陳朝偉，項(xiàng)德貴，張豐收 ，安孟可 ，尹子睿 ，蔣振源

1 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206

2 同濟(jì)大學(xué)巖土與地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092

3 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092

0 引言

四川盆地作為我國(guó)的四大盆地之一，位于中國(guó)西南部、長(zhǎng)江中上游，由青藏高原、大巴山、巫山、大婁山和云貴高原等環(huán)繞而成，盆地周緣褶皺變形強(qiáng)烈，盆內(nèi)構(gòu)造分區(qū)明顯[1]，受喜馬拉雅構(gòu)造域的影響，區(qū)域主壓應(yīng)力方向?yàn)镹E-SW向[2]。四川盆地是在上揚(yáng)子克拉通基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的大型疊合盆地[3]，其構(gòu)造演化被認(rèn)為經(jīng)歷了三個(gè)主要的階段[4]：第一階段是揚(yáng)子古陸塊形成演化階段，第二階段是震旦紀(jì)至中三疊紀(jì)穩(wěn)定克拉通海盆發(fā)展階段，第三階段是晚三疊紀(jì)以來(lái)的內(nèi)陸湖盆發(fā)展階段。在多階段的構(gòu)造演化過(guò)程中，使得四川盆地的地質(zhì)狀況較為復(fù)雜，形成了六個(gè)主要的地形分區(qū)[1]，即川北低緩構(gòu)造帶、川西和川南低陡構(gòu)造帶、川西南低褶構(gòu)造帶、川中平緩構(gòu)造帶和川東高陡構(gòu)造帶。四川盆地下志留統(tǒng)的龍馬溪組頁(yè)巖[5]、中二疊統(tǒng)的棲霞組和茅口組泥頁(yè)巖[6]和上二疊統(tǒng)的龍?zhí)督M頁(yè)巖[7]為諸多油氣田提供了豐富的成藏條件。發(fā)育在震旦系—中三疊統(tǒng)的碳酸鹽巖儲(chǔ)層也可以形成優(yōu)質(zhì)的孔隙型儲(chǔ)層，如上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組和下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組的白云巖儲(chǔ)層[8-9]。

自2009年以來(lái)，四川盆地的長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)開(kāi)始大規(guī)模開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣，其主體技術(shù)是水平井和多段水力壓裂。但是在水力壓裂過(guò)程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的套管變形問(wèn)題。截至2018年12月，長(zhǎng)寧區(qū)塊已完成壓裂的113口井中，發(fā)生套變井總計(jì)39口，套變比例達(dá)34.5%，累計(jì)放棄有效長(zhǎng)度4603.99 m。截至2018年10月，威遠(yuǎn)區(qū)塊共完成74口井壓裂，套變井36口，占比48.6%，設(shè)計(jì)1697段，實(shí)際壓裂1608段。在長(zhǎng)寧和威遠(yuǎn)區(qū)塊壓裂工藝采用電纜帶分簇射孔工具加橋塞工藝進(jìn)行多段改造，按照從腳趾到腳跟的順序壓裂。壓裂施工前通井順利，壓裂之后才發(fā)生了鉆塞通不過(guò)，或者下橋塞過(guò)不去的情況。因此可以斷定套管變形均發(fā)生在水力壓裂過(guò)程中，壓裂是套管變形的工程因素。四川盆地復(fù)雜的構(gòu)造地質(zhì)條件使得該地區(qū)斷層和裂縫非常發(fā)育，容易發(fā)生由于斷層滑移引起的套管剪切變形，其主要機(jī)理是在水力壓裂的過(guò)程中，大量壓裂液進(jìn)入天然裂縫中，使其孔隙壓力升高，而天然裂縫中的有效應(yīng)力降低，當(dāng)有效應(yīng)力降低到一定程度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致斷層滑移，如果套管穿過(guò)此斷層，則會(huì)受到滑移斷層的剪切作用，產(chǎn)生變形。

目前套管變形是長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)迫切需要解決的關(guān)鍵工程問(wèn)題。套管變形問(wèn)題不僅導(dǎo)致壓裂段數(shù)減少單井產(chǎn)量下降，同時(shí)亦使整口井完整性出現(xiàn)問(wèn)題縮短井生命周期，從而嚴(yán)重制約著頁(yè)巖氣的高效開(kāi)發(fā)。

1 長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)套管變形特征

1.1 套管變形的統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)

對(duì)威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧、昭通三個(gè)頁(yè)巖氣區(qū)塊的共9口井的套管變形數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。套管變形的程度可以根據(jù)井徑成像測(cè)井儀MIT(Mutil-Finger Image Tool)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)(圖1)，其主要的原理是基于24條沿套管內(nèi)壁均勻分布的半徑曲線(xiàn)數(shù)據(jù)的分析來(lái)獲取套管變形的特征。在這9口井中一共識(shí)別出35個(gè)套變點(diǎn)，利用24個(gè)半徑曲線(xiàn)的相對(duì)變化，可以重構(gòu)每一個(gè)套管變形的幾何特征。根據(jù)這些幾何特征可將套管變形大致分成三類(lèi)：剪切、擠壓和復(fù)合類(lèi)。其中剪切類(lèi)占比高達(dá)60%，這說(shuō)明斷層滑移引起的剪切是套管變形的主要形式。剪切類(lèi)套管變形有如下特征：(1)變形具有局部性，變形范圍為米量級(jí)；(2)在“波峰”范圍內(nèi)，套管向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，受力方向一致，半“波長(zhǎng)”或受力面長(zhǎng)度為米級(jí)；(3)多階性，在套管變形范圍內(nèi)，相互交錯(cuò)，具有“剪刀差”特征，可存在1到8個(gè)相互交錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方向；(4)在同一階內(nèi)，兩個(gè)“波峰”或“波谷”值比較接近。

1.2 螞蟻體與套管變形相關(guān)性

為了進(jìn)一步明確套管變形與斷層的關(guān)系，比較了套管變形點(diǎn)與螞蟻體斷層的相關(guān)性。通過(guò)螞蟻體追蹤技術(shù)得到的長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊某平臺(tái)的斷層分布如圖2所示，其中紅色藍(lán)框圓點(diǎn)為套管變形點(diǎn)，將套管變形點(diǎn)落到螞蟻體裂縫帶預(yù)測(cè)圖上，可以看出，套管變形點(diǎn)共有11個(gè)，而處在螞蟻體裂縫帶所識(shí)別的斷層上的達(dá)8個(gè)，說(shuō)明大部分套管變形點(diǎn)的出現(xiàn)都與斷層活動(dòng)相關(guān)。

圖1 基于井徑成像測(cè)井儀的典型剪切型套管變形 (黑色數(shù)字：?jiǎn)挝粸閙；紅色數(shù)字：?jiǎn)挝粸閙m)Fig. 1 Typical shear type casing deformation measured by using the Multi-Finger Image Tool (unit for the black digit number:m; unit for the red digit number: mm)

1.3 微地震信號(hào)的特征

大量的現(xiàn)場(chǎng)微地震信號(hào)顯示斷層的激活和水力壓裂操作的同步性，根據(jù)微地震信號(hào)的特征可以直接給出斷層位置。如圖3所示，寧201-H1水平井在壓裂階段監(jiān)測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)微地震數(shù)據(jù)顯示在井趾端有一個(gè)斷層被激活。微震事件的矩震級(jí)、累積地震矩和注入的流體體積隨時(shí)間的變化證明(圖4)，沿著斷層方向的微地震事件的信號(hào)比其他正常壓裂產(chǎn)生的微地震事件要強(qiáng)，且斷層上的微地震信號(hào)在壓裂階段持續(xù)產(chǎn)生，表明了流體通道的存在。

以上套管變形點(diǎn)與螞蟻體斷層、微地震信號(hào)的相關(guān)性分析進(jìn)一步說(shuō)明，長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊大部分的套管變形是由壓裂誘發(fā)的斷層滑動(dòng)所引起，斷層是引起套管變形的地質(zhì)因素，壓裂是造成套管變形的工程因素。

圖2 通過(guò)螞蟻體追蹤得到的斷層位置(小方塊)和套管變形點(diǎn)(紅色藍(lán)框圓點(diǎn))的相關(guān)性Fig. 2 Correlation between the traces of detected faults (small squares) by using the Ant-Tracking seismic volume and the locations of casing deformation (red circles with blue border)

圖3 寧201-H1水平井在壓裂階段監(jiān)測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)微地震數(shù)據(jù)(圓球的顏色代表時(shí)間(壓裂段數(shù))，圓球的大小代表微地震事件的震級(jí))[10]Fig. 3 Processed field microseismic events for N201-H1 horizontal well (the color of the spheres represents different fracturing and shut-in stages, and the size represents the moment magnitude)[10]

2 斷層穩(wěn)定性分析

2.1 長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)地應(yīng)力特征和斷層受力

長(zhǎng)寧區(qū)塊區(qū)域構(gòu)造位于四川盆地與云貴高原結(jié)合部，川南古坳中隆低陡構(gòu)造區(qū)與婁山褶皺帶之間。威遠(yuǎn)地區(qū)屬于四川盆地川中隆起區(qū)的川西南低陡褶帶，為一個(gè)大型穹窿背斜構(gòu)造。威遠(yuǎn)201井的數(shù)據(jù)表明其區(qū)域最大主應(yīng)力方向?yàn)?35°，威202井區(qū)最大水平主應(yīng)力方向105°～130°，威204井區(qū)最大水平主應(yīng)力方向90°，顯示區(qū)域應(yīng)力方向相對(duì)集中，有利于區(qū)域井組統(tǒng)一部署。寧201井的數(shù)據(jù)表明其區(qū)域最大主應(yīng)力方向?yàn)?09°?？傮w來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)寧威遠(yuǎn)地區(qū)的地應(yīng)力與世界地應(yīng)力圖顯示的周?chē)貞?yīng)力方向大體上一致(圖5)。

圖4 微地震事件的矩震級(jí)，累積地震矩和注入的流體體積隨時(shí)間的變化(紅色和灰色圓圈分別代表與斷層有關(guān)的微地震事件和與裂縫有關(guān)的微地震事件)[10]Fig. 4 Moment magnitude of microseismic events, cumulative seismic moment, and injected fluid volume as a function of time (the red-and gray-filled circles represent the fault-related microseismic events and fracturing-related microseismic events,respectively)[10]

應(yīng)用摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則對(duì)寧201-H1井進(jìn)行了斷層激活分析。利用該斷層的走向和傾角，以及地應(yīng)力，分析該斷層的力學(xué)活動(dòng)性。該井垂直應(yīng)力當(dāng)量密度Sv=2.6 g/cm3，水平最大地應(yīng)力當(dāng)量密度Shmax=3.46 g/cm3，水平最小地應(yīng)力當(dāng)量密度Shmin=2.3 g/cm3，孔隙壓力當(dāng)量密度pp=1.4 g/cm3，水平最大地應(yīng)力方向109°N。在原地應(yīng)力和孔隙壓力條件下，該斷層應(yīng)力狀態(tài)如圖6中的黑色圓點(diǎn)所示，井底的孔隙壓力達(dá)到1.93 SG，斷層就會(huì)被激活。事實(shí)上，在水力壓裂過(guò)程中，施工的井底壓力必須要大于最小水平主應(yīng)力(2.3 SG)，才會(huì)產(chǎn)生張拉型水力壓裂裂縫，因此斷層激活會(huì)優(yōu)先于水力壓裂而發(fā)生。

圖5 長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊地應(yīng)力分布(其中藍(lán)色黑框圓點(diǎn)和綠色黑框圓點(diǎn)分別代表長(zhǎng)寧與威遠(yuǎn)的位置)[11]Fig. 5 Stress distribution for the Changning-Weiyuan region(the blue circle with black border and green circle with black border represent the locations of Changning and Weiyuan,respectively)[11]

2.2 斷層不穩(wěn)定滑動(dòng)的條件

斷層的穩(wěn)定滑動(dòng)通常不會(huì)產(chǎn)生地震，斷層的不穩(wěn)定滑動(dòng)又稱(chēng)為斷層的黏滑，通常伴隨著斷層的階躍滑動(dòng)，斷層的不穩(wěn)定滑動(dòng)可以通過(guò)微地震的信號(hào)反映出來(lái)。通常，壓裂誘發(fā)斷層不穩(wěn)定滑動(dòng)需要四個(gè)條件[12]。第一個(gè)條件是強(qiáng)度條件，即施加在斷層上的剪應(yīng)力超過(guò)了斷層的臨界剪切強(qiáng)度，表達(dá)式為：

圖6 天然斷層滑動(dòng)受力分析Fig. 6 Natural fault sliding analysis

其中，τ是施加在斷層上的剪切強(qiáng)度，μ是斷層面的摩擦系數(shù)，σneff是斷層的有效正應(yīng)力。第二個(gè)條件是速度摩擦狀態(tài)條件，即當(dāng)強(qiáng)度條件滿(mǎn)足時(shí)，斷層呈現(xiàn)出速度弱化摩擦狀態(tài)，第二個(gè)條件是建立在經(jīng)典的速度狀態(tài)摩擦本構(gòu)方程[13-14]的基礎(chǔ)上(圖7)。在速度狀態(tài)摩擦本構(gòu)方程中，摩擦系數(shù)的表達(dá)式為：

圖7 (a)斷層泥雙直剪示意圖，(b)速度步作用下斷層泥的摩擦反應(yīng)Fig. 7 (a) Schematic of fault gouge double in direct shear test, (b) illustration of the idealized response of velocity stepping test

該表達(dá)式描述的是斷層在發(fā)生速度階躍時(shí)摩擦系數(shù)的演化，其中，μ0是在參考速度V0條件下的穩(wěn)定摩擦系數(shù)，μ是在速度階躍后速度V條件下的穩(wěn)定摩擦系數(shù)，a值反映的是斷層在速度變化時(shí)的直接效應(yīng)，而b值則反映的是斷層在速度變化后的演化效應(yīng)，dc是臨界滑移距離，θ是與狀態(tài)有關(guān)的變量，用來(lái)表示對(duì)接觸面之前的滑動(dòng)記憶，說(shuō)明后一時(shí)刻的狀態(tài)變量受到前一時(shí)刻狀態(tài)變量的影響。在該方程中(a - b)反映的即是速度摩擦狀態(tài)，當(dāng)(a - b)＞ 0時(shí)，斷層呈現(xiàn)出速度強(qiáng)化摩擦狀態(tài)，促進(jìn)斷層的穩(wěn)定滑動(dòng)；當(dāng)(a - b)＜ 0時(shí)，斷層呈現(xiàn)出速度弱化摩擦狀態(tài)，促進(jìn)斷層的不穩(wěn)定滑動(dòng)。第三個(gè)條件是剛度條件，即在滿(mǎn)足了強(qiáng)度條件和速度摩擦狀態(tài)條件時(shí)，還需要斷層所處的剛度小于斷層的臨界剛度，表達(dá)式為，

其中，G是斷層的剪切模量，l是斷層的長(zhǎng)度，Kc是斷

層的臨界剛度。第四個(gè)條件是有效應(yīng)力的演化不會(huì)使得斷層膨脹硬化并且滿(mǎn)足如下定律[15]：

其中，a是一半的斷層寬度，k是滲透率，Ks是孔隙流體模量，η是孔隙流體動(dòng)力黏度系數(shù)。

無(wú)論斷層在注水條件下發(fā)生穩(wěn)定滑動(dòng)還是不穩(wěn)定滑動(dòng)，斷層上下兩盤(pán)都將因?yàn)榛瑒?dòng)而產(chǎn)生明顯位移，當(dāng)套管穿越斷層時(shí)，由于斷層的滑動(dòng)都會(huì)使得套管產(chǎn)生明顯的變形，但是穩(wěn)定滑動(dòng)和不穩(wěn)定滑動(dòng)對(duì)套管變形的影響又有所區(qū)別。斷層不穩(wěn)定滑動(dòng)即黏滑所表現(xiàn)出來(lái)的特征是斷層先有一部分的能量積累，然后當(dāng)達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)能量會(huì)突然釋放，進(jìn)而對(duì)套管產(chǎn)生較大的沖擊，不穩(wěn)定滑動(dòng)過(guò)程中會(huì)伴隨著滑移速率的急劇加快，因而，相比于斷層的穩(wěn)定滑動(dòng)，不穩(wěn)定滑動(dòng)對(duì)套管變形的影響會(huì)更大。此外，斷層的穩(wěn)定滑動(dòng)不受微地震監(jiān)測(cè)，即微地震信號(hào)中不能反應(yīng)穩(wěn)定滑動(dòng)的部分，該現(xiàn)象可部分解釋為何現(xiàn)場(chǎng)微地震監(jiān)測(cè)和套管變形點(diǎn)不完全一致。

誘發(fā)地震(induced seismicity)與觸發(fā)地震(triggered seismicity)是通常被提及的兩個(gè)名詞，雖然從字面意義上看兩者意思相近，但是相關(guān)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了區(qū)分。McGarr等[16]曾提到誘發(fā)地震的幅值應(yīng)該與環(huán)境應(yīng)力狀態(tài)相當(dāng)，而觸發(fā)地震幅值只是環(huán)境應(yīng)力狀態(tài)的一小部分，換言之，當(dāng)斷層已經(jīng)或即將處于臨界應(yīng)力狀態(tài)時(shí)由于外界應(yīng)力擾動(dòng)而產(chǎn)生的地震稱(chēng)為觸發(fā)地震(圖8b)，否則是誘發(fā)地震(圖8c)。在地震學(xué)中，觸發(fā)地震還有另外一層含義，即由于先前地震作用而產(chǎn)生的地震也稱(chēng)為觸發(fā)地震[17]。在實(shí)際水力壓裂工程應(yīng)用中，觸發(fā)地震會(huì)對(duì)套管變形產(chǎn)生的影響更大，這是由于觸發(fā)地震的產(chǎn)生所需要的條件更低，施工過(guò)程中很小的應(yīng)力擾動(dòng)都有可能使得觸發(fā)地震發(fā)生。

圖8 (a)走滑斷層示意圖，(b)觸發(fā)類(lèi)地震斷層受力圖，(c)誘發(fā)類(lèi)地震斷層受力圖Fig. 8 (a) Schematic of a strike-slip faulting, (b) stress state of a triggered earthquake, (c) stress state of an induced earthquake

2.3 礦物成分對(duì)斷層泥摩擦性質(zhì)的影響

斷層泥的摩擦實(shí)驗(yàn)是用來(lái)揭示斷層泥成分對(duì)摩擦系數(shù)和摩擦穩(wěn)定性影響的重要手段，過(guò)去幾十年中有大量的摩擦實(shí)驗(yàn)用于探究不同溫壓條件下斷層泥的礦物成分對(duì)斷層泥摩擦性質(zhì)的影響。斷層泥中的礦物成分按照礦物結(jié)構(gòu)可主要分為三類(lèi)，即架狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物、層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物。層狀硅酸鹽礦物，如蒙脫石[18]、伊利石[19]、高嶺石[20]、綠泥石[21]、云母[22]、滑石[23]和蛇紋石[24]等，這類(lèi)礦物由于其層狀結(jié)構(gòu)往往呈現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)，并且促進(jìn)斷層的穩(wěn)定滑動(dòng)。架狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)礦物，如石英和長(zhǎng)石[25]，這類(lèi)礦物的摩擦性質(zhì)和層狀硅酸鹽礦物不同，它們往往呈現(xiàn)出較高的摩擦系數(shù)，并且促進(jìn)斷層的不穩(wěn)定滑動(dòng)，在高溫高壓條件下，由于架狀硅酸鹽礦物的壓溶作用和不均勻剪切，使得斷層呈現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的黏滑運(yùn)動(dòng)[26]。和前兩類(lèi)礦物所不同的是，常溫下碳酸鹽礦物呈現(xiàn)出來(lái)較高的摩擦系數(shù)，由于碳酸鹽礦物對(duì)溫度的敏感性較強(qiáng)，高溫下碳酸鹽礦物的摩擦性質(zhì)較為復(fù)雜，正應(yīng)力和加載速率都會(huì)對(duì)碳酸鹽礦物的摩擦性質(zhì)產(chǎn)生影響[27]。成熟斷層中經(jīng)常會(huì)分布有一定厚度的斷層泥，斷層泥往往稱(chēng)為控制斷層摩擦性質(zhì)的重要因素。由于斷層泥往往成為斷層中的軟弱層，當(dāng)套管穿越斷層泥時(shí)，斷層泥會(huì)由于摩擦性質(zhì)較低而首先發(fā)生滑動(dòng)進(jìn)而引起斷層兩盤(pán)的滑動(dòng)，這種滑動(dòng)則有可能引起套管的變形，因而實(shí)際施工中套管的位置應(yīng)該避開(kāi)斷層，尤其是含有一定厚度黏土斷層泥的斷層(圖9)。另外，相關(guān)文獻(xiàn)表明長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖斷層泥的黏土成分存在著差異性，當(dāng)黏土成分小于某一臨界含量值時(shí)，表現(xiàn)出來(lái)速度弱化摩擦狀態(tài)，使得斷層趨于不穩(wěn)定滑動(dòng)[28]。

3 套管變形的防控策略

3.1 斷層滑動(dòng)引起的套管變形受力分析

對(duì)水力壓裂過(guò)程中的套管變形問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)套管變形的受力進(jìn)行了大量的研究。蔣可等[30]認(rèn)為水泥環(huán)竄槽缺失、套管偏心和井徑變化等會(huì)導(dǎo)致套管應(yīng)力集中，甚至達(dá)到套管的屈服值，從而導(dǎo)致套管變形。Yan等[31]認(rèn)為水泥環(huán)的孔隙壓力在壓裂過(guò)程中下降，套管受荷不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生套管變形。Lian等[32]認(rèn)為壓裂導(dǎo)致地應(yīng)力場(chǎng)分布不均誘發(fā)套管變形。Liu等[33]認(rèn)為水力壓裂引起的水泥環(huán)破壞和微環(huán)隙，以及溫度應(yīng)力及由套管內(nèi)壓周期性變化可能產(chǎn)生局部載荷，對(duì)套管變形產(chǎn)生影響。陳朝偉等[34-35]認(rèn)為天然裂縫或斷層的剪切滑動(dòng)是四川長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊套管變形的主要原因。

套管受剪切而變形之后，其直徑會(huì)減小，影響工具的正常通過(guò)，評(píng)估套管變形嚴(yán)重程度有多種方法：最簡(jiǎn)單的是套管內(nèi)徑的減小(縮徑)，此外還有根據(jù)套管變形后的橫截面橢圓化程度來(lái)評(píng)估套管變形程度[36]，以及用沿套管軸向單位長(zhǎng)度內(nèi)的橫向位移(曲率)表示變形程度[37]。劉偉等[38]通過(guò)鉛印模測(cè)量以及數(shù)值模擬結(jié)果得出，套管受斷層滑移剪切作用時(shí)的變形特征是一側(cè)變形很小，甚至不變形，另一側(cè)具有較大變形。Li等[39]根據(jù)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),建立有限元模型研究斷層滑移對(duì)套管變形的影響，結(jié)果表明：在斷層滑移距離比較小的時(shí)候，套管變形量隨著滑移距離增大而增加的趨勢(shì)并不明顯，當(dāng)斷層滑動(dòng)距離超過(guò)一個(gè)特定的值后，套管變形量隨著滑移距離出現(xiàn)成正比例增長(zhǎng)的趨勢(shì)。Yin等[40]對(duì)套管測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并建立了套管兩端固定的有限元模型，發(fā)現(xiàn)套管撓度與滑移面的距離具有近似正弦關(guān)系，變形后的套管形狀呈“S”形，模擬結(jié)果顯示：套管的應(yīng)力集中并不發(fā)生在滑移面上，套管變形最嚴(yán)重的區(qū)域也不在滑移面上，應(yīng)力集中的峰值位置相比于套管變形的峰值位置更接近滑移面，在距滑移面一定距離的位置，套管與水泥環(huán)、地層的運(yùn)動(dòng)將趨于同步，應(yīng)力分布趨于均勻。Jalali等[41]通過(guò)試驗(yàn)和有限元模擬對(duì)斷層滑動(dòng)引起套管變形進(jìn)行了研究，試驗(yàn)和模擬結(jié)果都表明，斷層變形呈現(xiàn)出“S”形特征。Xi等[42]運(yùn)用多臂井徑儀(MFC)對(duì)加拿大西部地區(qū)某頁(yè)巖氣井的變形進(jìn)行了測(cè)量，得到了不同的套管變形形態(tài)(圖10)，在該地區(qū)剪切變形的比例占所有套管變形形態(tài)的52.2%。

圖9 中國(guó)主要油藏巖石的摩擦穩(wěn)定性參數(shù)(a-b)[28](顏色的深淺表示斷層泥中層狀硅酸鹽的含量大小，灰色的數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)自Ikari等[29])Fig. 9 Friction stability parameter (a-b) for China's major reservoir rocks[28](the gray dots are adapted from Ikari et al, 2011[29])

圖10 加拿大西部地區(qū)某頁(yè)巖氣井套管變形的不同形態(tài)[42]Fig. 10 Different types of casing deformation for a horizontal well in western Canada[42]

斷層滑動(dòng)引起套管變形的影響因素有天然裂縫長(zhǎng)度、套管與水泥材料性能、固井情況、套管的設(shè)計(jì)、套管內(nèi)壓等。高利軍等[36,43]建立了壓裂井的有限元模型，研究了天然裂縫長(zhǎng)度和固井水泥彈性模量的影響，結(jié)果表明在固定天然裂縫傾角的情況下，天然裂縫越長(zhǎng)，套管變形程度越嚴(yán)重，這是因?yàn)榱芽p越長(zhǎng)，其中心位置受裂縫邊緣的約束越小，越容易發(fā)生滑移。減小固井水泥彈性模量可在一定程度上減小套管變形，但其效果不佳，固井水泥的彈性模量對(duì)套管變形幾乎無(wú)影響。王素玲等[44]用ABAQUS建立了模型，模擬不同鋼材級(jí)別對(duì)套管變形的影響，模擬結(jié)果顯示套管的屈服強(qiáng)度越高，越不容易發(fā)生塑性變形，但不同強(qiáng)度套管產(chǎn)生的水平位移和臨近的地層位移量是一致的，說(shuō)明增大套管的強(qiáng)度在一定程度上可減小套管的位移，但效果十分有限。Hu等[45]建立了固井和不固井兩種情況下的有限元模型，結(jié)果顯示兩種情況下套管的應(yīng)力明顯高于周?chē)鷰r石的應(yīng)力，這是因?yàn)樘坠艿膹椥阅Ａ窟h(yuǎn)高于水泥環(huán)和巖石的彈性模量。兩種情況都出現(xiàn)應(yīng)力集中，但不固井情況的應(yīng)力集中相比于固井較輕，應(yīng)力集中隨著與滑移面位置的增大減小得更快。在固井情況下，套管變形量更大，且變形量更集中于斷層附近，而在不固井時(shí)，套管變形量小，變形程度會(huì)更加緩和。Yin等[46]建立了不同套管壁厚和套管與斷層夾角的三維有限元模型，采用曲率描述套管變形，研究套管壁厚在套管受剪切變形中的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)套管壁厚增加將近一倍時(shí)，套管的最大曲率只減小了8%。隨著夾角的減小，套管的最大曲率顯著減小，套管的最大曲率在90°～30°角范圍內(nèi)平均減小72%。Xi等[42]針對(duì)不同的套管內(nèi)壓，建立了有限元模型進(jìn)行模擬，使用縮徑描述套管變形程度，結(jié)果顯示隨著內(nèi)壓的增大，套管變形程度減小，內(nèi)壓從0 MPa增加到115 MPa時(shí)，套管縮徑減少了20.7%，其主要原因是套管內(nèi)壓力對(duì)套管柱等效剛度影響較大，套管內(nèi)壓越大，等效剛度越大。

關(guān)于套管受剪切變形的影響因素的研究前人已經(jīng)做了很多工作，得出了大量結(jié)論，其中可以分成套管本身性質(zhì)如剛度、強(qiáng)度的影響，和套管受滑移地層作用程度的影響?？偟膩?lái)看，套管本身剛度對(duì)于抵抗剪切變形的影響不大，增大套管的剛度并不能有效減輕變形程度，反而會(huì)使套管的應(yīng)力集中更加嚴(yán)重，更容易達(dá)到強(qiáng)度極限。國(guó)外工程經(jīng)驗(yàn)也表明，增加套管剛度對(duì)緩解地層滑移引起的變形效果不明顯[47]。這是因?yàn)樘坠艿臋M截面積一般是幾十平方厘米，而斷層滑移的區(qū)域可以達(dá)到數(shù)千平方米，相對(duì)于使滑移區(qū)域變形和滑動(dòng)的動(dòng)力，套管剪切變形對(duì)地層滑移產(chǎn)生的抗力可忽略不計(jì)[36]，在斷層滑移時(shí)，套管只能與滑移斷層一同運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生變形。對(duì)于減輕套管變形程度，增加套管本身的剛度以抵抗滑移地層剪切作用的方法效果不佳，另一個(gè)思路是減輕甚至避免滑移地層對(duì)套管的影響，使得地層滑移的作用不會(huì)很快作用到套管上。從前人的研究來(lái)看，在斷層處不固井、使套管小角度穿過(guò)斷層等方法可以有效減少套管由地層滑移引起的變形。

3.3 施工參數(shù)對(duì)斷層滑動(dòng)變形的影響

研究表明，斷層滑移量與注射點(diǎn)壓力，注入速率和注射體積量等因素密切相關(guān)，但是其中的關(guān)系尚不完全明確。劉偉等[38]通過(guò)ABAQUS有限元模擬，對(duì)體積壓裂中套管變形失效機(jī)理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)總體上斷層長(zhǎng)度越長(zhǎng)、縫內(nèi)流體壓力越高，斷層的變形量就越大。此外，孫可明等[48]通過(guò)理論分析得出，當(dāng)?shù)貞?yīng)力差較大，斷層傾角、黏聚力以及內(nèi)摩擦角較小時(shí)，隨著注射時(shí)間的持續(xù)，壓裂液濾失也會(huì)引起斷層的滑動(dòng)。McClure和Horne[49-50]利用有限體積法得出較低的井筒壓力能顯著降低斷層滑移量，并減少誘發(fā)地震的數(shù)量。Maxwell[51]利用三維塊體離散元法得到較低的注入速率能夠控制斷層的總滑移量。然而，對(duì)于相同的施工參數(shù)，斷層尺寸的不同對(duì)斷層滑動(dòng)量也有顯著影響，Zoback和Gorelick[52]提出了斷層誘發(fā)滑動(dòng)量與斷層尺寸有關(guān)，并說(shuō)明了誘發(fā)地震大小與斷層滑移量的聯(lián)系，McGarr[53]利用推導(dǎo)出誘發(fā)地震最大震級(jí)與注水體積的關(guān)系，并提出了理論公式，揭示了注射施工參數(shù)、誘發(fā)地震大小與斷層滑移量之間的聯(lián)系。

根據(jù)四川長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊寧201-H1壓裂井附近的地質(zhì)參數(shù)，采用數(shù)值模擬方法對(duì)排量和黏性進(jìn)行了施工參數(shù)分析。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)微地震數(shù)據(jù)分析可知，該斷層是由注射直接導(dǎo)致的滑移(圖3和圖4)。數(shù)值分析采用塊體離散元軟件3DEC進(jìn)行斷層滑移的模擬，模擬考慮到套管變形導(dǎo)致分段壓裂密封失效使得壓裂液直接注入斷層的情況，采用兩段壓裂，且每段包含三個(gè)壓裂簇。斷層在模型中由平面切割塊體產(chǎn)生，且斷層周?chē)O(shè)置了多組相交的離散裂縫網(wǎng)絡(luò)，以模擬斷層周?chē)奶烊涣芽p。數(shù)值模型的示意圖如圖11所示。

排量和黏性的施工參數(shù)分析各分為兩組，排量為0.12 m3/s的全速率原參數(shù)組，及0.06 m3/s的半速率對(duì)照組。黏性則為2 cp的原參數(shù)，與20 cp的對(duì)照組(十倍黏性)。注射流程包括90 min第一階段注射，180 min關(guān)停階段，再加上90 min第二階段注射。排量的原參數(shù)與對(duì)照組模擬結(jié)果如圖12所示。模擬結(jié)果表明，當(dāng)減半注射速率，即排量減半后，斷層面上最大滑移量從15.4 mm (黑色實(shí)線(xiàn))減少到7.8 mm (黑色虛線(xiàn))，減少了49%。說(shuō)明減少排量對(duì)控制斷層變形具有良好的效果。

黏性對(duì)斷層變形的影響如下圖灰色實(shí)線(xiàn)所示，在黏性增加十倍后，流體在斷層內(nèi)的傳播范圍下降，大量流體聚集在注射點(diǎn)附近，使得該區(qū)域斷層的最大滑移量達(dá)到了35.7 mm，比黏性為2 cp時(shí)(原參數(shù)組)模擬結(jié)果大兩倍。結(jié)果表明較低的黏性有利于控制斷層滑移的大小。

需要指出的是，以上模擬例子研究的是誘發(fā)地震狀態(tài)下的斷層滑移，誘發(fā)型斷層滑動(dòng)是由于注射導(dǎo)致斷層內(nèi)孔隙壓力增大，并使得斷層內(nèi)正應(yīng)力下降，從而引起滑移。結(jié)果表明施工參數(shù)對(duì)控制誘發(fā)型斷層滑動(dòng)具有顯著的效果，減少排量以及降低黏性均能顯著地限制斷層滑移，從而減少套管變形。但是本例得出的結(jié)論無(wú)法用來(lái)指導(dǎo)控制觸發(fā)地震中的斷層滑移，對(duì)于觸發(fā)型斷層滑動(dòng)，應(yīng)當(dāng)避免經(jīng)過(guò)處于臨界應(yīng)力狀態(tài)的斷層帶以降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 寧201-H1水平井水力壓裂引起斷層滑移和套管變形數(shù)值模型圖[10]Fig. 11 Numerical model of hydraulic fracturing induced fault slippage and casing deformation for the N201-H1 horizontal well[10]

圖12 排量和黏性施工參數(shù)對(duì)激活斷層最大剪切位移的模擬結(jié)果[10]Fig. 12 Numerical results for the effect of injection volume and fluid viscosity on the maximum shear displacement of fault[10]

3.3 斷層滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

基于斷層分布和地應(yīng)力數(shù)據(jù)，利用斷層滑動(dòng)假說(shuō)[54]與定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[55-56](QRA)可以評(píng)估斷層滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。首先考慮地質(zhì)力學(xué)建模過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的不確定性，對(duì)每個(gè)輸入?yún)?shù)進(jìn)行隨機(jī)抽樣生成地質(zhì)力學(xué)概率模型。其次依據(jù)概率模型中斷層滑動(dòng)所需孔隙壓力(臨界孔隙壓力)擾動(dòng)值分布得出滑動(dòng)概率隨孔隙壓力增加而變化的函數(shù)。最后基于孔隙壓力擾動(dòng)值與滑動(dòng)概率函數(shù)對(duì)斷層滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

利用該方法，分析了寧201-H1井的斷層滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。利用微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和螞蟻體追蹤數(shù)據(jù)，識(shí)別該井引起套管變形的斷層的傾向?yàn)镹57°E，傾角為70°，如圖13所示。利用該井和鄰井的常規(guī)測(cè)井、成像測(cè)井和小型壓裂等數(shù)據(jù)，建立地質(zhì)力學(xué)模型。利用前面描述的流程，分析斷層滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，在現(xiàn)今地應(yīng)力條件下，在給定2500 psi (17.2 MPa)的孔隙壓力擾動(dòng)值條件下，該斷層滑動(dòng)的概率為70%?；诖孙L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，可以識(shí)別斷層滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)高低。斷層滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)可為解決套管變形問(wèn)題提供一種新的思路，特別是對(duì)于已經(jīng)處于臨界狀態(tài)的斷層，任何小的擾動(dòng)都可以觸發(fā)斷層的滑動(dòng)，因此通過(guò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)井眼軌跡有效地避開(kāi)該斷層，是減緩套管變形的最佳方案。

3.4 地質(zhì)工程一體化防控方案

以上分析得知套管變形的防控策略需要根據(jù)斷層所處的條件來(lái)綜合決定。對(duì)于觸發(fā)類(lèi)的斷層滑動(dòng)，對(duì)斷層滑動(dòng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并結(jié)合地質(zhì)工程一體化進(jìn)行全面規(guī)避是比較合適的方案。對(duì)于誘發(fā)類(lèi)的斷層滑動(dòng)，可以對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，從而減少斷層滑動(dòng)量。對(duì)于長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)等地質(zhì)和應(yīng)力條件都很復(fù)雜的地區(qū)，套管變形的防控是一個(gè)系統(tǒng)的工程，需要結(jié)合地質(zhì)工程一體化提出套管變形綜合防治技術(shù)理念。地質(zhì)工程一體化體現(xiàn)在專(zhuān)業(yè)上從地質(zhì)到鉆井，從完井再到壓裂，按照地質(zhì)工程一體化的理念來(lái)解決套管變形問(wèn)題。系統(tǒng)性體現(xiàn)在在尺度和時(shí)間上，從區(qū)塊方案到平臺(tái)方案，再到井筒優(yōu)化設(shè)計(jì)。區(qū)塊方案設(shè)計(jì)階段，基于斷層(裂縫)滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，進(jìn)行平臺(tái)井設(shè)計(jì)。在鉆完井階段，基于斷層和套管相互作用受力分析，進(jìn)行完井套管優(yōu)選，水泥漿材料優(yōu)選(封堵微環(huán)隙)。在單井壓裂設(shè)計(jì)階段，基于水力壓裂設(shè)計(jì)模擬斷層滑動(dòng)，優(yōu)化施工排量、液體總量和射孔位置。在壓裂施工階段，基于微地震實(shí)施監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)診斷斷層滑動(dòng)情況，并根據(jù)診斷結(jié)果采取防控措施。

圖13 寧201-H1水平井附近孔隙壓力擾動(dòng)值為2500 psi (17.2 MPa)時(shí)的斷層滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估圖[57]Fig. 13 Probability of fault slip with the increase of 2500 psi pore pressure for faults near N201-H1 horizontal well[57]

4 結(jié)論

本文針對(duì)長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)水力壓裂引起的斷層滑移和套管變形機(jī)理展開(kāi)研究并提出套管變形的一些防控策略。首先對(duì)長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊的套管變形的幾何特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)結(jié)合螞蟻體追蹤的斷層位置和微地震信號(hào)的時(shí)空特征分析，綜合得到了該地區(qū)套管變形與水力壓裂誘發(fā)的斷層滑動(dòng)存在相關(guān)性的結(jié)論。然后對(duì)長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)地應(yīng)力進(jìn)行了描述，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)滑動(dòng)斷層的受力分析，得到了斷層滑動(dòng)可能優(yōu)先于水力壓裂發(fā)生的可能性。介紹了壓裂施工可能導(dǎo)致的斷層穩(wěn)定與不穩(wěn)定滑動(dòng)對(duì)套管變形的影響，分析了控制斷層滑移的主控因素并提出了觸發(fā)類(lèi)和誘發(fā)類(lèi)兩種不同的斷層滑動(dòng)模式。分析了斷層泥礦物成分對(duì)其摩擦性能及其對(duì)斷層穩(wěn)定性的影響，指出長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖斷層泥的黏土成分小于某一臨界含量值時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出來(lái)速度弱化從而導(dǎo)致斷層的不穩(wěn)定滑動(dòng)。最后在此基礎(chǔ)上，提出了套管變形的一些防控策略：(1)在斷層滑動(dòng)引起的套管受力變形的基礎(chǔ)上總結(jié)了套管和水泥環(huán)的材料和設(shè)計(jì)對(duì)套管變形的影響：(2)基于誘發(fā)類(lèi)斷層滑動(dòng)研究了施工參數(shù)對(duì)斷層滑移量和套管變形量的影響：(3)基于誘發(fā)類(lèi)斷層滑動(dòng)提出斷層滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的概念方法：(4)最后綜合提出了一套基于地質(zhì)工程一體化的防控方案。本文的研究可以為長(zhǎng)寧威遠(yuǎn)區(qū)塊的套管變形防控提供一些有用的思路。