水平井体积压裂套管失效机制研究现状及趋势初探

刘 合, 刘 伟, 王素玲, 董康兴

(1.中国石油勘探开发研究院,北京 100083; 2.东北石油大学机械科学与工程学院,黑龙江大庆 163318; 3.黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室,黑龙江大庆 163318)

体积压裂技术已经成为非常规油气资源开发增产的一项关键新技术,随着体积压裂技术的发展,由于其压裂体积大、改造段数多、施工排量大形成裂缝复杂等原因,导致体积压裂过程中套管变形失效成为影响低渗透油井高效开发的难题[1-6]。体积压裂过程中套管失效,不仅会导致油气井减产,甚至使油气井报废,严重影响油田的开发、开采进程,产生无法预估的经济损失[7-9]。近几年,美国宾夕凡尼亚州的Marcellus页岩气田[10],加拿大的魁北克省的Utica页岩气田,中国的四川须家河致密气区、川中侏罗系致密油、威远-长宁页岩气示范区,青海油田致密油区块[11]等地区均出现体积压裂后大量套管发生不同程度的变形失效现象。中国的现场数据表明,水平井体积压裂导致的套管失效形式主要是“S”型变形失效或椭圆变形失效,但对于体积压裂引起上述套管常见失效形式的作用机制尚未形成统一的认识。笔者通过总结套管失效研究的相关进展,给出对体积压裂下套管的研究趋势,以期为解决该类问题提供思路。

1 水平井体积压裂技术

图1 水平井体积压裂示意图Fig.1 Schematic diagram of volume fracturing of horizontal wells

水平井体积压裂技术如图1所示。主要由地面设备、油层套管、电缆、射孔枪、座封工具、桥塞等组成。射孔枪对油层套管射孔后,利用地面设备向低渗透油气层注入大量压裂液体,井筒内的高压液体充分破碎岩石,形成体积压裂缝网,使低渗透油气层与井筒形成高效的流通通道,从而实现对低渗透油气藏的增产改造[12]。水平井体积压裂技术在美国的成功应用已经表明其是开发致密油气的有效手段。与常规压裂技术普遍形成双翼对称裂缝所不同,体积压裂技术往往形成复杂的裂缝网络,裂缝网络在起裂与扩展的过程中,不再是简单的张性破坏,更多情况下存在着剪切、滑移、错段等复杂的力学行为[13-14]。这常常会造成水平井体积压裂下套管的损坏失效频繁发生。因此对体积压裂引起套管失效的机制进行研究具有重要的意义。

2 体积压裂套管失效机制研究现状

目前,多数国家对体积压裂下套管的强度设计方法还依然沿用苏联时期的国家标准(ΓΟCT)或美国石油学会标准(API),国内外学者公开的文献也多数关于常规采油井下的套损研究,对一些套管所受的非均匀载荷受力状态,还是基于有无水泥环或假设水泥环部分缺失、非均匀地应力等基本假设[15-19]。研究者意识到体积压裂过程中套管所受载荷的复杂性以及常规强度设计方法已不再适用于体积压裂下的套管研究,但由于体积压裂是近几年新兴的技术,缺乏对天然裂缝和复杂缝网的认识,导致很难刻画出复杂裂缝群体,如若考虑复杂裂缝网络对地层、水泥环、套管的影响研究更是难上加难。近几年,随着页岩气开采的热潮,国内外专家学者逐渐开始转向体积压裂下套管的失效机制研究。

Daneshy[20]研究指出,套管在整个压裂段的张力作用下会发生失效,导致这种失效的3个主要因素是套管收缩、裂缝不平衡生长和伪开孔环境,次要因素是井筒与裂缝之间的倾斜角度和固井质量。Chipperfield等[21]、Hossain等[22]指出体积压裂作业过程中,形成的复杂裂缝网络会使套管受到剪切、滑移、错断等复杂的力学作用,并引起地应力场的改变,最终导致套管失效。Furui等[23]指出大斜度井的压裂作业,会加剧储层对套管的压实作用,同时压裂液会引起近井地带出现高孔隙度区域,该区域外压实储层会形成一个轴向的压缩力,使套管发生屈曲变形或挤毁的现象。Wang等[24]指出体积压裂过程中,套管的局部失稳、连接处失效和剪切失效是引起套管失效的主要原因。Hu等[25]指出页岩层存在大量的软弱夹层面,一旦弱面失效,地层将变得不稳定,压裂过程中很容易造成储层沿界面发生大面积滑移,从而对套管产生剪切作用,使套管发生失效,并建立了非胶结条件下临界滑移位移的计算模型,利用有限模型对分析结果和模型进行了验证。Shen[26]、Liu等[27]、Yan等[28]指出固井质量差与压裂改造区域不对称,水泥环孔隙压力降低是导致套管损坏失效的主要原因。Yan等[29]根据微地震数据,建立了微震力矩大小、滑移距离与套管内径减小量之间的关系,分析了套管内压、滑移距离、水泥环力学参数和套管厚度对减小套管内径的影响,并发现保持高压、提高水泥环的弹性模量、降低水泥环的压实比、增加套管厚度、设计井眼轨迹水平段压裂发育区平行于天然裂缝,可以减小套管内径由于断层的滑移导致的内径变大的现象。Adams等[30]通过油田现场的油井报告、压裂处理数据、回收套管的测试案例,介绍了压裂作业过程中的套管失效的原因,建立了一个模型来评估与压裂有关的几种考虑条件下的轴向载荷。该模型考虑了套管的空气载荷、井筒流体的浮力效应、活塞效应、弯曲、侵蚀和温度下降,并将组合载荷与套管屈服强度进行了比较。Wu等[31]阐述了高压水力压裂液注入的过程,产生裂缝的同时,会迅速改变局部地应力,在具有天然裂缝和断层性质的地层,局部地应力变化会导致地层运动的激活,从而对套管产生影响,通过建立一个二维有限元模型,模拟了注水过程以及潜在的滑移和位移,得出由于页岩裂缝的活化,页岩存在水致滑脱现象,断层沿不连续面滑动,为减少套管损坏,建议改善井眼轨迹设计、完井作业和提高套管-水泥体系的强度。Xi等[32]评价了威远-长宁页岩气井压裂过程中的套管变形问题,在大量调查数据的基础上,建立了物理模型和有限元模型,系统分析了压裂压力、各向异性、岩性界面、温度和固井质量等因素的影响,得出岩性界面对套管影响起着重要的作用。Dong等[33]基于热力学理论,建立了压裂中套管热应力的计算模型,模拟套管注入压裂液井筒温度变化对套管热应力的增加情况。Sheng等[34]考虑套管-水泥护套地层组件的初始应力和应变,建立了具有多工程缺陷的套管-水泥护套地层组件在温压耦合条件下开挖的动力学模型,发现在水泥环结构缺陷的情况下,套管偏心或水泥环损失对套管应力有较大影响。井筒温度的变化减弱了水泥环结构缺陷对套管应力的影响。压裂过程中储层性质的变化和水泥环损失的综合作用会导致套管变形破坏。Guo等[35]对页岩地层变形进行了分析通过测量声速,得到不同时间含水饱和后页岩的弹性模量,采用分段有限元法建立了考虑瞬态热压耦合的三维物理模型和有限元模型。考虑页岩各向异性、页岩刚度退化和地层滑移对套管变形的影响。数值模拟表明,页岩模量的下降主要导致套管应力增大。地层滑动不仅会造成套管应力过大,而且会造成套管位移过大。沈新普[36]运用数值模拟技术,对页岩气储层压裂时套管的完整性进行了分析,最终得出地层的初始裂纹分布和较高的施工压力是引起套管变形损坏的主要因素。董文涛等[37]结合现场施工情况、页岩储层的压裂特点,综合对比分析,同沈新普得出相同的结论,认为地层的初始裂纹发育情况、施工压力是影响页岩气井套管失效的主要因素。于浩等[38-41]通过二维平面应变模型说明了地应力场重新分布、岩石性能降低会对套管会产生严重的影响。通过三维有限元模型,基于微地震反演,假设“裂缝体”的方法,表明体积压裂范围内地应力场发生明显变化,改造区域不对称等,使套管在地层中出现“悬空”状态,导致套管沿径向产生挠度变形,沿轴向呈现“S”型变形。高利军等[42]采用虚拟热膨胀技术模拟体积压裂改造区的地层变化以及天然裂缝长度和倾角对套损的影响,确定天然裂缝长度和倾角对套管的确有较大影响。刘伟等[43]通过有限元方法对体积压裂过程中引起的套管变形规律进行了数值模拟,得出压裂过程中导致那些与套管相交的天然裂缝、断层发生激活、错动是引起体积压裂套管变形失效的主要原因。席岩等[44-48]采用解析法和数值法结合的方法,从页岩储层各向异性、瞬态温度-压力耦合的作用以及岩性界面等方面研究对套管的应力的影响,得出各向异性储层比各向同性储层提高了套管应力,温度-压力耦合作用下套管应力呈现增加后减小的规律,岩性界面会大幅提高套管应力,是引起套管变形的重要因素。范明涛等[49-51]、李彬[52]对页岩体积压裂过程中储层的力学性质、井筒温度场、压力场变化特征,基于顺序耦合的方法,将井筒的温度场瞬态变化过程与压裂过程中井筒的应力场进行叠加,通过数值模拟,得出注入大量的压裂液会促使井筒温度迅速下降,从而导致套管强度的降低,并同时建立了页岩气体积压裂的三维地层滑移模型,提出需根据地层采取非均匀布簇的方法,使改造位置远离滑移界面附近的改造区域的建议。

综合以上参考文献的分析讨论,目前对体积压裂下影响套管变形失效的研究主要可归纳出以下4个方面。

(1)非均匀性以及套管外挤载荷的变化,引起套管的失效与变形。主要包括:体积压裂区域地应力场的变化、岩石性能的变化,使其非均匀性增加;施工排量大的压裂液进入地层,引起体积压裂区域孔隙压力增大,导致套管外挤力增大;储层浸水后膨胀作用在套管的外挤力增大;固井质量差,增加了作用在套管外挤力的非均匀程度。

非均匀性以及套管外挤载荷的变化,目前主要采用如图2所示非均匀载荷力学模型,考虑椭圆载荷或椭圆载荷与均匀载荷复合的叠加。数值模拟通常基于对完整水泥环或水泥环部分缺失的情况,开展套管的受力与变形分析,如图3所示。

图2 非均匀载荷力学模型示意图Fig.2 Schematic diagram of non-uniform load mechanical model

图3 水泥环完整及部分缺失模型示意图Fig.3 Schematic diagram of complete and partial concrete model of cement ring

(2)低渗储层往往存在不确定的断层与构造运动,行迹纵横交错,天然裂缝更为发育,压裂液进入地层,激活断层或天然裂缝,发生滑移,使套管受到剪切、滑移、错段等复杂的力学行为作用。目前文献研究通常建立如图4所示的模型,对不同裂缝错动量下的模型进行模拟。

(3)体积压裂下的岩石很容易被打碎成裂隙岩石,裂隙发生不规则、不均匀的扩展,错综复杂的裂缝网络在套管两侧不对称分布。目前文献通常根据微地震监测数据,设置不同的压裂改造区,通过对不同压裂改造区设置不同的岩石性能参数以及地应力分布情况,如图5所示。

图4 剪切、错段、滑移模拟模型示意图Fig.4 Schematic diagram of simulation model of shearing, dislocation and slippage

图5 压裂改造区域在套管两侧分布不对称示意图Fig.5 Schematic diagram of asymmetric distribution of fracturing area on both sides of casing

(4)体积压裂过程中注入大排量的压裂液体引起井筒的温度变化(图6),温度场-应力场的耦合作用会导致套管强度降低,引起套管失效。目前文献对于井筒的的传热,依据井筒内的压裂液温度变化遵循能量守恒定律,即单位时间内流入系统的热量+单位时间内流体与套管内壁摩擦产生的热量+单位时间内压裂液与套管内壁对流换热量-单位时间内流出系统的热量=单位时间内系统内能的变化。对模型的压裂液考虑温度,进行热-流-固耦合的模拟(图6)。

图6 体积压裂下考虑热-流-固耦合作用下套管分析Fig.6 Analysis of casing under volume fracturing considering effect of thermal fluid-solid coupling

3 体积压裂下套管研究发展趋势

通过分析国内外学者对体积压裂下套管研究的现状,发现已确定体积压裂过程中裂缝的不均衡生长引起的非均匀载荷对套管失效问题影响的严重性,并已经开展了一些相关研究,但由于缺乏对天然裂缝和复杂缝网的认识,对体积压裂下的套管失效研究仍未刻画出复杂裂缝网络群体,导致对体积压裂过程中的套管失效研究不够深入,尚未形成统一的认识。笔者通过分析总结水平井体积压裂套管失效机制研究进展,对有限元仿真模型全局嵌入Cohesive单元以及渗流节点模拟压裂区,同时在压裂区内预制天然裂缝,对套管两侧设置注入点,建立初始损伤单元,运用渗流-应力耦合的方法,完成对单一双翼非均布裂缝以及复杂裂缝群对套管影响数值仿真模型的刻画。后续可通过研究复杂裂缝网络非均匀扩展对水平井套管的作用规律,从体积压裂下非均匀裂缝扩展对套管强度影响这一视角修正水平井大规模体积压裂用套管强度设计方法,为保障压裂工况下套管使用寿命提供理论支持。此方法可从二维径向、三维轴向全面提取体积压裂过程对套管作用的非均匀载荷动态曲线,研究体积压裂过程水平井套管外非均匀载荷的作用规律,对水平井体积压裂套管频繁出现轴向“S”型变形或径向椭圆变形的失效形式的问题给出更科学的解释。

图7为页岩水平井套管体积压裂下的地层、水泥环、套管的边界受力情况。图8(a)为体积压裂区单个截面A两条主裂缝对套管径向施加非均匀载荷扩展的设置方法,此时对两条裂缝线嵌入Cohesive单元,对套管两侧设置非对称的扩展区,即可模拟主裂缝非均匀扩展对套管的影响。图8(b)为数值模拟实现套管两侧主裂缝非均匀扩展过程。图9(a)为体积压裂区预制天然裂缝,裂缝扩展形成复杂裂缝网络,缝网的非均匀扩展的设置方法。图9(b)为数值模拟实现套管两侧非均匀裂缝网络的扩展过程。图10为三维体积压裂区的裂缝网络非均匀扩展刻画及非均匀扩展引起套管的变形。

图7 水平井体积压裂非均匀载荷对套管 影响模拟方法示意图Fig.7 Simulation method diagram of influence of non-uniform load of horizontal well volume fracturing on casing

图8 主裂缝非均匀扩展对套管影响模拟方法与仿真刻画效果Fig.8 Simulation method of influence of non-uniform expansion of the main fracture on casing and simulation rendering effect diagram

图9 缝网非均匀扩展对套管影响模拟方法与仿真刻画效果Fig.9 Simulation method of influence of non-uniform expansion of slit network on casing and simulation rendering effect diagram

图10 三维整体压裂非均匀裂缝扩展Fig.10 Non-uniform fracture propagation of three-dimensional integral fracturing

对于体积压裂下裂缝的非均匀性扩展对套管失效机制是否产生影响,采用预制非均匀裂缝的方法,以二维模型为例进行研究。由于地层参数、材料参数、几何参数等不属于本次研究的范畴,因此采用控制变量法控制模拟参数不变,只研究对比裂缝非均匀扩展前后套管的应力数值及作用规律是否发生变化。图11为非均匀裂缝扩展前后套管应力云图。套管最大应力红色区域,裂缝的扩展发生了偏移,并且扩展前后应力最大值相差较大。从云图结果分析,裂缝的非均匀扩展使套管所受最大应力范围发生了变化。

图11 套管应力云图Fig.11 Casing stress cloud chart

为了更准确地分析套管所受应力载荷规律的变化,按图12所示套管内壁路径,提取内壁应力变化曲线。裂缝扩展前后套管内壁应力变化如图13所示。由图13可以看出,裂缝非均匀扩展后改变了套管的应力变化规律,裂缝扩展前,套管内壁应力呈周期性对称,由起始点逆时针方向,应力先逐渐增大,后逐渐减小,再逐渐增大,再逐渐减小。裂缝扩展后,改变了套管内壁应力周期性先增加后减少的规律,使套管的最大应力区域发生偏移,破坏了套管的内壁应力周期对称性分布。非均匀裂缝扩展下套管的应力初探结果,说明裂缝的非均匀扩展会对套管的应力状态产生严重的干扰。同时Daneshy[20]、沈新普[36]、董文涛等[37]也通过模拟或现场数据分析表明,裂缝的不平衡生长、页岩初始裂缝的发育情况是对体积压裂下套管影响的重要因素。因此通过刻画复杂裂缝网络非均匀扩展对水平井套管的作用规律,从体积压裂下非均匀载荷对套管强度影响这一视角修正水平井大规模体积压裂用套管强度设计方法将是体积压裂下套管安全可靠应用的发展趋势。

图12 提取套管应力变化曲线路径Fig.12 Extracting path of casing stress change curve

图13 裂缝扩展前后套管应力变化Fig.13 Casing stress change before and after crack propagation

4 结束语

体积压裂下套管变形失效问题已成为世界范围内页岩气高效开发的难题,国内外学者针对体积压裂过程中的套管失效研究少且不够深入,传统的套管强度设计方法已不适用于体积压裂下套管的强度要求。体积压裂过程中注入的大量压裂液体,会导致天然裂缝面或断层面压力升高,法向应力降低、裂缝面强度降低,从而引起人工裂缝与天然裂缝的交叉扩展形成复杂缝网,套管两侧复杂缝网的非均衡扩展,会引起套管非均匀载荷的增加。目前学者们已确定体积压裂过程中裂缝的不均衡生长引起的非均匀载荷对套管失效问题影响的严重性,但由于体积压裂是近几年新兴的技术,缺乏对天然裂缝和复杂缝网的认识,从而很难刻画出复杂裂缝群体,因此导致对体积压裂下套管的失效机制研究尚未形成统一的认识。对体积压裂区实现全局嵌入Cohesive单元和渗流节点,并在体积压裂区预制天然裂缝,通过应力-渗流耦合方法,刻画出体积压裂过程中套管两侧复杂裂缝网络非均匀扩展的过程,可从体积压裂下非均匀载荷对套管强度影响这一视角修正水平井大规模体积压裂用套管强度设计方法,修正的体积压裂下套管强度设计方法是保证体积压裂下套管安全可靠应用的必然趋势。