之，近井筒地層各向異性影響相對(duì)最小。

3)在A點(diǎn)附近出現(xiàn)如上三種地質(zhì)特征，最易引起套管變形失效。

2.6 頁(yè)巖氣井套管的質(zhì)量因素

在油氣井開(kāi)采過(guò)程中，造成套管發(fā)生損壞的因素很多[5]，本文主要是在頁(yè)巖氣井所用套管的鋼級(jí)、尺寸和材料質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，分析套管的服役工況和井下人工作業(yè)等方面的因素對(duì)套管變形失效的影響。

3 結(jié) 論

1)頁(yè)巖氣井套管變形失效主要發(fā)生在水平井分段壓裂中后期，且主要集中在A點(diǎn)附近。

2)當(dāng)頁(yè)巖氣井出現(xiàn)斷層、層位間穿越與近井筒地層各向異性時(shí)，套管變形失效產(chǎn)生的幾率會(huì)增加，其中斷層條件下發(fā)生套管變形失效的概率很大，因此斷層剪切引起套管相對(duì)錯(cuò)動(dòng)是套管變形失效原因之一。

3)固井質(zhì)量與套管變形失效沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)，但水泥固井后易在套管周圍產(chǎn)生微環(huán)隙局部缺失，造成高內(nèi)壓下套管處于應(yīng)力集中(非均勻)，導(dǎo)致套管塑性變形。

4)頁(yè)巖氣井壓裂作業(yè)是導(dǎo)致套管變形失效的主要原因。