頁巖氣水平井多級壓裂過程中套管變形研究綜述

席 巖，李 軍，柳貢慧，2，曾義金，李劍平

(1.中國石油大學，北京 102249；2.北京工業(yè)大學，北京 100022；3.中國石化石油工程技術研究院，北京 100029；4.中國石油測井有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

水平井技術和多級壓裂工藝是頁巖氣開發(fā)的主要手段[1-7]。水平井較長的水平段使得儲層力學性質沿井筒方向變化差異大，多級壓裂施工使得套管壓力、溫度劇變，導致水平段套管處于復雜、極端的力學環(huán)境中，極易發(fā)生變形[8-15]。目前，美國、加拿大和中國在頁巖氣井壓裂過程中均出現了套管變形，導致施工作業(yè)成本增加、單井產能降低。針對該問題，國內外學者開展了研究：沈新普[16]認為，壓裂時的高內壓是誘發(fā)套管變形的決定因素；Lian、于浩等[17-20]指出，壓裂過程中地應力的重分布誘發(fā)了套管變形；蔣可、李黔等[21]認為，套管偏心和水泥環(huán)缺失導致應力集中超過套管屈服強度，進而導致套管變形；田中蘭、Yan、Xi等[22-24]指出，環(huán)空束縛水體積收縮和壓力劇降導致套管內外壓力失衡進而引發(fā)套管變形；Liu、高德利等[25-26]認為，壓裂液進入套管與水泥環(huán)之間的微環(huán)隙，溫度和壓力交變作用下易形成局部載荷壓迫套管變形；陳朝偉[27-28]等經研究得出，斷層和層理發(fā)育是套管剪切變形的內因、水力壓裂是外因的結論；高利軍[29-30]等分析了套管剪切變形時裂縫傾角、套管壁厚等因素對套管變形的影響。以上研究主要分析了頁巖氣井壓裂過程中不同地質、工程因素對套管應力或者變形的影響，但在變形機理方面尚無一致結論。

通過對美國、加拿大、中國頁巖氣水平井多級壓裂過程中套管變形數據的統(tǒng)計，明確了套管變形點分布特征及變形特點，分析了壓裂過程中導致套管強度降低的影響因素，運用力學實驗和數值模擬方法，計算了熱-流-固耦合作用下套管應力動態(tài)變化，研究了環(huán)空束縛流體、巖性界面對套管應力的影響以及溫壓交變、地層滑移對套管應變的影響。研究成果回顧了壓裂過程中套管變形理論和實踐分析，明確了導致套管變形的主控因素，可為頁巖氣井壓裂過程中套管完整性的設計、控制提供有效參考。

1 頁巖氣水平井套管變形特征

1.1 套管變形現象多發(fā)

美國、加拿大頁巖氣開發(fā)相對中國較早，部分研究表明頁巖氣井套管變形比例相對常規(guī)油氣井較高[31]。Adams等[32]指出奧克拉荷馬頁巖氣水平井在跟端出現了嚴重的套管變形。加拿大薩蒙內特地區(qū)都沃內頁巖儲層壓裂過程中出現了嚴重的套管變形，統(tǒng)計數據顯示：2個平臺上14口深層頁巖氣水平井(垂深大于3 500 m)中，11口出現了套管變形，變形點多達19個。

中國頁巖氣水平井套管變形問題較為顯著。截至2016年3月，威遠-長寧已壓裂水平井90口，32口井出現了套管變形問題，共發(fā)現套管變形點47個，導致110段壓裂段被放棄。截至2016年12月底，涪陵地區(qū)發(fā)現套管變形井8口，導致66段壓裂段被放棄。截至2018年5月，威遠-榮縣深層頁巖氣水平井已壓裂6口，5口出現嚴重套管變形，變形點17個，導致14段壓裂段被放棄。

1.2 套管變形特征分析

(1) 分布特征。以威遠-長寧32口井47個套管變形點為例進行分析。位置分布：從趾端到跟端逐漸增多，跟端附近(±200 m)最多占46.8%；加拿大薩蒙內特地區(qū)頁巖氣井變形點具有類似分布特征。時間分布：套管變形主要在下橋塞或鉆橋塞時發(fā)現，部分位置變形程度隨時間不斷加劇。W201-H1、N201-H1、NH3-2井下橋塞過程中分別在1 882、3 490、2 834 m遇阻，鉆橋塞時在1 879、3 491、2 837 m發(fā)現嚴重變形。

(2) 變形形態(tài)。以加拿大2個平臺19個套管變形點為例進行分析。統(tǒng)計結果表明：剪切變形和擠壓變形是套管變形的主要形式，分別占47.3%和21.58%。部分學者研究結果表明，中國威遠地區(qū)大多數變形點(61.7%)位于天然裂縫或斷層附近，具有典型的剪切變形特征[33-40]；涪陵地區(qū)頁巖氣井鉛印形狀表明部分套管變形點為壓縮變形。

2 多級壓裂過程中套管強度和應力分析

針對常規(guī)油氣井套管變形問題的研究較多[29-32]，油氣衰竭、蒸汽注入、儲層注水、鹽巖蠕變、泥巖水化等均可能導致套管變形，但這與頁巖氣水平井壓裂過程中出現套管變形的工程背景差異較大，在變形機理上存在較大差距，可借鑒意義較小。經過分析可知，頁巖氣水平井壓裂過程中，彎曲應力、儲層高溫、溫度變化、套管磨損會對套管強度產生影響，頁巖各向異性和熱-流-固耦合作用則會對套管應力產生影響。

2.1 壓裂過程中水平段套管強度降低原因分析

(1) 狗腿度過大導致彎曲應力出現，進而削弱套管抗外擠強度[41]。分析結果表明：套管變形點處狗腿度并非最大，狗腿度最大處套管并未變形；變形處最大狗腿度為0.24 °/m，抗外擠強度下降4.3%，強度下降不明顯。

(2) 儲層高溫導致套管抗外擠強度下降。部分學者基于實驗方法對不同溫度下套管強度變化進行了分析[42]。實驗結果表明，即使在深層頁巖氣井中，儲層溫度達到130 ℃，P110鋼級套管抗外擠強度僅下降5%左右，影響較小。

(3) 壓裂過程中套管溫度劇降導致套管抗外擠強度降低?；谧畲髴兡芾碚撨M行計算[43-44]，結果表明當井底溫度為95 ℃、壓裂液溫度為20 ℃、排量為16 m3/min時，考慮溫度瞬態(tài)變化時P110套管抗外擠強度下降值為16%，影響較為顯著。

(4) 鉆橋塞或下入鉆銑工具過程中，連續(xù)油管在造斜段緊貼套管內壁，容易產生摩擦，導致套管出現磨損，現場測量數據表明磨損程度達到20.6%[45]?？紤]溫度-壓裂耦合作用進行計算，此種程度磨損導致P110套管抗外擠強度降低12.4%[46]。

2.2 壓裂過程中套管應力計算

頁巖氣井壓裂過程中水平段套管內壓已經達到甚至超過抗內壓強度。以實鉆井H6-2井為例，數值計算結果表明，P110套管最大應力為291.2 MPa，安全系數為2.6，套管不會發(fā)生變形。為更加準確地反映套管在井下的實際情況，基于頁巖各向異性力學實驗獲得相應參數，參考相關經驗公式[47]計算剪切模量，建立數值模型進行計算。結果表明：頁巖各向異性提升了套管應力，提升幅度約為8.3%，其中，彈性模量各向異性更敏感[48]。

頁巖氣井壓裂過程中井筒組合體溫度時刻發(fā)生變化，同時刻不同位置、同位置不同時刻套管應力均不相同。建立壓裂過程中井筒溫度場模型并對比商業(yè)軟件計算結果[49]，采用間接耦合方法將井筒溫度場賦予數值模型[50-51]，計算熱-流-固耦合作用下套管應力動態(tài)變化。結果表明：壓裂過程中套管應力先迅速升高，然后緩慢下降，最大應力為545.1 MPa，相對不考慮耦合作用增幅達86.9%(圖1)。出現上述變化的主要原因是壓裂液進入井筒后，套管內壁遇冷劇烈收縮，外壁來不及冷卻變形，變形不協(xié)調導致內壁受拉、外壁受壓，內壁應力迅速提高；壓裂一段時間后，冷卻速度穩(wěn)定，外壁收縮趨勢增強，內壁收縮趨勢減弱，應力逐漸降低。

圖1 不同排量(Q)下套管應力變化

3 套管變形主控因素分析

3.1 環(huán)空束縛流體

頁巖氣水平井水平段較長，套管極易發(fā)生偏心，導致水泥漿周向流速不均引發(fā)竄槽，形成環(huán)空束縛流體[22-24]。壓裂過程中，環(huán)空束縛流體溫度和壓力劇降，導致套管內外壓失衡進而引發(fā)套管變形。套管測井數據表明，部分套管變形位置與環(huán)空束縛流體所在位置重合[23]。數值模型計算結果表明：隨著環(huán)空束縛流體角度的增大，套管應力先增大后減?。浑S著環(huán)空束縛流體壓力的降低，套管應力不斷增大。但計算結果表明，環(huán)空束縛流體對套管應力的影響受幾何形態(tài)和壓力變化影響較大，并不是所有出現環(huán)空束縛流體的位置套管應力均會超過屈服強度。

3.2 頁巖儲層中的巖性界面

威遠-長寧頁巖氣井測井數據表明，巖性界面處容易出現套管變形。加拿大頁巖氣井也出現了類似情況，套管變形位置與自然伽馬變化劇烈處出現重合。基于測井數據，將數值模型中的地層設置成力學性質不同的2部分，計算結果表明，巖性界面處套管應力急劇增加，相對套管原始最高應力增幅達到44.3%。但對多口井的計算結果表明，雖然巖性界面顯著提升了套管應力，但其對套管應力的影響與所處位置的地應力情況以及儲層力學性質有顯著關聯(lián)，并不是所有的巖性界面處都會出現套管變形。

3.3 循環(huán)壓力-溫度載荷

頁巖氣水平井多級壓裂過程中，壓力-溫度耦合且發(fā)生交變，從2個方面影響套管應力：①實驗結果表明，循環(huán)壓力和循環(huán)溫度分別導致水泥環(huán)彈性模量降低7.3%和11.2%，進而導致套管應力升高?？紤]近井筒頁巖彈性模量變化具有相同規(guī)律，若變化值沿井筒徑向呈指數關系下降，循環(huán)10次后套管應力提升9.6%。②基于隨動強化理論，若套管應力超過屈服強度，壓縮屈服強度會在多次壓裂過程中不斷降低，最終導致套管應力大于壓縮屈服強度，出現擠壓變形。數值計算結果表明，一定力學條件下，10次循環(huán)后套管壓縮屈服強度可降低22.3%，壓縮變形也會從彈性變形過渡到塑性變形，最終塑性變形達到27.7%。楊再葆[52]等人指出，這種頻繁的軸向拉伸和徑向縮脹類似“呼吸作用”，內壓力和外擠力的急劇變化會對套管造成嚴重影響，加快變形或者縮徑。套管跟端是承受循環(huán)溫壓作用次數最多的部位，產生變形的風險也最高，這與統(tǒng)計數據所顯示的跟端變形點最多的規(guī)律較為對應。

3.4 壓裂過程中的地層滑移

多級壓裂過程中，壓裂液進入天然裂縫或者層理弱面后，容易導致斷層發(fā)生滑移[15，19-20]。微地震測量結果表明，威遠地區(qū)套管變形井53.6%的變形點處在天然裂縫或者層理弱面處。前人研究結果表明，地層傾角越大，套管發(fā)生剪切變形風險就越大[53]。數值分析計算結果表明，地層與套管成正交時，地層滑移60 mm，套管變形為56.23 mm。該條件下，水泥環(huán)壁厚增加16 mm，套管變形程度降低4.8%；套管壁厚增加6 mm，套管變形程度降低14.4%，增加套管壁厚更有益于減緩套管變形。

針對該問題，李留偉[36]等提出，要在設計階段使井段軌跡避開天然裂縫帶，或者順裂縫帶走向鉆進，避免天然裂縫橫切套管，從而達到規(guī)避斷層直角剪切套管的風險；李軍、席巖[54]等提出，可以針對套管變形風險段進行分段固井，即在裂縫或者斷層較為顯著的位置，采取注入高黏流體不固井的方式，可為斷層滑移增加空間，同時可將多級壓裂過程中可能產生的極端非均勻外擠載荷轉化為均勻外擠載荷，從而達到保障套管完整性的目的。美國部分頁巖氣井在固井工藝開展過程中采用了類似方法，套管變形問題顯著減少[55]。

4 結 論

(1) 套管變形問題是世界范圍內頁巖氣開發(fā)過程中的共性問題，變形點具有從趾端到跟端逐漸變多的分布特點，變形的主要形式是剪切和擠壓變形，且部分變形點變形程度隨時間推移不斷加劇。

(2) 壓裂過程中的溫度變化導致套管抗外擠強度降低。熱-流-固耦合作用可大幅提升套管應力，且隨著壓裂液排量的不斷增加，套管應力不斷升高；環(huán)空束縛流體、巖性界面增加了套管應力，但并不是導致套管出現屈服變形的充分條件。

(3) 溫-壓交變作用降低了水泥環(huán)彈性模量，提升了套管應力，且一旦套管應力超過屈服強度，會加劇套管變形速度引發(fā)擠壓變形；地層滑移是套管剪切變形的主要原因，優(yōu)化井眼軌跡或者采用分段固井方法，有利于避免套管剪切變形。

(4) 基于對美國、加拿大、中國頁巖氣套管變形情況的介紹，回顧了頁巖氣水平井壓裂過程中套管變形理論與實踐分析，明確了可能誘發(fā)套管變形的各類影響因素，研究結果對于頁巖氣井套管完 整性的保護具有一定借鑒意義。