頁巖-液體作用對(duì)套管變形的影響研究

李 皋，李 澤 ，蔣祖軍，于 浩，何 龍

1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500

2.中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽618000

引言

頁巖儲(chǔ)層滲透率低，其開采通常采用水平井結(jié)合體積壓裂的方式[1]，但壓裂后常造成套管變形甚至擠毀的現(xiàn)象，資料顯示，中國石油威遠(yuǎn)地區(qū)開發(fā)前期套管變形井占總井?dāng)?shù)的50%以上，中國石化威榮地區(qū)前期完井的6 口井，有5 口井發(fā)生了套管變形現(xiàn)象[2]。套管變形問題已成為制約頁巖氣高效開發(fā)的瓶頸。

學(xué)者們針對(duì)頁巖氣開采過程中面臨的套管變形開展了大量研究。Zoback 等指出，在頁巖儲(chǔ)層壓裂過程中將產(chǎn)生剪應(yīng)力場，在剪應(yīng)力作用下儲(chǔ)層將沿頁巖層理面或天然裂縫滑移從而導(dǎo)致套管變形[3-6]。Furui 等指出，在大斜度井中由于壓裂作業(yè)可以導(dǎo)致儲(chǔ)層的壓實(shí)效應(yīng)，會(huì)帶來井筒失穩(wěn)和套管變形問題[7]。練章華等針對(duì)壓裂改造過程中的頁巖地層開展分析，認(rèn)為體積壓裂過程中會(huì)出現(xiàn)張應(yīng)力及零應(yīng)力區(qū)，各級(jí)壓裂之間相互干擾而出現(xiàn)“虧空連通”現(xiàn)象，迫使套管發(fā)生彎曲變形和軸向S 形變形[8]。林鐵軍等認(rèn)為，壓裂導(dǎo)致的地應(yīng)力重分布與巖石力學(xué)性能下降是造成套管變形的原因[9-10]。席巖等指出，壓裂過程中力-熱耦合作用將對(duì)套管變形產(chǎn)生影響[11-12]。同時(shí)，固井質(zhì)量對(duì)套管變形的影響也是相關(guān)學(xué)者的關(guān)注重點(diǎn)[13-14]。

引發(fā)套管變形的原因復(fù)雜，前人對(duì)套管變形的研究多集中于儲(chǔ)層構(gòu)造特征及儲(chǔ)層所處的復(fù)雜應(yīng)力場環(huán)境，關(guān)于頁巖本身性質(zhì)及頁巖-液體作用對(duì)套管變形的影響研究較少。

基于頁巖微觀機(jī)理及力學(xué)性質(zhì)研究，提出液巖反應(yīng)產(chǎn)生的作用力對(duì)套管應(yīng)力具有顯著影響。減少水泥環(huán)彈性模量能夠降低套管應(yīng)力峰值強(qiáng)度。根據(jù)測井資料解釋成果預(yù)測可能出現(xiàn)的套管變形區(qū)，在該區(qū)域采用密集射孔方式，對(duì)防治頁巖-液體作用導(dǎo)致的套管變形問題具有積極效果。

1 頁巖-液體作用機(jī)理及影響

巖石礦物含量是影響頁巖物理性質(zhì)的重要因素，采用威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖開展礦物成分分析，測試結(jié)果如表1 所示。

由表1 可見，龍馬溪組頁巖所含主要礦物成分為石英及黏土礦物。但黏土礦物中主要為伊利石及綠泥石，不含水敏性黏土礦物，混層比低?？梢婍搸r巖性表現(xiàn)為硬脆性，水化膨脹能力弱。

表1 頁巖礦物組分分析Tab.1 Analysis of shale_mineral components %

利用成像測井資料對(duì)頁巖構(gòu)造特征開展分析，如圖1 所示。

圖1 頁巖成像測井顯示圖Fig.1 Imaging logging of shale

圖1 成像測井解釋中左側(cè)為頁巖層理縫、右側(cè)為壓裂縫，內(nèi)部顯示為不同角度的天然縫。可見頁巖結(jié)構(gòu)致密，成層理狀分布，同時(shí)發(fā)育有天然裂縫，壓裂后形成的人工裂縫將溝通層理及天然裂縫，為液相提供滲流通道。

為測試地層壓力環(huán)境下工作液與頁巖反應(yīng)后的巖石形變情況，現(xiàn)利用泥頁巖應(yīng)力應(yīng)變測試儀測試頁巖在恒定壓力環(huán)境下的形變。利用油壓泵將壓力設(shè)置為30 MPa，5 次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

從圖2 可見，液體-頁巖反應(yīng)作用下的頁巖形變程度較低，壓力作用下浸泡24 h 后的頁巖應(yīng)變均低于0.5%，但其形變程度呈現(xiàn)出隨時(shí)間增長而增加的趨勢。頁巖在液體作用下引起裂縫的層間膨脹[15]，從而導(dǎo)致頁巖的形變。壓裂后形成的壓裂縫將提升液相侵入頁巖的能力，造成頁巖-液體反應(yīng)后的巖石形變量增加。但由于頁巖的水敏性黏土礦物含量少，導(dǎo)致頁巖在液相作用下的應(yīng)變總體較低。

圖2 壓力作用下頁巖線性應(yīng)變Fig.2 Linear strain of shale under pressure

選取8 塊威遠(yuǎn)龍馬溪組頁巖巖樣開展三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，測試液巖反應(yīng)后的巖石力學(xué)參數(shù)變化情況，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果平均值如表2 所示。

從表2 可見，頁巖力學(xué)強(qiáng)度較高，液巖反應(yīng)后的力學(xué)參數(shù)下降不明顯，保證了液相侵入后仍具有較高的彈性模量及抗壓強(qiáng)度，因而與液相反應(yīng)后的頁巖在小變形情況下能產(chǎn)生較高的作用力。

表2 頁巖-液體作用對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響Tab.2 Effect of shale liquid interaction on mechanical properties

2 頁巖-液體作用對(duì)套管變形的分析

選取JH-11 井分析套管變形與巖石性質(zhì)間的關(guān)系，如圖3 所示。

據(jù)圖3 可見，JH-11 井該段共出現(xiàn)了3 個(gè)套變區(qū)域（圖中虛線框部分），可見套變均處于泥質(zhì)含量較低而彈性模量較大的區(qū)域。

3 個(gè)套變點(diǎn)處的巖石彈性模量分別為77.5，80.3和64.9 GPa，深度2 920 m 處的套變點(diǎn)彈性模量最大，據(jù)多臂井徑測井結(jié)果可見，此處的套變問題最為嚴(yán)峻。

圖3 JH-11 井巖石力學(xué)參數(shù)與套管變形之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between rock mechanical parameters and casing deformation in Well JH-11

計(jì)算JH-11 井井周巖石體積應(yīng)變及考慮液巖反應(yīng)的套管應(yīng)力與套變區(qū)域的關(guān)系，建立了如圖4a 所示的網(wǎng)格模型。將測井解釋得到的巖石力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)力場隨井深分布等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，液巖反應(yīng)后的巖石形變對(duì)應(yīng)力場的影響滿足[16]

井周的巖石應(yīng)變和套管應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4b所示。

從圖4b 可見，該井段的3 個(gè)套變區(qū)域均發(fā)生在井周巖石應(yīng)變較低的井段，這是由于該區(qū)域巖石性質(zhì)均為彈性模量較高而泥質(zhì)含量較低的頁巖。

液巖反應(yīng)后的頁巖能產(chǎn)生較強(qiáng)的作用力，套管上應(yīng)力在考慮液巖反應(yīng)后，超過了P110 套管的屈服強(qiáng)度758 MPa，產(chǎn)生了套管變形現(xiàn)象。

圖4 巖石應(yīng)變與套管應(yīng)力之間關(guān)系Fig.4 Relationship between rock strain and casing stress

頁巖-液體作用后的巖石變形程度與工作液的波及范圍有關(guān)，不同工作液波及范圍下巖石形變量計(jì)算和實(shí)測結(jié)果見圖5。

圖5 頁巖地層形變量與實(shí)測套管變形量對(duì)比圖Fig.5 Comparison between shale formation deformation and measured casing deformation

由圖5 可見，套管形變量總體處于10～30 mm。頁巖地層形變量與工作液波及半長成正比，但增長速率呈現(xiàn)降低趨勢。工作液波及半長在50～160 m時(shí)，頁巖地層的形變量為10～30 mm，與套管形變實(shí)測數(shù)據(jù)大致吻合，表明頁巖-液體作用導(dǎo)致的頁巖形變是造成套管變形的重要影響因素。

3 基于頁巖-液體作用機(jī)理的套管變形對(duì)策探討

液巖反應(yīng)產(chǎn)生的作用力是影響套管變形的重要因素，本文通過COMSOL 探討改變水泥環(huán)性能及密集射孔對(duì)套管變形的影響。

水泥環(huán)的彈性模量及泊松比是水泥環(huán)的重要力學(xué)性能，本文通過改變水泥環(huán)的彈性模量和泊松比，分析水泥環(huán)性能對(duì)套管應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。

從圖6a 可見，水泥環(huán)彈性模量對(duì)套管應(yīng)力有較明顯的影響，表現(xiàn)為水泥環(huán)彈性模量越小，套管應(yīng)力峰值強(qiáng)度越低。在作業(yè)現(xiàn)場可通過使用泡沫水泥的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥環(huán)彈性模量的大幅度降低，相關(guān)文獻(xiàn)表明，當(dāng)泡沫體積分?jǐn)?shù)超過20%時(shí)，水泥石的彈性模量降低至3.7 GPa[17]，此時(shí)，水泥環(huán)具備彈塑性和抗沖擊能力，將削弱液巖反應(yīng)產(chǎn)生的作用力對(duì)套管應(yīng)力的影響，從而起到保護(hù)套管的作用。圖6b表明，水泥環(huán)泊松比對(duì)套管應(yīng)力的影響微弱，這是由于套管與地層之間的空間有限，通過泊松比調(diào)節(jié)水泥環(huán)變形性能從而削弱頁巖-液體作用對(duì)套管變形影響的效果不明顯。

圖6 水泥環(huán)性能對(duì)套管應(yīng)力的影響Fig.6 Influence of cement performance on casing stress

根據(jù)JH-11 井固井質(zhì)量測井解釋結(jié)果可見（圖7），在深度2 840～2 890 m 處固井質(zhì)量好，但同樣出現(xiàn)了套管變形的現(xiàn)象。這是由于固井水泥環(huán)與地層及套管接觸的兩個(gè)膠結(jié)面均膠結(jié)良好，液巖反應(yīng)產(chǎn)生的作用力無法釋放，導(dǎo)致在該處產(chǎn)生套管變形。

圖7 2 842～2 850 m 井段固井質(zhì)量及多臂井徑測井解釋圖Fig.7 Interpretation of cementing quality and multi arm caliper logging at 2 842～2 850 m

基于上述分析，利用COMSOL Multiphysics 模擬在可能出現(xiàn)的套管變形區(qū)域開展射孔作業(yè)，分析射孔后的套管應(yīng)力變化，計(jì)算參數(shù)見表3。

射孔對(duì)套管應(yīng)力的影響結(jié)果如圖8 所示。

從圖8b 和圖8c 可見，射孔后孔眼位置處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但與圖8a 中未射孔時(shí)的套管應(yīng)力分布相比，在孔眼外的其他區(qū)域，套管應(yīng)力均出現(xiàn)了一定程度的降低，遠(yuǎn)低于P110 級(jí)套管的屈服強(qiáng)度（758 MPa）。這是由于射孔孔眼的出現(xiàn)為液巖反應(yīng)產(chǎn)生的作用力提供了釋放空間，導(dǎo)致該作用力在施加于套管前出現(xiàn)了衰減。

相關(guān)研究指出，隨著射孔密度的增加，射孔孔眼附近的應(yīng)力逐漸增大，而套管強(qiáng)度下降，但二者變化幅度較小，在孔密小于20 孔/m 時(shí)，對(duì)套管強(qiáng)度影響不明顯[18-19]，表明密集射孔對(duì)解決因頁巖-液體作用而造成的套管變形問題將起到積極效果。

表3 井周巖石應(yīng)變及套管應(yīng)力計(jì)算參數(shù)Tab.3 Calculation data of rock strain around well and casing stress

為探討射孔對(duì)JH-11 井套管變形現(xiàn)象的影響，取深度為2 842～2 851 m、2 911～2 921 m 的兩個(gè)套變區(qū)域進(jìn)行研究，在如圖9a 所示的兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行密集射孔，2 840～2 850 m 區(qū)域處的套管Von Mises 應(yīng)力分布云圖如圖9b 所示。

從圖9b 可見，套管上孔眼位置處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但除孔眼處的其他位置應(yīng)力均低于700 MPa，小于套管的屈服強(qiáng)度。

圖8 射孔對(duì)套管應(yīng)力的影響Fig.8 Impact of perforation on casing stress

取未經(jīng)過孔眼的路徑計(jì)算深度范圍為2 800～3 000 m 井段套管Von Mises 應(yīng)力分布，并與未射孔情況下的應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9c所示。

由圖9c 可見，在未經(jīng)過孔眼的路徑上，射孔后套管應(yīng)力下降明顯，在兩個(gè)套變區(qū)域均降低約150 MPa，達(dá)到650 MPa 左右，在此載荷條件下，套管的安全性將得到有效保證。

圖9 射孔對(duì)JH-11 井套管應(yīng)力的影響Fig.9 Effect of perforation on casing stress in JH-11

4 結(jié)論

（1）頁巖成層理狀分布，發(fā)育有天然裂縫，壓裂后形成的人工裂縫將溝通天然裂縫形成縫網(wǎng)，為液相流動(dòng)提供空間。頁巖-液體作用引發(fā)裂縫層間膨脹從而導(dǎo)致頁巖產(chǎn)生微弱形變。

（2）頁巖力學(xué)強(qiáng)度高且液巖反應(yīng)后未出現(xiàn)明顯降低，頁巖-液體反應(yīng)產(chǎn)生膨脹而導(dǎo)致的作用力施加在套管上是造成套管應(yīng)力增加的重要因素。套管變形程度與工作液波及范圍成正比。

（3）降低水泥環(huán)彈性模量或采用密集射孔能有效防治因頁巖-液體作用而導(dǎo)致的套管變形，改變水泥環(huán)泊松比的效果不明顯。