威荣区块深层页岩气井套管变形失效分析

2021-04-23孙晓明邓天安焦建芳

钻采工艺 2021年1期

张鑫,李军,张慧,孙晓明,邓天安,姚勇,焦建芳

(1中国石油大学石油工程学院·北京 2中石油青海油田公司采油五厂 3中石化西南石油工程有限公司固井分公司)

0 引言

在四川盆地国家级页岩气示范区，部分页岩气井井筒出现了一些问题，如水平井段套管下入困难、固井水泥环密封失效、套管变形严重等，尤其是在压裂增产改造过程中套管损坏影响桥塞顺利下入，导致部分储层井段被迫放弃改造作业，甚至导致桥塞不能顺利钻磨等问题，这些问题的出现影响了页岩气水平井单井产量的提髙。

近两年，众多学者对压裂过程中套管变形机理进行了重要探索。Haitao Li分析认为非均匀应力、固井质量、压裂改造面积不对称和断裂滑移为影响套管变形的四个最可能因素[1]。Fei Yin建立了水力—机械耦合模型来预测水力压裂下的地层行为，分析了孔隙压力、裂缝扩展、有效应力和地层变形之间的对应关系[2]。刘伟等综合现场数据与数值模拟分析，认为与套管相交的天然裂缝在压裂过程中发生滑移是引起该致密油区块体积压裂过程中套管变形失效的主要原因[3]。郭雪利等分析了断层力学状态，明确了断层滑动的力学机理，基于震源机制原理，利用现场微地震数据反演了断层滑动距离[4]。范明涛等基于分步有限元方法建立了跨尺度三维地层滑移模型，分析了不同工况下滑移界面走向、改造级数以及改造程度对长水平段套管应力分布的影响[5]。于浩等认为套管失效是压裂过程中地层岩石性能降低、改造区域不对称、施工压力大以及地应力场重新分布共同作用的综合结果[6]。李军提出了分段固井方法，将分段压裂过程中可能产生的极端非均匀外挤载荷转化为均匀外挤载荷，从而达到防止套管变形的目的[7]。

综上所述，目前大多学者认为，造成页岩气水平井套管损坏变形的主要因素为天然裂缝/微断层的存在以及压裂施工控制参数。前者为地质因素，是套管发生变形损坏的前提条件，无法人为地去改变；而后者为引起套管变形损坏的直接因素，通过人为调整施工参数，完善压裂工艺可以降低套损发生的概率。因此，有必要进一步理清套管变形机理，对压裂施工控制参数进行优化研究。

1 威荣区块套损规律统计分析

截至2020年9月,中石化威远—荣县区块已完钻并实现压裂井52口，待压裂井4口。该区块页岩气储层深，具有高破裂压力、高停泵压力、高闭合压力的特征，为获得好的增产改造效果，需要进行大规模甚至超高压压裂。在已完成改造的52口井中，26口井出现套管损坏变形，影响了泵送桥塞及射孔枪联作实施，导致有利储层无法实现针对性改造，被迫放弃压裂达28段，影响了页岩气的产能建设。

对该区块早期5口典型套变井套管变形情况统计发现，发生套变的5口井16处位置如图1所示。套管变形主要发生在第6～13段压裂期间，其中水平段中部发生11次；A靶点附近4次；B靶点附近1次。在发生套变后致使电缆泵送桥塞及射孔枪发生遇阻，相应工具不能通过下入，影响后期压裂。另外，工具下入遇阻位置均为套管本体位置。

图1 套变位置分布

出井铅印呈现出一侧磨损严重，另一侧磨损轻微的现象。可以认为套管发生挤压或剪切变形，而多臂井径测井成像显示出明显的剪切变形特征，如图2所示。这与从铅印块上所看到的现象是一致的。因此，可以初步得出天然裂缝或断层滑动是导致套管变形失效的主要因素。

图2 威荣区块X- 5井多臂井径测井成像

龙马溪页岩具有高非均质性，地层岩石性质、杨氏模量和泊松比具有很大的差异[8]。在页岩层和石灰岩岩层中，有几种类型的弱应力层，其中包含断层、天然裂缝和水平层状节理[9]。这些弱应力层有不同的几何形状、方向和岩石属性，这决定了压裂裂缝网络的复杂性。压裂过程中大量压裂液夹杂石英砂在高泵压条件下被注入射孔段，随着裂缝的起裂以及不断扩展，地层压力会发生变化，这将导致天然裂缝的开启或滑移[10]。对于套管变形的井，在多级压裂过程中通常可以监测微震信号。威页X- 1HF是该区块套管变形最严重的井之一，图3展示了威页X- 1HF井在压裂过程中的微震监测图。

图3 X- 1井微地震监测示意图

通过以上统计得出，套管损坏多发生在后半段，这和压裂中监测到的后半段微地震信号越来越频繁相对应。可以理解为多级压裂造成套管损坏变形是一个累积的过程，前面压裂导致地应力发生变化且不断累积，因此在后续压裂过程中这种累积的非均匀地应力引起天然弱面的滑动剪切套管或直接作用在水泥环—套管组合体上，超过套管的屈服强度。当套管进入屈服阶段后，随着载荷的增加，套管开始出现较大变形，套管截面椭圆度逐渐增大，当椭圆度达到一定数值后，会导致井下工具下入遇阻[11- 12]。初步可以认为，套管变形的主要原因是多级压裂过程中水力裂缝的起裂与扩展而造成的地应力非均匀累加效应[13]。

2 多级压裂有限元模拟

2.1 数值模型

采用有限元软件建立有限元数值模型，模型示意图如图4所示，模型高度500 m，长度500 m，共模拟5条裂缝的起裂和扩展过程，以单裂缝代表整个压裂段内裂缝的扩展情况。裂缝间距20 m，最外端2条裂缝距离边界420 m，以消除边界条件的影响。

采用多孔介质流固耦合单元模拟页岩储层岩石的性质。预置5条射孔孔道，采用扩展有限元模拟水力裂缝的扩展。从右到左5条裂缝分别记为1,2,3,4,5。并按照顺序依次起裂；压裂液黏度为0.001 Pa·s(清水)，注入排量为10 m3/min，单条裂缝注入时间为100 s，其他参数如表1所示。

图4 有限元模型裂缝预置及网格划分

表1 数值模型计算参数

2.2 有限元模型计算结果

图5为模拟多级压裂结束后地应力分布情况。压裂过程中，多级裂缝逐个扩展产生明显的应力累积效应。在地应力不断累积的条件下，中间裂缝起裂扩展困难，第5条裂缝向外侧扩展。裂缝扩展过程中，近井筒地带地应力值整体有所提高，作用在套管上的应力也较高。尤其是对于后续压裂段，会进一步引发微断层滑动，剪切套管，造成套管变形。

图5 压裂结束后地应力分布情况

3 近井筒地应力分布规律研究

为了表征多级压裂过程中前段压裂对后续压裂段位置地应力的变化，选取井筒附近一点作为研究对象，其位置在最后一级裂缝的左侧50 m(考虑多级压裂对后续压裂段的套管应力的影响)，可以得到该节点应力随压裂时间的变化情况，即近似为井筒受力情况。且通过该节点画出X与Y方向两条路径，可以得到压裂结束时两个方向上地应力的变化情况,如图6所示。