四川盆地頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)套管變形一體化防控技術(shù)

陳朝偉 項(xiàng)德貴

（ 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 ）

0 引言

四川盆地已初步建成長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)，但30%以上的水平井在壓裂過(guò)程中出現(xiàn)套管變形問(wèn)題，套管變形不僅影響單井產(chǎn)量，還縮短井筒生命周期，嚴(yán)重制約著我國(guó)頁(yè)巖氣的高效開(kāi)發(fā)。

針對(duì)造成頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)套管變形的原因，許多學(xué)者開(kāi)展了研究，提出了溫度應(yīng)力效應(yīng)[1-3]、非對(duì)稱(chēng)壓裂[4-9]、固井質(zhì)量[10-15]和斷層滑動(dòng)[16-30]等原因。目前，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)識(shí)到水力壓裂過(guò)程中的斷層激活可能是導(dǎo)致套管變形的主控因素[17-29]，這也得到了越來(lái)越多現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。這些研究認(rèn)識(shí)為現(xiàn)場(chǎng)提供了理論指導(dǎo)，但套管變形仍時(shí)有發(fā)生，還缺乏解決問(wèn)題的具體措施，有待于進(jìn)一步研究。

本文從套管變形的機(jī)理出發(fā)，分析套管變形的防控技術(shù)。首先，基于套管變形的地質(zhì)和工程原因，建立了流體通道—斷層激活模型，揭示了套管變形機(jī)理。其次，在該模型的基礎(chǔ)上，從鉆井、固井、壓裂等方面提出了套管變形的防控策略，實(shí)現(xiàn)鉆前預(yù)測(cè)、壓前預(yù)防、壓裂預(yù)警和壓裂控制的一體化套管變形防控策略，為解決頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)套管變形問(wèn)題提供了依據(jù)。

1 套管變形機(jī)理

四川盆地頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)套管變形具有三大特征，其一，具有天然裂縫/斷層相關(guān)性的套管變形點(diǎn)數(shù)量占套管變形總數(shù)的61.7%，這是地質(zhì)特征[16，31-32]。其二，套管變形均發(fā)生在水力壓裂期間，井底施工壓力均較大，這是工程特征[33]。其三，具有剪切特征的變形點(diǎn)數(shù)量占73%，這是套管變形形狀特征[34]。因此，斷層/天然裂縫是套管變形的地質(zhì)原因，水力壓裂是套管變形的工程原因。

基于套管變形的地質(zhì)和工程原因，利用斷層激活地質(zhì)力學(xué)原理，建立流體通道—斷層激活模型（圖1）。該模型包含幾個(gè)矛盾運(yùn)動(dòng)過(guò)程：其一，水力壓裂過(guò)程中，壓裂液通過(guò)孔眼進(jìn)入地層，在井底壓力和地層閉合壓力這兩個(gè)相反的作用力的作用下，水力裂縫向地層深處不斷擴(kuò)展；其二，壓裂液通過(guò)某條流體通道進(jìn)入斷層/天然裂縫，造成斷層/天然裂縫內(nèi)流體壓力增加，滑動(dòng)阻力減小，當(dāng)滑動(dòng)阻力小于斷層/天然裂縫面的剪應(yīng)力時(shí)，斷層/天然裂縫發(fā)生滑動(dòng)，同時(shí)伴隨著能量釋放，流體壓力降低，滑動(dòng)阻力增加，達(dá)到新的平衡狀態(tài)；其三，斷層/天然裂縫滑動(dòng)過(guò)程中，對(duì)穿過(guò)斷層/天然裂縫的套管施加剪切作用，引起套管變形。該模型將水力裂縫擴(kuò)展、斷層被激活、斷層和套管相互作用這3 個(gè)過(guò)程聯(lián)系在一起，其中斷層被激活的過(guò)程是該模型的核心。

圖1 流體通道—斷層激活模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of fluid channel-fault activation model

流體通道—斷層激活模型揭示了壓裂時(shí)引起套管變形的發(fā)生過(guò)程和機(jī)理：壓裂液沿著某條流體通道進(jìn)入斷層/天然裂縫，造成斷層/天然裂縫內(nèi)孔隙壓力增加，當(dāng)達(dá)到臨界值時(shí)，激發(fā)斷層/天然裂縫滑動(dòng)，造成套管變形。流體通道可以是水力裂縫、井壁通道和層理裂縫[35-36]，或者是由這幾種通道組合形成的綜合通道[37]。該模型為套管變形防控方法提供了理論依據(jù)。

2 套管變形風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)技術(shù)

依據(jù)斷層激活地質(zhì)力學(xué)原理，斷層是否激活主要取決于地應(yīng)力場(chǎng)的方向與大小、斷層的方位、孔隙壓力及摩擦系數(shù)等因素。通常獲取這些參數(shù)存在一定的誤差，在參數(shù)不確定的背景下，利用蒙特卡洛方法可以真實(shí)地模擬實(shí)際物理過(guò)程的優(yōu)勢(shì)，評(píng)估斷層/天然裂縫滑動(dòng)概率，以此表征其滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，其分析流程如下：

（1）基于高分辨率地震資料，利用最大似然體屬性方法，識(shí)別研究區(qū)內(nèi)斷層/天然裂縫分布特征；

（2）通過(guò)地質(zhì)、鉆井、測(cè)井等資料，獲取研究區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)的地應(yīng)力場(chǎng)及孔隙壓力數(shù)據(jù)；

（3）基于臨界應(yīng)力斷層/天然裂縫假說(shuō)原理，評(píng)估原始條件下研究區(qū)中斷層/天然裂縫力學(xué)活動(dòng)狀態(tài)；

（4）基于壓裂施工資料確定研究區(qū)孔隙壓力變化規(guī)律；

（5）采用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法（QRA），確定研究區(qū)中斷層/天然裂縫隨地層孔隙壓力變化的滑動(dòng)概率。

斷層/天然裂縫滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)是在考慮地層參數(shù)不確定性的基礎(chǔ)上，以斷層/天然裂縫滑動(dòng)概率來(lái)表征的。當(dāng)斷層/天然裂縫滑動(dòng)概率為50%時(shí)，表明該斷層/天然裂縫處于即將滑動(dòng)狀態(tài)，但是在地層參數(shù)誤差范圍內(nèi)，斷層/天然裂縫滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)是應(yīng)力狀態(tài)中心值偏離臨界破壞線(xiàn)的距離所決定的，所以以摩爾圓與臨界破壞線(xiàn)交點(diǎn)為中心，將斷層/天然裂縫滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)劃分為3 個(gè)等級(jí)：低風(fēng)險(xiǎn)（滑動(dòng)概率小于30%）、中風(fēng)險(xiǎn)（滑動(dòng)概率為30%～70%）、高風(fēng)險(xiǎn)（滑動(dòng)概率大于70%），如圖2 所示。

圖2 不同滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)斷層/天然裂縫的應(yīng)力狀態(tài)Fig.2 Stress state of faults/natural fractures with various slip risks

利用該方法，評(píng)估了寧201-H1井[38]、H19平臺(tái)[39]的斷層/天然裂縫滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況吻合較好。最近利用該方法對(duì)寧209 井區(qū)進(jìn)行了斷層/天然裂縫滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 寧209 井區(qū)斷層/天然裂縫滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)圖Fig.3 Prediction of slip risks of faults/fractures in Ning 209 well block

3 套管變形預(yù)防技術(shù)

在斷層/天然裂縫滑動(dòng)過(guò)程中，會(huì)對(duì)穿過(guò)斷層/天然裂縫的套管施加一個(gè)巨大的作用力和位移，2009—2016 年現(xiàn)場(chǎng)采用了提高套管鋼級(jí)和增加套管壁厚等措施，以抵抗這種外擠力。但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，提高套管鋼級(jí)和增加套管壁厚對(duì)減少套管變形的效果非常有限。為了分析影響套管變形的因素，從而尋找有效的預(yù)防方法，建立了斷塊滑動(dòng)引起套管剪切變形的斷塊—水泥環(huán)—套管模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷塊滑動(dòng)的數(shù)值模擬，并對(duì)套管鋼級(jí)、套管壁厚和固井水泥彈性模量等參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行分析[40]。

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)提高套管鋼級(jí)，屈服強(qiáng)度從655MPa 上升至965MPa 時(shí)，斷層滑動(dòng)30mm 導(dǎo)致的套管變形量降低了1.31%；當(dāng)套管壁厚從9.15mm上升至13.15mm 時(shí)，斷層滑動(dòng)30mm 導(dǎo)致的套管變形量降低了7.47%。這說(shuō)明，提高套管鋼級(jí)和壁厚對(duì)套管變形影響較小，這在理論上解釋了這兩種方法不能有效緩解套管變形的原因[40]。

在斷塊滑動(dòng)量s=30mm 的情況下，當(dāng)固井水泥彈性模量從10GPa 降低到5GPa 和2GPa 時(shí)，套管變形量分別減小了13.56%、41.83%（圖4）。若采用超柔性固井材料（彈性模量為0.1GPa），甚至不固井的措施（彈性模量為0.01GPa），套管變形量可控制在2mm 以?xún)?nèi)[40]。

圖4 水泥彈性模量對(duì)套管變形量的影響[40]Fig.4 Influence of elastic modulus of cement sheath on casing deformation [40]

基于上述實(shí)踐和數(shù)值分析，為了預(yù)防套管變形，避免“硬碰硬”，應(yīng)該采用“以柔克剛”的預(yù)防方法。基于該理念，提出了用“低彈?！彼嗍?，即水泥石的抗壓強(qiáng)度在滿(mǎn)足要求的情況下其彈性模量盡可能低的預(yù)防套管變形方法；在高風(fēng)險(xiǎn)井段下入膨脹橡膠組合套管等特殊工具，用于吸收套管變形，保護(hù)套管。最近，先后在威遠(yuǎn)區(qū)塊高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域威204H38-4 井、威204H18-5 井和威204H40-3 井開(kāi)展了“高強(qiáng)度微珠固井”工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，目前威204H38-4 井已經(jīng)順利完成壓裂，沒(méi)有發(fā)生套管變形[41]。

4 套管變形預(yù)警技術(shù)

斷層/天然裂縫滑動(dòng)過(guò)程伴隨著能量釋放，產(chǎn)生了微地震信號(hào)。對(duì)長(zhǎng)寧H19 平臺(tái)實(shí)施微地震監(jiān)測(cè)，提取了與套管變形點(diǎn)相關(guān)的微地震事件點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)微地震在空間和時(shí)間上具有如下特征：（1）微地震信號(hào)與井筒不對(duì)稱(chēng)；（2）不同壓裂段的微地震事件點(diǎn)大部分重疊，呈線(xiàn)性分布；（3）出現(xiàn)了較多的大矩震級(jí)事件；（4）時(shí)間上，大矩震級(jí)事件點(diǎn)出現(xiàn)在壓裂中后期的頻率較高；（5）微地震b值（b為震級(jí)和頻度關(guān)系式中的比例系數(shù)）較小，接近于1。基于微地震信號(hào)特征和套管變形的剪切特征，這些微地震信號(hào)可以解釋為激活的斷層/天然裂縫，正是這些斷層/天然裂縫的錯(cuò)動(dòng)引起了套管發(fā)生剪切變形[42-43]。通過(guò)上面分析可以看出，套管變形時(shí)微地震特征很顯著，可以將其作為套管變形發(fā)生的前兆信號(hào)，作為套管變形預(yù)警的手段。

對(duì)長(zhǎng)寧區(qū)塊的微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可分成以下3 級(jí)：高風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)震級(jí)Mw≥-0.46，中等風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)-1.3 ＜Mw＜-0.46，低風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)Mw≤-1.3。同理b值也可分成3 級(jí)：高風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)b≤1.02，中等風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)1.02 ＜b＜1.11，低風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)b≥1.11。將高風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)分別對(duì)應(yīng)“紅、黃、綠”3個(gè)等級(jí)，建立分級(jí)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)（圖5）。當(dāng)達(dá)到紅色級(jí)別時(shí)，停止施工；當(dāng)達(dá)到黃色級(jí)別時(shí)，調(diào)整施工參數(shù)，如降低排量、減小規(guī)模，同時(shí)繼續(xù)觀(guān)察，不升級(jí)為紅色級(jí)別即可；當(dāng)為綠色級(jí)別時(shí)，可繼續(xù)施工不受影響。因此，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微地震信號(hào)并處理分析，可實(shí)現(xiàn)套管變形預(yù)警。

圖5 基于微地震監(jiān)測(cè)的套管變形“紅黃綠燈”預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)Fig.5 Early warning standard of “Red-Yellow-Green Light” for casing deformation based on microseismic monitoring

5 套管變形壓裂控制技術(shù)

壓裂液通過(guò)孔眼進(jìn)入地層，再通過(guò)某條流體通道進(jìn)入斷層/天然裂縫，流體通道不僅傳遞了壓裂液，還傳遞了流體壓力，地面施工壓力改變了斷層/天然裂縫面上的滑動(dòng)阻力與剪應(yīng)力之間的平衡，引起斷層/天然裂縫滑動(dòng)，造成套管變形。

基于上述原理，有兩種控制套管變形的思路：第一種是優(yōu)化壓裂施工參數(shù)。為此，建立斷層滑動(dòng)的水力壓裂數(shù)值模型，利用壓裂數(shù)值模擬建立壓裂施工參數(shù)與斷層激活之間的定量聯(lián)系。模擬分析的結(jié)果表明，降低排量和液量均能降低斷層激活的長(zhǎng)度，從而能在一定程度上控制斷層滑動(dòng)，進(jìn)而控制套管變形。寧201 井區(qū)套管變形比例為22%，而寧209 井區(qū)采取了降排量和（或）降液量的措施后套管變形比例為13%[44]。

第二種方法是阻斷流體通道。其原理如下，當(dāng)水力裂縫溝通斷層/天然裂縫后，通道內(nèi)阻力減小，縫內(nèi)凈壓力降低，井筒內(nèi)的壓裂液向其匯集，形成一條高速流動(dòng)的流體通道；在壓裂液中投放一定數(shù)量的暫堵球，暫堵球根據(jù)流速進(jìn)行分配，傾向于流速大的孔眼，從而堵住與斷層/天然裂縫溝通的孔眼，切斷井筒和斷層/天然裂縫的連接通道，從而控制住斷層/天然裂縫的滑動(dòng)（圖6）。因此，多簇射孔+暫堵孔眼可控制排量和液量分配，是一種有效的平衡套管變形和頁(yè)巖氣產(chǎn)量之間矛盾的手段。截至2020 年底，威遠(yuǎn)區(qū)塊28 口井采用“裂縫暫堵+長(zhǎng)段多簇”壓裂工藝，只有4 口井發(fā)生套管變形，套管變形比例從研究前54%降低到14.3%[41]。

圖6 多簇射孔+暫堵孔眼控制套管變形示意圖Fig.6 Schematic diagram of multi-cluster perforation +temporary plugging for casing deformation controlling

6 結(jié)論

基于套管變形的地質(zhì)、工程和形狀特征，利用斷層激活地質(zhì)力學(xué)原理，建立了流體通道—斷層激活模型，從而將水力裂縫擴(kuò)展、斷層/天然裂縫被激活、斷層/天然裂縫和套管相互作用3 個(gè)過(guò)程聯(lián)系了起來(lái)。

流體通道—斷層激活模型揭示了套管變形的發(fā)生過(guò)程和原因：壓裂液沿著某條流體通道進(jìn)入斷層/天然裂縫，造成斷層/天然裂縫內(nèi)孔隙壓力增加，當(dāng)達(dá)到臨界值時(shí)，激發(fā)斷層/天然裂縫滑動(dòng)，造成套管變形。

在流體通道—斷層激活模型的基礎(chǔ)上，分析斷層滑動(dòng)力學(xué)條件、斷層滑動(dòng)和套管相互作用規(guī)律、套管變形井微地震特征、優(yōu)化壓裂施工參數(shù)和多簇射孔+暫堵孔眼工藝，形成了鉆前預(yù)測(cè)、壓前預(yù)防、壓裂預(yù)警和壓裂控制一體化套管變形防控策略。

本文研究結(jié)果能對(duì)四川盆地頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)套管變形問(wèn)題的解決提供指導(dǎo)，也能為其他盆地套管變形問(wèn)題的研究提供參考。