席 巖，李 軍，李方園，曾夏茂，鐘文力

(1．北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 北京 100124； 2.中國石油大學(xué)(北京) 北京 102249；3.中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū) 新疆 克拉瑪依 834000；4.中國石油西部鉆探工程有限公司 新疆 烏魯木齊 830011；5.中石化西南石油工程有限公司固井分公司 四川 德陽 618003)

0 引 言

水平井技術(shù)和多級壓裂工藝是頁巖氣開發(fā)的主要手段[1-3]。頁巖氣水平井壓裂過程中套管變形問題頻繁出現(xiàn)，導(dǎo)致壓裂過程中橋塞無法座封到位，部分井段被迫放棄增產(chǎn)作業(yè)，極大阻礙了頁巖氣井的高效開發(fā)[4-7]。針對該問題，國內(nèi)外學(xué)者展開了一系列研究，先后分析了壓裂高內(nèi)壓、固井質(zhì)量、環(huán)空束縛流體、斷層滑移等一系列原因?qū)μ坠茏冃蔚挠绊慬8-10]。其中，現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)表明，剪切變形是頁巖氣生產(chǎn)套管變形的主要形式，而導(dǎo)致套管出現(xiàn)剪切變形的主要原因是斷層滑移。王倩琳等認(rèn)為頁巖氣井壓裂過程中大量的壓裂液注入到地層中容易導(dǎo)致斷層被激活，激活后的斷層滑移使得套管發(fā)生剪切變形[11]；陳朝偉等基于震源機(jī)制關(guān)系建立了微地震參數(shù)與斷層滑移距離之間的量化關(guān)系，對比分析了套管剪切變形程度[12]。但是以上分析均未考慮套管剪切變形后的內(nèi)徑變化規(guī)律,無法對套管發(fā)生剪切變形后的橋塞選擇提供依據(jù)。針對此，考慮壓裂過程中震源機(jī)制關(guān)系計算了斷層滑移距離，建立了斷層滑移過程中套管-水泥環(huán)-頁巖儲層數(shù)值模型，計算了剪切變形后套管內(nèi)徑沿軸向變化規(guī)律。研究結(jié)果可為頁巖氣水平井壓裂過程中套管完整性的控制提供有效參考。

1 套管剪切變形概況

多臂井徑測量可以真實(shí)反映井下套管變形情況。頁巖氣水平井變形點(diǎn)多臂井徑測量結(jié)果表明，套管變形主要為剪切變形、徑向擠壓變形和軸向彎曲變形，如圖1所示，其中剪切變形是主要形式。以加拿大西加盆地頁巖氣區(qū)塊為例，16口套管變形井共有23個套管變形點(diǎn)，其中套管剪切變形點(diǎn)占比為52.2%。微地震測量數(shù)據(jù)表明，套管剪切變形位置與天然裂縫具有較高的重合度。這主要是因?yàn)樵谔烊涣芽p發(fā)育區(qū)域，頁巖氣水平井壓裂過程中，大量壓裂液被注入到地層中，天然裂縫內(nèi)孔隙壓力升高、界面摩擦系數(shù)降低，導(dǎo)致斷層沿天然裂縫界面(斷層面)發(fā)生滑移，剪切套管。部分學(xué)者研究結(jié)果表明，我國威遠(yuǎn)-長寧頁巖氣區(qū)塊出現(xiàn)的套管變形井中，56.76%的套管變形點(diǎn)位置與天然裂縫重合[4,6]。由此可以看出，被激活斷層滑移的距離、斷層面與井筒的夾角都是影響套管剪切變形程度的重要影響因素，分析這些因素對于套管剪切變形后縮徑量的影響，對于優(yōu)選橋塞確保壓裂施工繼續(xù)進(jìn)行具有極為重要的意義。

圖1 頁巖氣井套管變形形態(tài)

2 數(shù)值模型建立

2.1 幾何模型

基于前述分析可知，滑移距離、斷層傾角都是影響套管剪切變形程度的重要因素。通常斷層類型包含正斷層、逆斷層和走滑斷層?，F(xiàn)場微地震測量數(shù)據(jù)表明，多級壓裂過程中出現(xiàn)的滑移斷層類型以走滑斷層為主。走滑斷層的套管-水泥環(huán)-地層組合體幾何模型示意圖如圖2所示。模型中井筒穿過走滑斷層的中間位置，斷層分為固定部分和滑動部分，斷層被激活后滑動部分沿天然裂縫面滑移。改變斷層的滑移距離、斷層傾角，以用來模擬不同地質(zhì)條件下套管剪切變形情況。

圖2 斷層滑移剪切套管幾何模型

2.2 數(shù)值模型

結(jié)合前述幾何模型建立相應(yīng)的有限元數(shù)值模型。數(shù)值模型由生產(chǎn)套管、水泥環(huán)和頁巖地層共同組成。其中，為避免模型邊界效應(yīng)對于套管應(yīng)力-應(yīng)變的影響，地層尺寸設(shè)置為5 m×5 m×10 m，為套管直徑的10倍以上。與此同時，為更加精準(zhǔn)地分析斷層滑移過程中生產(chǎn)套管的應(yīng)力-應(yīng)變，模型建立過程中采用Shell-to-Solid耦合方法，其中生產(chǎn)套管使用Shell單元形式，其他均使用Solid單元，網(wǎng)格劃分過程中選用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非均勻密度劃分方式，如圖3所示。

圖3 斷層滑移剪切套管數(shù)值模型

2.3 參數(shù)設(shè)置

數(shù)值計算過程中，取實(shí)際頁巖氣水平井幾何和地質(zhì)參數(shù)。其中：井筒尺寸為215.9 mm，生產(chǎn)套管外徑為139.7 mm，壁厚為12.7 mm，鋼級為P110，屈服強(qiáng)度為758 MPa，彈性模量和泊松比分別為210 GPa、0.3。頁巖地層和水泥環(huán)的彈性模量和泊松比分別為24 GPa、0.23和10 GPa、0.17。頁巖儲層最大水平、最小水平和垂向地應(yīng)力分別為102、94和 86 MPa。壓裂過程中井底施工壓力為117 MPa?；谇叭怂⒌恼鹪礄C(jī)制關(guān)系[12]，計算所得到某頁巖氣井?dāng)鄬踊凭嚯x117.2 mm，為便于計算，斷層滑移距離取值為120 mm。

3 結(jié)果與討論

3.1 斷層滑移后套管內(nèi)徑沿軸向變化

斷層滑移后導(dǎo)致套管出現(xiàn)剪切變形，取剪切變形后垂直剪切方向的軸向截面，分析該截面內(nèi)套管內(nèi)徑沿軸向變化規(guī)律，如圖4所示。可以看出，剪切后套管內(nèi)徑在兩端幾乎無變化，但是在斷層滑移面附近出現(xiàn)了較為劇烈的變化，當(dāng)滑移界面垂直于套管且滑移距離為120 mm時，滑移后套管內(nèi)徑最小處為100.1 mm，相比套管原始內(nèi)徑減小14.2 mm(12.4%)。鑒于內(nèi)徑變化劇烈的位置處僅在斷層滑移界面處，因此后續(xù)主要針對軸向4～6 m處內(nèi)徑變化進(jìn)行分析。

圖4 斷層滑移后套管內(nèi)徑沿軸向變化規(guī)律

3.2 滑移距離對套管內(nèi)徑變化的影響

頁巖氣水平井壓裂過程中，不同地質(zhì)和工程條件下斷層滑移距離不一樣。斷層滑移距離將會直接影響到套管剪切變形的程度。圖5為不同斷層滑移距離下套管內(nèi)徑沿軸向變化規(guī)律?？梢钥闯?，隨著滑移距離的不斷增大，套管剪切變形內(nèi)徑變化的規(guī)律基本一致，內(nèi)徑縮徑量顯著增加。斷層滑移距離為60 mm時，套管剪切變形后最小內(nèi)徑為107.8 mm，縮徑量為6.5 mm；斷層滑移距離增大到120 mm時，套管剪切變形后內(nèi)徑為100.2 mm，縮徑量為14.2 mm。

圖5 不同滑移距離對套管內(nèi)徑變化影響

3.3 斷層傾角對套管內(nèi)徑變化的影響

基于測井資料和微地震螞蟻體數(shù)據(jù)可知，天然裂縫傾角各異，與井筒的夾角也不盡相同。針對此，保持?jǐn)鄬踊频木嚯x不變(120 mm)，改變斷層面的傾角，計算不同斷層傾角下剪切變形套管內(nèi)徑沿軸向變化規(guī)律，如圖6所示。基于該圖可知，在0～90°范圍內(nèi)，隨著斷層傾角的不斷增加，套管內(nèi)徑變化逐步增大。當(dāng)斷層垂直于套管的時候，套管內(nèi)徑的變化最為顯著。

圖6 不同斷層傾角對套管內(nèi)徑變化影響

針對此，可以在天然裂縫發(fā)育層段采取注入高粘流體不固井的方式，為斷層滑移提供空間，降低套管剪切變形的程度；或者在設(shè)計階段使井眼軌道避開天然裂縫帶，或者順裂縫帶走向鉆進(jìn)，避免天然裂縫橫切套管，從而達(dá)到規(guī)避斷層直角剪切套管風(fēng)險的目的。

4 結(jié) 論

1)多級壓裂誘發(fā)斷層滑移，導(dǎo)致穿越斷層的套管出現(xiàn)剪切變形，斷層滑移面附近套管內(nèi)徑變化最為劇烈。

2)隨著斷層滑移距離的不斷增加，斷層剪切套管變形后內(nèi)徑縮徑量越來越大；在0～90°范圍內(nèi)，隨著斷層傾角的不斷增加，套管變形后內(nèi)徑縮徑量逐步增大。

3)針對套管剪切變形，采取注入高粘流體不固井的方式，可以為斷層滑移增加空間；在設(shè)計階段使井眼軌道避開天然裂縫帶，或者順裂縫帶走向鉆進(jìn)，避免天然裂縫橫切套管，有利于保持套管的完整性。