压裂施工中断层活化对套管影响分析

张全胜 张峰 伊西锋 刘玉国 王旱祥 马金明 陈旭辉

摘要：水平井多级分段压裂大规模实施过程时常会引起断层活化、滑移，使套管发生变形或损坏。为此，研究了压裂引起断层活化的机理，分析了断层滑移对套管力学性能的影响。分析结果表明：水力裂缝沟通断层，压裂液由二者交线处沿断层渗流，造成交线两侧一定范围内剪切强度减小，断层面剪切强度减小至小于有效应力时发生破坏而活化，断层渗透率越高，活化范围越大；活化后的断层滑移量与活化范围正相关，在水力裂缝和断层的交线两侧对称分布，随着与交线距离的增大，断层滑移量逐渐减小。所得结论可为压裂施工及套管保护措施的制定提供技术借鉴。

关键词：水力压裂；孔隙压力；断层活化；滑移量；套管；力学分析

The largescale implementation of multistage fracturing in horizontal wells often causes fault activation and slippage， and then results in casing deformation or damage.Finally， the numerical simulation method was used to analyze the mechanical influence of fault slip on casing.The analysis results show that the hydraulic fracture connects with the fault， the fracturing fluid flows along the fault from the intersection of them， resulting in a decrease of shear strength within a certain range on both sides of the intersection.When the shear strength of the fault plane decreases to less than the effective stress， the fault will be destroyed and activated.The higher the fault permeability， the greater the activation range is.The slip amount of activated fault is positively correlated with the activation range， and is symmetrically distributed on both sides of the intersection of hydraulic fracture and fault.As the distance from the intersection increases， the fault slip amount gradually decreases.The conclusions provide technical reference for the operation of fracturing and the formulation of casing protection measures.

hydraulic fracturing；pore pressure；fault activation；slip amount；casing；mechanical analysis

0 引 言

水平井多級分段压裂大规模实施过程会引起断层活化及滑移，不仅剪切套管使其发生变形或损坏，而且严重时须放弃部分压裂段，从而影响采收率。因此，开展压裂施工引发断层活化的机理研究，分析断层滑移对套管的力学影响，对指导压裂施工、制定套管保护措施、节省成本具有重要意义。

国内外学者针对具体的断层活化机理及其对套管的影响开展了研究。郭雪利等［1］对不同断层角度、滑移距离下的套管应力与变形进行了有限元分析，研究发现一旦发生断层滑移，无论水泥环和套管的性能、尺寸如何，套管都会发生屈服，产生较大变形。刘伟等［2］分析了致密油区块套管的变形，发现套管最大的变形来自于压裂引起的断层及天然裂缝的滑移，套管受剪产生较大的缩颈变形。LI Y.等［3］、席岩等［4］通过现场观测和数值模拟分析了压裂过程的套损机理，研究结果表明天然裂缝或断层的剪切滑移是造成套管变形的主要因素，变形程度与滑移量正相关。李军等［5］提出了水力压裂影响下的断层滑移量计算模型，对现场井进行实例计算，发现控制压裂泵压和裂缝长度可以有效降低断层滑移量，避免套管严重变形。陈朝伟等［6-7］、陈挺等［8］提出水力压裂时压裂液进入断层或岩石层理，引起孔隙压力升高，降低断层面剪切强度而发生断层滑移，套管承受剪切作用而发生变形失效。陈挺等［8］针对页岩气压裂过程的套损开展分析，利用蚂蚁体追踪算法查找断层裂缝，发现套管变形与裂缝发育程度有很大的相关性。WANG K.Y.等［9］通过一种利用曲线相似性的判断方法来判断，得出断层滑动是造成凹陷型和偏心椭圆型的主要原因，通过数值模拟，确定了断层滑动大小与套管变形的关系。韦堃［10］分析了断层的强度与压裂引发滑移的机理，以及断层滑移时倾角、水泥环对套管安全性的影响。

目前，压裂施工引起断层滑移的原理基本明确，但多数学者忽略了压裂液在断层面的渗流，认为水力裂缝沟通断层后压裂液即充满整个断层，整个断层完全激活。笔者利用渗流力学研究压裂液在断层面的渗流及其导致断层局部活化的机理，在此基础上利用断裂力学分析断层滑移量，开展断层滑移对套管力学影响的数值模拟研究，以期提出具体的压裂施工建议，从而指导工程实践。

模型中地层施加垂向有效地应力36 MPa，最大有效水平地应力60 MPa，最小有效水平地应力24 MPa，地层压力系数为1.1，地层原始温度140 ℃，约束地层各表面和水泥环、套管端面的法线方向位移。建立2个载荷步：在第一个载荷步进行地应力平衡，此时套管内压取静液柱压力，约35 MPa，使地应力传递到水泥环和套管上；在第二个载荷步进行温度-力耦合分析，取套管内压101 MPa，压裂液温度100 ℃，断层施加不同的滑移量（1～7 mm），通过计算可知断层滑移作用下的套管应力分布。

3.2 套管應力与变形分析

通过数值模拟得到不同断层滑移量下套管的Mises应力分布和变形，4 mm滑移量下套管应力与变形如图8所示。断层滑移的剪切作用下，套管最大应力出现在断层面附近，滑移一侧的套管虽然发生位移，但是其Mises应力与未滑移一侧的套管应力相差不大，均远小于断层面附近应力。同时图8显示在断层面附近，沿着轴向从滑移一侧到未滑移一侧，套管在垂向的位移量逐渐减小，说明断层带动套管向滑移方向移动，使套管在断层面附近发生弯曲变形。

套管最大Mises应力及弯曲的轴线偏移量随断层滑移量的变化曲线如图9所示。套管应力随断层滑移量的增大而增大，断层滑移量小于4 mm时，对于P110钢级的套管来说，套管处于弹性范围内，在滑移量为4 mm左右时套管最大应力达到P110钢级套管最小屈服强度758 MPa。套管在断层滑移作用下发生弯曲变形，弯曲变形的轴线偏移量与断层滑移量在垂直方向上的分量基本一致，分析中取断层与井筒轴线成45°角，因此偏移量约为断层滑移量的0.7倍。

断层滑移对于套管的应力、变形的影响非常显著，是引起套管失效的重要原因，因此，应尽可能避免井身轨迹穿过断层，对于难以避免的情况，应在断层附近通过提高钢级等办法选用更高强度的套管。在进行压裂设计后，针对距离断层最近的压裂段计算断层激活范围，验证激活范围不会波及到套管，如果波及到套管，则应重新设计并验证直至断层激活不会波及到套管。

4 结 论

（1）水力裂缝沟通断层，压裂液由二者交线处沿断层渗流，造成交线两侧一定范围内剪切强度减小，断层面剪切强度减小至小于有效应力时发生破坏而活化，断层渗透率越大，活化范围越大。

（2）活化后的断层滑移量与活化范围正相关，在水力裂缝和断层的交线两侧对称分布，随着与交线距离的增大而逐渐减小，断层使套管产生弯曲变形，变形的轴线偏移量与断层滑移量在垂直方向分量基本相同，因此，压裂施工引起断层局部的活化、滑移是造成套管屈服、弯曲变形的主要原因。

（3）为避免断层滑移对套管的影响，井身轨迹应避免穿过断层，难以避免时，应在断层附近通过提高钢级等办法选用更高强度的套管。在进行压裂设计后，针对距离断层最近的压裂段计算断层激活范围，验证激活范围不会波及到套管，如果波及到套管，则应重新设计并验证直至确认安全。

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第一张全胜，教授级高级工程师，生于1964年，2002年毕业于上海交通大学机械工程专业，获硕士学位，现从事采油工程技术研究工作。地址：（257045）山东省东营市。电话：（0546）8557289。Email：zhangqsh513.slyt@sinopec.com。

通信作者：陈旭辉，Email：z21040087@s.upc.edu.cn。