页岩气井用套管承载特性试验研究*

2020-09-04杨尚谕韩礼红王建军潘志勇

石油管材与仪器 2020年4期

杨尚谕，韩礼红，王建军，王航，潘志勇

(中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室陕西西安 710077)

0 引言

随着西南油气田川渝地区页岩气储层体积改造技术的不断改进，使得页岩气井高效快速增产成为可能[1]。然而页岩气井储层体积改造过程中施工压力大、排量大、网状裂缝规模大及其不对称的特点使得套管柱受力情况复杂[2]，在非均匀外挤、岩性突变位置剪切和弯曲等载荷的共同作用下套管变形、破裂和错断现象多次发生，导致桥塞无法坐封到位，影响压裂施工效果、造成产层丢失进而降低单井产能。据不完全统计，2014年～2018年，西南油气田三区块共压裂377口井，套变井133口井，套变比例为35.3% 。2019年西南油气田三区块共压裂223口井，套变井为58口，套变比例为26.1%。因此，针对长宁、威远区块特殊的地质特征及作业工况研究页岩气井套管柱变形机理及防治措施显得尤为重要。

国内外专家学者针对套管变形原因及机理做了大量的研究，高德利[3]、练章华[4]等基于页岩气井水力压裂过程套管-水泥环-地层系统，讨论了套管、水泥环各物理/力学参数的变化对该系统受力行为的影响规律。管研院[5-6]等通过数值模拟结合测井信息分析认为页岩气水平井分段压裂套管柱变形由地层剪切滑移造成，提出针对高钢级(≥758.4 MPa)套管增加壁厚较提高钢级的抗剪切性能增效更明显的观点。Deenadayalu. C[7], G.Landry[8], R.Blake[9]等基于井筒系统完整性考虑，研究了页岩气井压裂过程近井筒水力裂缝扩展时井筒环向应力的变化规律，并提出储层的蠕变特性将导致套管变形的观点。综上所述，国内外专家学者通过有限元计算的方法研究了高钢级套管在非均匀外挤载荷下的变形特性，并对其影响因素进行了分析[10-19]。

针对西南油气田套变井测井数据，研究确定了套管柱变形模式和主控因素。借助“非常规油气井套管柱模拟试验系统”开展了不同钢级、壁厚套管柱抗剪切、抗非均匀外挤、内压循环等复合工况承载特性变化规律，建立了套管柱复杂载荷工况下服役安全性能评价方法，为套管柱设计选用和套变控制提供依据。

1 页岩气井复杂压裂套管变形模式及主控因素研究

2019年西南油气田三区块共压裂223口井，套变井为58口，套变比例为26.1%，对这些井套管的变形情况进行了监测，其套变变形形貌如图1所示。

图1 页岩气井体积改造过程中套管变形监测图

根据页岩气井复杂压裂套管变形测井数据，确定套变模式主要为：剪切主导型、非均匀外挤主导型和复合形貌。如图2所示。

图2 套变模式示意图

套管变形的主控因素是载荷和位移，研究表明页岩气井复杂压裂套管变形主控因素属于位移控制。其原因主要是：

1)页岩气井套管柱选用是依据强度理论并基于安全系数法进行设计，不包括地层滑移情况，服役安全系数远远高于设计安全系数。但是压裂工况下套管变形严重，说明高参数水力压裂促使地层发生轻微滑动，导致套管发生变形。

2)试验结果表明，厚壁(125SG 144.7 mm×15.2 mm)套管较常规套管(125SG 139.7 mm×12.7 mm)抗剪切强度增加1.5倍，抗外挤强度增加1.6倍，轴向拉伸强度增加1.22倍，抗内压强度增加1.15倍，而厚壁套管工程试验套损率并未得到有效控制。

3)实物模拟试验研究不同规格套管柱抗非均匀外挤承载特性，位移边界具有唯一性，载荷边界不具有唯一性。

4)现场存在大量的邻井压裂导致未压裂井发生变形。

2 页岩气井复杂压裂套管服役边界条件确定

根据页岩气井复杂压裂套管变形测井数据，针对某区块套管径向变形量和轴向变形长度开展系统分析，分析结果如图3和图4所示。

图3 某区块套管径向变形量统计结果

图4 某区块套管轴向变形程度统计结果

图3结果显示该区块87%的套变点的径向位移<25 mm，13%的套变点径向位移>25 mm。

图4结果显示该区块剪切主导的套变点92%的轴向变形长度<20 m(2根套管)；非均匀外挤主导的套变点75%的轴向长度<20 m(2根套管)。

2017年石油管工程技术研究院自主研制了“非常规油气井套管柱模拟试验装置”，如图5所示，该装置采用机械加载的方式实现套管柱-水泥环系统在轴向拉/压(1 000 t)、内压(200 MPa)、剪切(600 t)、非均匀外挤(1 200 t)和高温(<1 000 ℃)等工况下的服役性能模拟，填补了国内外关于井筒系统在特殊载荷工况实物模拟试验装置和方法的空白，为非常规油气井井筒完整性控制和套变防治问题的解决提供技术依据。

根据“非常规油气井套管柱模拟试验装置”，进行了套管-水泥环系统抗非均匀外挤实物模拟试验，套管规格为125SG 139.7 mm×12.7 mm，水泥环采用现场韧性水泥，高温工况凝固，壁厚为38.1 mm。采用位移控制的方式研究地层位移量与套管变形的对应关系，当地层滑移量为40 mm时，套管内径变形量达到了25 mm，经过多次试验，地层滑移量与套管内径变形量的对应关系保持不变，因此，可认定该区块87%的套变点的地层滑移量<40 mm，也即确定了该区块地层滑移量<40 mm。

图5 非常规油气井套管柱模拟试验装置

3 页岩气井用套管非均匀承载特性研究

由于非常规油气井复杂压裂套管所受载荷形式比较特殊，呈现极强的非均匀性，采用常规手段尚无法确定其承载特性，为油气田工况管柱设计和选用造成了很大的困惑。

利用“非常规油气井套管柱模拟试验装置”研究了不同钢级、壁厚套管柱在剪切载荷、非均匀载荷以及复合载荷工况下的承载特性。图6为不同壁厚、不同钢级套管剪切变形和剪切载荷的对应关系，随着套管壁厚、钢级增加套管抗剪切能力增加。在相同的工况条件下，增加壁厚对套管抗剪切性能的提升幅度大于增加钢级对套管抗剪切性能提的幅度。需要说明的是采用外加厚套管，导致水泥环壁厚减小，在位移控制套管变形的工况下，不利于防治套变。

图7为不同壁厚和钢级工况下套管非均匀系数与抗挤能力的对应关系，随着外挤载荷非均匀程度增加，套管抗挤能力显著降低，即增加壁厚和提升钢级能增加套管抗挤能力。套管在非均匀载荷工况下变形形貌如图8所示。