壓裂施工中斷層活化對(duì)套管影響分析

張全勝 張峰 伊西鋒 劉玉國(guó) 王旱祥 馬金明 陳旭輝

摘要：水平井多級(jí)分段壓裂大規(guī)模實(shí)施過程時(shí)常會(huì)引起斷層活化、滑移，使套管發(fā)生變形或損壞。為此，研究了壓裂引起斷層活化的機(jī)理，分析了斷層滑移對(duì)套管力學(xué)性能的影響。分析結(jié)果表明：水力裂縫溝通斷層，壓裂液由二者交線處沿?cái)鄬訚B流，造成交線兩側(cè)一定范圍內(nèi)剪切強(qiáng)度減小，斷層面剪切強(qiáng)度減小至小于有效應(yīng)力時(shí)發(fā)生破壞而活化，斷層滲透率越高，活化范圍越大；活化后的斷層滑移量與活化范圍正相關(guān)，在水力裂縫和斷層的交線兩側(cè)對(duì)稱分布，隨著與交線距離的增大，斷層滑移量逐漸減小。所得結(jié)論可為壓裂施工及套管保護(hù)措施的制定提供技術(shù)借鑒。

關(guān)鍵詞：水力壓裂；孔隙壓力；斷層活化；滑移量；套管；力學(xué)分析

The largescale implementation of multistage fracturing in horizontal wells often causes fault activation and slippage， and then results in casing deformation or damage.Finally， the numerical simulation method was used to analyze the mechanical influence of fault slip on casing.The analysis results show that the hydraulic fracture connects with the fault， the fracturing fluid flows along the fault from the intersection of them， resulting in a decrease of shear strength within a certain range on both sides of the intersection.When the shear strength of the fault plane decreases to less than the effective stress， the fault will be destroyed and activated.The higher the fault permeability， the greater the activation range is.The slip amount of activated fault is positively correlated with the activation range， and is symmetrically distributed on both sides of the intersection of hydraulic fracture and fault.As the distance from the intersection increases， the fault slip amount gradually decreases.The conclusions provide technical reference for the operation of fracturing and the formulation of casing protection measures.

hydraulic fracturing；pore pressure；fault activation；slip amount；casing；mechanical analysis

0 引 言

水平井多級(jí)分段壓裂大規(guī)模實(shí)施過程會(huì)引起斷層活化及滑移，不僅剪切套管使其發(fā)生變形或損壞，而且嚴(yán)重時(shí)須放棄部分壓裂段，從而影響采收率。因此，開展壓裂施工引發(fā)斷層活化的機(jī)理研究，分析斷層滑移對(duì)套管的力學(xué)影響，對(duì)指導(dǎo)壓裂施工、制定套管保護(hù)措施、節(jié)省成本具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)具體的斷層活化機(jī)理及其對(duì)套管的影響開展了研究。郭雪利等［1］對(duì)不同斷層角度、滑移距離下的套管應(yīng)力與變形進(jìn)行了有限元分析，研究發(fā)現(xiàn)一旦發(fā)生斷層滑移，無論水泥環(huán)和套管的性能、尺寸如何，套管都會(huì)發(fā)生屈服，產(chǎn)生較大變形。劉偉等［2］分析了致密油區(qū)塊套管的變形，發(fā)現(xiàn)套管最大的變形來自于壓裂引起的斷層及天然裂縫的滑移，套管受剪產(chǎn)生較大的縮頸變形。LI Y.等［3］、席巖等［4］通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值模擬分析了壓裂過程的套損機(jī)理，研究結(jié)果表明天然裂縫或斷層的剪切滑移是造成套管變形的主要因素，變形程度與滑移量正相關(guān)。李軍等［5］提出了水力壓裂影響下的斷層滑移量計(jì)算模型，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)井進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，發(fā)現(xiàn)控制壓裂泵壓和裂縫長(zhǎng)度可以有效降低斷層滑移量，避免套管嚴(yán)重變形。陳朝偉等［6-7］、陳挺等［8］提出水力壓裂時(shí)壓裂液進(jìn)入斷層或巖石層理，引起孔隙壓力升高，降低斷層面剪切強(qiáng)度而發(fā)生斷層滑移，套管承受剪切作用而發(fā)生變形失效。陳挺等［8］針對(duì)頁巖氣壓裂過程的套損開展分析，利用螞蟻體追蹤算法查找斷層裂縫，發(fā)現(xiàn)套管變形與裂縫發(fā)育程度有很大的相關(guān)性。WANG K.Y.等［9］通過一種利用曲線相似性的判斷方法來判斷，得出斷層滑動(dòng)是造成凹陷型和偏心橢圓型的主要原因，通過數(shù)值模擬，確定了斷層滑動(dòng)大小與套管變形的關(guān)系。韋堃［10］分析了斷層的強(qiáng)度與壓裂引發(fā)滑移的機(jī)理，以及斷層滑移時(shí)傾角、水泥環(huán)對(duì)套管安全性的影響。

目前，壓裂施工引起斷層滑移的原理基本明確，但多數(shù)學(xué)者忽略了壓裂液在斷層面的滲流，認(rèn)為水力裂縫溝通斷層后壓裂液即充滿整個(gè)斷層，整個(gè)斷層完全激活。筆者利用滲流力學(xué)研究壓裂液在斷層面的滲流及其導(dǎo)致斷層局部活化的機(jī)理，在此基礎(chǔ)上利用斷裂力學(xué)分析斷層滑移量，開展斷層滑移對(duì)套管力學(xué)影響的數(shù)值模擬研究，以期提出具體的壓裂施工建議，從而指導(dǎo)工程實(shí)踐。

模型中地層施加垂向有效地應(yīng)力36 MPa，最大有效水平地應(yīng)力60 MPa，最小有效水平地應(yīng)力24 MPa，地層壓力系數(shù)為1.1，地層原始溫度140 ℃，約束地層各表面和水泥環(huán)、套管端面的法線方向位移。建立2個(gè)載荷步：在第一個(gè)載荷步進(jìn)行地應(yīng)力平衡，此時(shí)套管內(nèi)壓取靜液柱壓力，約35 MPa，使地應(yīng)力傳遞到水泥環(huán)和套管上；在第二個(gè)載荷步進(jìn)行溫度-力耦合分析，取套管內(nèi)壓101 MPa，壓裂液溫度100 ℃，斷層施加不同的滑移量（1～7 mm），通過計(jì)算可知斷層滑移作用下的套管應(yīng)力分布。

3.2 套管應(yīng)力與變形分析

通過數(shù)值模擬得到不同斷層滑移量下套管的Mises應(yīng)力分布和變形，4 mm滑移量下套管應(yīng)力與變形如圖8所示。斷層滑移的剪切作用下，套管最大應(yīng)力出現(xiàn)在斷層面附近，滑移一側(cè)的套管雖然發(fā)生位移，但是其Mises應(yīng)力與未滑移一側(cè)的套管應(yīng)力相差不大，均遠(yuǎn)小于斷層面附近應(yīng)力。同時(shí)圖8顯示在斷層面附近，沿著軸向從滑移一側(cè)到未滑移一側(cè)，套管在垂向的位移量逐漸減小，說明斷層帶動(dòng)套管向滑移方向移動(dòng)，使套管在斷層面附近發(fā)生彎曲變形。

套管最大Mises應(yīng)力及彎曲的軸線偏移量隨斷層滑移量的變化曲線如圖9所示。套管應(yīng)力隨斷層滑移量的增大而增大，斷層滑移量小于4 mm時(shí)，對(duì)于P110鋼級(jí)的套管來說，套管處于彈性范圍內(nèi)，在滑移量為4 mm左右時(shí)套管最大應(yīng)力達(dá)到P110鋼級(jí)套管最小屈服強(qiáng)度758 MPa。套管在斷層滑移作用下發(fā)生彎曲變形，彎曲變形的軸線偏移量與斷層滑移量在垂直方向上的分量基本一致，分析中取斷層與井筒軸線成45°角，因此偏移量約為斷層滑移量的0.7倍。

斷層滑移對(duì)于套管的應(yīng)力、變形的影響非常顯著，是引起套管失效的重要原因，因此，應(yīng)盡可能避免井身軌跡穿過斷層，對(duì)于難以避免的情況，應(yīng)在斷層附近通過提高鋼級(jí)等辦法選用更高強(qiáng)度的套管。在進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)后，針對(duì)距離斷層最近的壓裂段計(jì)算斷層激活范圍，驗(yàn)證激活范圍不會(huì)波及到套管，如果波及到套管，則應(yīng)重新設(shè)計(jì)并驗(yàn)證直至斷層激活不會(huì)波及到套管。

4 結(jié) 論

（1）水力裂縫溝通斷層，壓裂液由二者交線處沿?cái)鄬訚B流，造成交線兩側(cè)一定范圍內(nèi)剪切強(qiáng)度減小，斷層面剪切強(qiáng)度減小至小于有效應(yīng)力時(shí)發(fā)生破壞而活化，斷層滲透率越大，活化范圍越大。

（2）活化后的斷層滑移量與活化范圍正相關(guān)，在水力裂縫和斷層的交線兩側(cè)對(duì)稱分布，隨著與交線距離的增大而逐漸減小，斷層使套管產(chǎn)生彎曲變形，變形的軸線偏移量與斷層滑移量在垂直方向分量基本相同，因此，壓裂施工引起斷層局部的活化、滑移是造成套管屈服、彎曲變形的主要原因。

（3）為避免斷層滑移對(duì)套管的影響，井身軌跡應(yīng)避免穿過斷層，難以避免時(shí)，應(yīng)在斷層附近通過提高鋼級(jí)等辦法選用更高強(qiáng)度的套管。在進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)后，針對(duì)距離斷層最近的壓裂段計(jì)算斷層激活范圍，驗(yàn)證激活范圍不會(huì)波及到套管，如果波及到套管，則應(yīng)重新設(shè)計(jì)并驗(yàn)證直至確認(rèn)安全。

［1］ 郭雪利，李軍，柳貢慧，等．基于震源機(jī)制的頁巖氣壓裂井套管變形機(jī)理［J］．?dāng)鄩K油氣田，2018，25（5）：665-669．

GUO X L，LI J，LIU G H，et al.Research on casing deformation for shale gas wells based on focal mechanism［J］.FaultBlock Oil & Gas Field，2018，25（5）：665-669.

［2］ 劉偉，陶長(zhǎng)洲，萬有余，等．致密油儲(chǔ)層水平井體積壓裂套管變形失效機(jī)理數(shù)值模擬研究［J］．石油科學(xué)通報(bào)，2017，2（4）：466-477．

LIU W，TAO C Z，WAN Y Y，et al.Numerical analysis of casing deformation during massive hydraulic fracturing of horizontal wells in a tightoil reservoir［J］.Petroleum Science Bulletin，2017，2（4）：466-477.

［3］ LI Y，LIU W，YAN W，et al.Mechanism of casing failure during hydraulic fracturing：lessons learned from a tightoil reservoir in China［J］.Engineering Failure Analysis，2019，98：58-71.

［4］ 席巖，李軍，李方園，等．?dāng)鄬踊萍羟刑坠茏冃蝺?nèi)徑變化規(guī)律研究［J］．石油管材與儀器，2020，6（4）：38-40，45．

XI Y，LI J，LI F Y，et al.Variation of inner diameter after casing shear deformation induced by fault slippage［J］.Petroleum Tubular Goods & Instruments，2020，6（4）：38-40，45.

［5］ 李軍，趙超杰，柳貢慧，等．頁巖氣壓裂條件下斷層滑移及其影響因素［J］．中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，45（2）：63-70．

LI J，ZHAO C J，LIU G H，et al.Assessment of fault slip in shale formation during hydraulic fracturing and its influence factors［J］.Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2021，45（2）：63-70.

［6］ 陳朝偉，石林，項(xiàng)德貴．長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)套管變形機(jī)理及對(duì)策［J］．天然氣工業(yè)，2016，36（11）：70-75．

CHEN Z W，SHI L，XIANG D G.Mechanism of casing deformation in the ChangningWeiyuan national shale gas project demonstration area and countermeasures［J］.Natural Gas Industry，2016，36（11）：70-75.

［7］ 陳朝偉，項(xiàng)德貴，張豐收，等．四川長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)區(qū)塊水力壓裂引起的斷層滑移和套管變形機(jī)理及防控策略［J］．石油科學(xué)通報(bào)，2019，4（4）：364-377．

CHEN Z W，XIANG D G，ZHANG F S，et al.Fault slip and casing deformation caused by hydraulic fracturing in ChangningWeiyuan Blocks，Sichuan：mechanism and prevention strategy［J］.Petroleum Science Bulletin，2019，4（4）：364-377.

［8］ 陳挺，柴劍，王志強(qiáng)，等．頁巖氣水平井體積壓裂套管損壞原因分析及現(xiàn)場(chǎng)處理［J］．中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，34（2）：31-34．

CHEN T，CHAI J，WANG Z Q，et al.Analysis and field treatment of casing damage caused by SRV fracturing in horizontal shale gas wells［J］.Journal of Shengli College China University of Petroleum，2020，34（2）：31-34.

［9］ WANG K Y，DENG J E，YAN W，et al.Study on geometric characteristics and quantitative description method of casing deformation during shale reservoir hydraulic fracturing［J］.Energies，2022，15（6）：2280.

［10］ 韋堃．壓裂工況下頁巖氣水平井套管載荷及強(qiáng)度分析［D］．西安：西安石油大學(xué)，2019．

WEI K.Casing load and strength analysis of horizontal shale gas wells under fracturing condition［D］.Xian：Xian Shiyou University，2019.

［11］ 高利軍，柳占立，喬磊，等．頁巖氣水力壓裂中套損機(jī)理及其數(shù)值模擬研究［J］．石油機(jī)械，2017，45（1）：75-80．

GAO L J，LIU Z L，QIAO L，et al.Mechanism analysis and numerical simulation of casing failure in hydraulic fracturing of shale gas formation［J］.China Petroleum Machinery，2017，45（1）：75-80.

［12］ 李軍，趙超杰，柳貢慧，等．頁巖氣壓裂條件下斷層滑移及其影響因素［J］．中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，45（2）：63-70．

LI J，ZHAO C J，LIU G H，et al.Assessment of fault slip in shale formation during hydraulic fracturing and its influence factors［J］.Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2021，45（2）：63-70.

［13］ 路千里，劉壯，郭建春，等．水力壓裂致套管剪切變形機(jī)理及套變量計(jì)算模型［J］．石油勘探與開發(fā)，2021，48（2）：394-401．

LU Q L，LIU Z，GUO J C，et al.Hydraulic fracturing induced casing shear deformation and a prediction model of casing deformation［J］.Petroleum Exploration and Development，2021，48（2）：394-401.

［14］ SáEZ A，LECAMPION B，BHATTACHARYA P，et al.Threedimensional fluiddriven stable frictional ruptures［J］.Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2022，160：104754.

第一張全勝，教授級(jí)高級(jí)工程師，生于1964年，2002年畢業(yè)于上海交通大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事采油工程技術(shù)研究工作。地址：（257045）山東省東營(yíng)市。電話：（0546）8557289。Email：zhangqsh513.slyt@sinopec.com。

通信作者：陳旭輝，Email：z21040087@s.upc.edu.cn。