基于套管保護(hù)的頁巖氣井壓裂簇間距優(yōu)選*

張鑫 李軍 何龍 喬智國 張迪

(1.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院 2.中國石化西南油氣分公司3.中國石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院 4. 中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部)

0 引 言

頁巖氣貯存于埋藏深、巖性致密的頁巖當(dāng)中，其商業(yè)化開發(fā)需要借助于水平井鉆井及水力壓裂完井技術(shù)。頁巖氣井壓裂的目的是形成多個(gè)主裂縫與分支裂縫相互交織的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而獲取最大儲(chǔ)集層改造體積。頁巖儲(chǔ)層在被簡化成均質(zhì)無天然裂縫的條件下，依據(jù)巖石破裂準(zhǔn)則，單條水力裂縫沿著垂直于最小水平主應(yīng)力的方向擴(kuò)展，并在裂縫擴(kuò)展路徑及裂縫面附近形成誘導(dǎo)應(yīng)力(又稱應(yīng)力陰影)。然而頁巖儲(chǔ)層并非完全均質(zhì)，多條水力裂縫間應(yīng)力場相互干擾，在克服兩向水平主應(yīng)力差值的過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)或溝通天然裂縫，這樣便提高了裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。從提高頁巖氣井的產(chǎn)能角度來看，裂縫網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜越好。然而這種壓裂過程中井筒附近地應(yīng)力的重新分布必然會(huì)對(duì)套管應(yīng)力產(chǎn)生影響，裂縫擴(kuò)展方向的不確定性越高，對(duì)套管的潛在影響越大。無論是中石油還是中石化頁巖氣井壓裂過程中都出現(xiàn)了嚴(yán)重的套管變形問題。

A.A.DANESHY[1]研究了壓裂過程的不平衡裂縫造成套管的擠毀，認(rèn)為壓裂產(chǎn)生了不對(duì)稱裂縫和不均勻地應(yīng)力，導(dǎo)致了地層沿著弱界面和破裂面滑移，從而對(duì)套管產(chǎn)生了拉伸和剪切作用。于浩等[2]指出，非對(duì)稱水力壓裂會(huì)導(dǎo)致地層巖石變形不平衡，造成套管不對(duì)稱，擠壓載荷或套管周圍應(yīng)力虧缺?？紤]水力壓裂過程中壓裂液與地層溫度的相互影響，YIN F.等[3]研究了水力壓裂過程中的周期性熱應(yīng)力對(duì)套管的影響，結(jié)果表明冷壓裂液引起的環(huán)空壓力變化會(huì)增加套管變形的風(fēng)險(xiǎn)。張煒烽等[4]計(jì)算了高泵壓大排量體積壓裂情況下套管彎曲應(yīng)力，指出壓裂結(jié)束時(shí)管內(nèi)突然泄壓會(huì)使套管處于抗外擠失效的最危險(xiǎn)工況。席巖等[5]發(fā)現(xiàn)差的固井質(zhì)量，如套管偏心或水泥環(huán)缺失，會(huì)使套管承受不對(duì)稱載荷，使套管的抗擠強(qiáng)度顯著降低。劉偉等[6]運(yùn)用有限元方法模擬了非對(duì)稱壓裂條件下套管受力及變形情況，研究結(jié)果表明，井筒周圍非對(duì)稱改造會(huì)導(dǎo)致套管發(fā)生整體側(cè)向彎曲載荷，在斷層存在的條件下會(huì)使套管產(chǎn)生嚴(yán)重的剪切變形。連威等[7]在前人壓裂液浸泡頁巖試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了頁巖強(qiáng)度折減條件下的井筒組合體計(jì)算模型，進(jìn)行了頁巖強(qiáng)度降低對(duì)套管變形的影響因素分析，發(fā)現(xiàn)壓裂過程中頁巖強(qiáng)度會(huì)發(fā)生折減，產(chǎn)生垂向位移，從而導(dǎo)致套管在垂向上產(chǎn)生變形。

尹建等[8]建立了壓裂過程中水力裂縫擴(kuò)展誘導(dǎo)應(yīng)力場計(jì)算方法，根據(jù)水力裂縫擴(kuò)展過程中水平最大、最小主應(yīng)力和誘導(dǎo)應(yīng)力之間的關(guān)系變化，提出了射孔間距優(yōu)化方案。但是這類的壓裂射孔參數(shù)優(yōu)化目的僅僅是為了獲得更大的改造體積，未考慮其改造效果對(duì)套管應(yīng)力的影響。因此，本文在前人的研究基礎(chǔ)上，在不影響頁巖氣井改造效果的前提下，綜合考慮壓裂過程中地應(yīng)力分布，提出了基于套管保護(hù)的頁巖氣水平井壓裂段簇間距優(yōu)化方法。研究結(jié)果對(duì)于解決頁巖氣水平井壓裂過程中出現(xiàn)的套管變形問題有一定的指導(dǎo)與借鑒意義。

1 威榮區(qū)塊套管變形規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析

威榮區(qū)塊頁巖氣儲(chǔ)層深，具有高破裂壓力、高停泵壓力、高閉合壓力的特征，為獲得好的增產(chǎn)改造效果，需要進(jìn)行大規(guī)模、甚至超高壓壓裂。截至2019年初，在威榮區(qū)塊完成改造、試氣的6口井中，5口井出現(xiàn)套管變形問題。這影響了泵送橋塞及射孔槍聯(lián)作實(shí)施，導(dǎo)致有利儲(chǔ)層無法實(shí)現(xiàn)針對(duì)性改造，放棄的壓裂段數(shù)量達(dá)14段。同時(shí)也影響了頁巖氣的產(chǎn)能建設(shè)，造成投入物資浪費(fèi)。

目前發(fā)生套管變形的5口井15處位置如圖1所示。從圖1可以看出，變形主要發(fā)生在第6～13段壓裂期間，其中水平段中部6次，A靶點(diǎn)附近6次，B靶點(diǎn)附近3次。在發(fā)生套變后致使電纜泵送橋塞及射孔槍遇阻，相應(yīng)工具不能通過下入，影響后期壓裂。

圖1 威榮區(qū)塊一期套變井套管變形位置統(tǒng)計(jì)

在出現(xiàn)的套變井中，僅在威頁11-1HF井遇阻位置4 698 m處進(jìn)行了打鉛印作業(yè)，證實(shí)發(fā)生套變。從出井鉛印可以看出，鉛印一側(cè)出現(xiàn)磨損，說明套管至少出現(xiàn)一側(cè)內(nèi)陷變形。推測其可能受到地層的擠壓作用或者斷層的剪切作用。

由以上統(tǒng)計(jì)可總結(jié)得出，套管損壞大多發(fā)生在后半段，也就是壓裂的前幾段內(nèi)套損發(fā)生概率很小?？梢岳斫鉃槎嗉?jí)壓裂造成套管損壞變形是一個(gè)累積的過程，前面壓裂導(dǎo)致地應(yīng)力發(fā)生變化(非均勻，不對(duì)稱)且不斷累積，在后續(xù)壓裂過程中這種累積的非均勻地應(yīng)力直接作用在水泥環(huán)-套管組合體上，或者激活存在的天然斷層進(jìn)而剪切套管。當(dāng)套管承受的等效應(yīng)力大于其屈服強(qiáng)度后，套管發(fā)生變形。當(dāng)變形量達(dá)到一定數(shù)值后，會(huì)導(dǎo)致井下工具下入遇阻。從現(xiàn)場反饋的結(jié)果來看，套管變形發(fā)生位置與天然裂縫分布有一定的對(duì)應(yīng)性，但也存在套管變形位置處不存在天然裂縫或斷層的情況。從根本上說，都是壓裂過程中地應(yīng)力變化引起的，因此本文只探討壓裂過程中近井筒誘導(dǎo)應(yīng)力疊加效應(yīng)及不同簇間距條件下地應(yīng)力情況。初步可以認(rèn)為，套管變形的主要原因是多級(jí)壓裂過程中水力裂縫的非均勻擴(kuò)展而造成的近井筒地應(yīng)力非對(duì)稱累加效應(yīng)。

2 裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力模型

2.1 單條裂縫

為了使裂縫更容易起裂，在壓裂設(shè)計(jì)中，射孔方向即裂縫起裂方向往往垂直于水平最小主應(yīng)力方向。假設(shè)無限大頁巖儲(chǔ)層中一條垂直于井筒的裂縫在水平方向上對(duì)稱擴(kuò)展，簡化模型如圖2所示。

圖2 水平方向上對(duì)稱裂縫擴(kuò)展示意圖

裂縫擴(kuò)展過程中，對(duì)附近頁巖產(chǎn)生應(yīng)力干擾作用，進(jìn)而引起近井筒地應(yīng)力重新分布。根據(jù)彈性力學(xué)基本理論，需要聯(lián)立彈性力學(xué)的平衡微分方程、幾何方程及物理方程求解。前人求得圖2坐標(biāo)系下兩個(gè)方向的近井筒地應(yīng)力解析解為[9]：

(1)

(2)

式中：σX、σY分別為X、Y方向上的誘導(dǎo)應(yīng)力，MPa;pn為裂縫內(nèi)凈壓力，MPa;L為裂縫半縫長，m；r為該位置到裂縫起裂位置的距離,m；r1、r2分別為到裂縫尖端的距離,m；θ為該位置與起裂位置處裂縫面的夾角，(°)；θ1、θ2分別為該位置與裂縫尖端的夾角，(°)。

2.2 多級(jí)壓裂裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力計(jì)算模型

頁巖氣井壓裂段內(nèi)往往進(jìn)行多簇射孔，多條水力裂縫同時(shí)擴(kuò)展，相互干擾。假設(shè)多條裂縫垂直于井筒起裂并相互平行擴(kuò)展，多級(jí)裂縫擴(kuò)展的物理模型可以簡化為圖3所示模型。

圖3 多裂縫擴(kuò)展誘導(dǎo)應(yīng)力疊加示意圖

首先以其中任意一條裂縫作為研究對(duì)象，則該裂縫附近沿井筒方向的地應(yīng)力變?yōu)椋?/p>

(3)

水平最小主應(yīng)力、裂縫壁面凈壓力以及裂縫內(nèi)液體壓力之間的關(guān)系為：

σh+pn=pL

(4)

式中：pL為水力裂縫內(nèi)液體壓力，MPa。

壓裂過程中，水力裂縫向前擴(kuò)展，裂縫壁面凈壓力與地應(yīng)力相互作用，引起地應(yīng)力大小改變；另一方面地應(yīng)力的變化又會(huì)反作用于裂縫凈壓力。根據(jù)地應(yīng)力與裂縫面凈壓力的相互作用，式(4)可以寫為：

(5)

裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展過程中一定的時(shí)間內(nèi)，裂縫內(nèi)的液體壓力可以被認(rèn)為近似恒定，于是聯(lián)立式(4)和式(5)并將式(3)帶入，則有：

∑σX+Tn=pn

(6)

式中：Tn為修正后的裂縫面凈壓力，MPa。

令

則式(1)可以進(jìn)一步簡化為：

σX=-pn1A

(7)

在圖2所示的多級(jí)裂縫擴(kuò)展條件下，設(shè)n條人工裂縫的最初裂縫面凈壓力分別為pn1，pn2，……，pnn，其修正后的凈壓力分別為Tn1，Tn2，……，Tnn，裂縫i對(duì)裂縫j產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力系數(shù)用Aij表示。在公式(6) 所列的平衡條件下，列出對(duì)應(yīng)的矩陣方程[10]：

(8)

根據(jù)前面推導(dǎo)的二維垂直單裂縫擴(kuò)展誘導(dǎo)應(yīng)力分布公式，則n條水力裂縫擴(kuò)展過程中誘導(dǎo)應(yīng)力大小為:

(9)

(10)

式中：σXn、σYn為第n條裂縫擴(kuò)展過程中產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力在水平最大、最小主應(yīng)力方向的分量，MPa；Tnn為第n條裂縫壁面修正凈壓力，MPa。

按照矢量的疊加原理，前面壓開的n條裂縫在井筒附近點(diǎn)(x，y)處產(chǎn)生的誘導(dǎo)應(yīng)力總和可以寫成：

(11)

3 多級(jí)裂縫擴(kuò)展有限元模擬

3.1 模型建立及參數(shù)條件

借助有限元模型，模擬計(jì)算了不同裂縫間距下多裂縫擴(kuò)展規(guī)律及地應(yīng)力變化規(guī)律。模型示意圖如圖4所示，模型寬度為500 m，長度為500 m，共模擬段內(nèi)5簇裂縫的起裂和擴(kuò)展過程。裂縫間距分別為10、20和30 m。最外側(cè) 2 條裂縫距離邊界最小為 190 m，能夠消除邊界條件的影響。

圖4 預(yù)置水力裂縫有限元模型

采用多孔介質(zhì)流固耦合單元模擬頁巖儲(chǔ)層巖石的性質(zhì)。預(yù)置5條射孔孔道，采用cohesive單元模擬水力裂縫的擴(kuò)展。頁巖巖石彈性模量為 30 GPa，泊松比為 0.25。頁巖氣藏滲透率為 0.1 mD，孔隙度為 6%。初始X方向有效應(yīng)力為86 MPa，Y方向有效應(yīng)力為 102 MPa。擴(kuò)展準(zhǔn)則采用 “Benzeggagh-Kenane” 形式的損傷模式 (能量 BK 準(zhǔn)則)，斷裂能為 9 000 J/m2。

模型中通過設(shè)置分析步，按照從右到左的順序依次壓開。壓裂液(清水)黏度為 0.001 Pa·s，注入排量為 10 m3/min，注入時(shí)間為 100 s 。

3.2 計(jì)算結(jié)果

運(yùn)用有限元軟件模擬計(jì)算了多簇裂縫擴(kuò)展時(shí)沿井筒與垂直于井筒方向的地應(yīng)力變化情況，分別如圖5和圖6所示。

圖6 壓裂結(jié)束后S22方向地應(yīng)力模擬結(jié)果

S11表示水平最小主應(yīng)力方向，也就是沿著水平井筒的方向。從圖5計(jì)算結(jié)果可以看出，小簇間距條件下裂縫間干擾現(xiàn)象越明顯，地應(yīng)力增加值更大。但整體來看，大簇間距條件下整個(gè)壓裂段對(duì)井筒周圍地應(yīng)力地影響范圍更大。

S22表示水平最大主應(yīng)力方向，也就是垂直于水平井筒的方向。垂直于井筒方向的地應(yīng)力變化更容易引發(fā)對(duì)套管的剪切破壞。由于頁巖地層的非均質(zhì)性及復(fù)雜的地應(yīng)力條件，人工水力裂縫不可能總是按照射孔方向向前擴(kuò)展。數(shù)值模擬剛好隨機(jī)模擬了這種情況，如圖6所示。正是這種裂縫隨機(jī)擴(kuò)展造成了井筒周圍應(yīng)力非對(duì)稱的累積、疊加，引起井筒周圍地層變形進(jìn)而擠壓套管，使套管發(fā)生變形。

圖7是正常壓裂條件下與壓裂段距離不同位置處近井筒地應(yīng)力增加情況。數(shù)據(jù)提取點(diǎn)位于第5級(jí)裂縫左側(cè)近井筒位置，距離第5級(jí)裂縫D分別為10、20、30、40和50 m。從圖7可以看出，多級(jí)裂縫擴(kuò)展結(jié)束后，近井筒地應(yīng)力整體明顯增加。而在壓裂過程中，地應(yīng)力成波動(dòng)性增加，當(dāng)進(jìn)行第3級(jí)壓裂之前，由于數(shù)據(jù)點(diǎn)距離壓裂位置較遠(yuǎn)，該處近井筒地應(yīng)力變化不明顯。由此可見，壓裂過程中地應(yīng)力累積及傳播有一定的范圍。同時(shí)，從第5級(jí)裂縫壓裂過程中可以看出，距離壓裂段越近，近井筒地應(yīng)力波動(dòng)范圍越大。在這種地應(yīng)力條件下，套管反復(fù)承受交變載荷，更容易發(fā)生變形失效。

圖7 壓裂過程中近井筒不同位置處地應(yīng)力變化情況

4 簇間距對(duì)地應(yīng)力影響分析

壓裂過程中套管變形往往發(fā)生在后續(xù)壓裂段位置，如23-1井，進(jìn)行第二段壓裂結(jié)束后，第5段壓裂段位置出現(xiàn)了套管變形問題。因此有必要研究整段壓裂結(jié)束后對(duì)地應(yīng)力的影響。

為了說明多個(gè)壓裂段施工后對(duì)近井筒地應(yīng)力的影響程度，取距離最后一級(jí)裂縫后方100 m位置處近井筒地應(yīng)力增加值繪制圖形。不同壓裂參數(shù)下，壓裂后S11和S22方向上的地應(yīng)力增加情況如圖8所示。

圖8中M表示簇間距，即簇間距分別為10、20和30 m。由圖8可以看出，在與最后一級(jí)水力裂縫距離相同位置處，地應(yīng)力隨簇間距縮小而增大。也就是說，簇間距越小，地應(yīng)力區(qū)域性累積效應(yīng)越明顯，引起近井筒地應(yīng)力增大。但是整體來看，段長相同時(shí)，段內(nèi)簇間距越小，地應(yīng)力變化區(qū)域范圍越小，對(duì)近井筒應(yīng)力影響有限。

圖8 距離最后一級(jí)裂縫相同位置處地應(yīng)力增加值

為了反映不同壓裂條件對(duì)同一位置處套管應(yīng)力的影響，對(duì)比不同壓裂參數(shù)下，距離壓裂段中心同一位置處近井筒地應(yīng)力的變化情況，應(yīng)力值獲取點(diǎn)位于中心裂縫左側(cè)100 m位置。計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 距離壓裂段中心相同位置處地應(yīng)力增加值

從圖9可以看出，簇間距越大，該位置處地應(yīng)力增加值越大?？梢岳斫鉃榇蟠亻g距條件下，應(yīng)力變化波及范圍更廣，該位置處地應(yīng)力增加值更大。若壓裂段附近天然裂縫/斷層比較發(fā)育，則滑移剪切套管的風(fēng)險(xiǎn)更大。隨著簇間距減小，距離壓裂段中心相同位置處地應(yīng)力變化幅度越小。也就是說，在簇?cái)?shù)不變的前提下縮小段長有助于減小段間地應(yīng)力相互影響。

為了分析段內(nèi)多簇工藝對(duì)近套管變形問題的影響，模擬計(jì)算了不同簇?cái)?shù)條件下近井筒地應(yīng)力的變化情況。沿井筒方向選取一條近井筒路徑，輸出路徑上的地應(yīng)力值并繪制圖形，如圖10所示。從圖10可以看出，當(dāng)段內(nèi)裂縫簇?cái)?shù)較多時(shí)，近井筒地應(yīng)力分布更為均勻。其原因是一方面在壓裂液排量一定時(shí)，段內(nèi)簇?cái)?shù)越多，每簇的液量越少，裂縫擴(kuò)展相對(duì)距離較短，裂縫網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度降低；另一方面，隨著簇?cái)?shù)增加，近井筒地帶改造程度提升，井筒處于更接近均勻的液壓環(huán)境，沒有極端載荷，套管處于更為安全的狀態(tài)。

圖10 不同簇?cái)?shù)條件下近井筒地應(yīng)力的變化

5 現(xiàn)場應(yīng)用

目前現(xiàn)場可以實(shí)施兩種縮小簇間距的分段壓裂措施：第一種是段內(nèi)多簇壓裂工藝，即分段段長不變，而增加段內(nèi)簇?cái)?shù)來達(dá)到縮小簇間距目的的壓裂工藝；第二種為密切割分段壓裂工藝，即分段簇?cái)?shù)不變，而縮小分段段長的分段壓裂工藝。與段內(nèi)多簇工藝相比，在改造水平段段長不變的情況下，密切割分段壓裂工藝所需壓裂段數(shù)更多，從而增加壓裂工具下入次數(shù)和施工作業(yè)成本。

威頁23-1HF井前期出現(xiàn)了嚴(yán)重的套管變形問題，丟失3段壓裂段。在總結(jié)與論證后現(xiàn)場選擇威頁23-4HF和威頁23-5HF兩口井開展先導(dǎo)試驗(yàn)，以提高單井產(chǎn)量及驗(yàn)證預(yù)防套變的措施，保障威榮一期和二期產(chǎn)建的順利實(shí)施。壓裂設(shè)計(jì)采用段內(nèi)多簇壓裂工藝，在施工壓力上與威頁23-1HF井相比，威頁23-4HF等4口井采用95 MPa限壓，加砂階段施工壓力普遍小于80 MPa。同時(shí)施工排量相對(duì)較低，具體參數(shù)見表1。

表1 威頁23平臺(tái)各井壓裂參數(shù)對(duì)比

與威頁23-1HF井相比，威頁23-4HF等4口井采用段內(nèi)多簇壓裂工藝，即段長保持80 m左右不變，段內(nèi)簇?cái)?shù)增加值由原來的3～4簇增加至7～9簇。簇間距對(duì)比情況如圖11所示。

圖11 簇間距對(duì)比

同時(shí)，與威頁23-1HF井相比，威頁23-4HF等4口井還采用了階梯降排量緩慢停泵，以減小壓裂過程中的壓力激動(dòng)。降排量時(shí)間對(duì)比如圖12所示。

圖12 階梯降排量時(shí)間對(duì)比

通過實(shí)施段內(nèi)多簇的壓裂工藝，配合泵壓排量等參數(shù)的相應(yīng)調(diào)整，威頁23平臺(tái)后續(xù)4口井未出現(xiàn)套變?cè)斐傻膩G段現(xiàn)象。僅威頁23-5 井出現(xiàn)了輕微的遇阻，但未影響后續(xù)壓裂施工。5口頁巖氣水平井通過壓裂改造，單井平均無阻流量為 26.11×104m3/d，取得了較好的增產(chǎn)效果[10]。

6 結(jié)論及建議

(1)威榮區(qū)塊深層頁巖氣井壓裂過程中出現(xiàn)的套管變形問題較為突出。套管變形多出現(xiàn)在水平段中后段，呈現(xiàn)出一側(cè)變形嚴(yán)重的擠壓或剪切特征。這與多級(jí)壓裂裂縫擴(kuò)展引起的地應(yīng)力累加效應(yīng)有關(guān)。

(2)考慮多級(jí)裂縫之間以及裂縫與地應(yīng)力之間的相互影響，推導(dǎo)了裂縫擴(kuò)展過程中近井筒地應(yīng)力重新分布計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果表明，多裂縫擴(kuò)展過程會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力干擾，地應(yīng)力非均勻疊加。

(3)段內(nèi)多簇分段壓裂工藝通過縮短簇間距，使得近井筒地帶破碎程度更高并得以更充分有效改造。計(jì)算結(jié)果表明，縮小壓裂簇間距可以使段內(nèi)裂縫誘導(dǎo)應(yīng)力得以更好地釋放，減少段間干擾，使套管承受更為均布的載荷，降低套管受到極端應(yīng)力而發(fā)生變形的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，段內(nèi)多簇壓裂工藝能在保障頁巖氣井產(chǎn)能的條件下，有效緩解壓裂過程中出現(xiàn)的套管變形問題。建議進(jìn)一步擴(kuò)大段內(nèi)多簇分段壓裂工藝在深層頁巖氣井的應(yīng)用。