頁巖氣井套管變形失效原因分析

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(1.寶山鋼鐵股份有限公司研究院技術中心 上海 201900；2.西安康普威能源技術有限公司 陜西 西安 710054)

0 引 言

近幾年我國在頁巖氣井鉆探開發(fā)方面逐漸取得了重大突破，初步形成了工業(yè)化生產規(guī)模。但也暴露出了不少問題，主要集中在水平井鉆井成本高、施工難度大、投產套管體積分段壓裂成本高、井筒套管經常發(fā)生失效等方面。而且國內頁巖氣開采存在著超大位移水平井開發(fā)需求、鉆井完井質量控制難度大、多次超高壓套管體積分段壓裂作業(yè)、頁巖氣井筒生產壽命較長等特殊性，因此，如何避免發(fā)生頁巖氣井套管柱失效，延長其開采壽命就成為頁巖氣開采方面的一個重要課題。頁巖氣井筒套管發(fā)生失效包括變形、破損、密封失效等情況，本文主要就頁巖氣井套管變形的原因進行分析。

1 頁巖氣儲層環(huán)境

1.1 地質結構

頁巖氣是以多種相態(tài)存在并富集于泥頁巖(部分粉砂巖)地層中的天然氣[1]。頁巖氣儲層致密,以納米孔隙為主,賦存于富有機質的細粒沉積巖中(通常指頁巖),巖石中包含有機質、礦物質、流體(包括水和氣體)等組成部分。儲層有很多種巖石類型,不僅包括富有機質的高碳泥頁巖，還包括黑色頁巖所夾的薄層泥質粉砂巖和各種砂巖。頁巖分布和巖石組成表現為多樣性和非均質性,這使得儲層中孔隙結構以及滲流特征差異很大,在研究頁巖氣儲層時必須區(qū)別對待[2]。其特點主要體現在氣層埋藏深，厚度大，儲層巖性致密，連通性差，屬于低滲氣藏。

1.2 頁巖氣儲層的非均質性

頁巖組成和結構特性使得頁巖氣儲層非均質性很強，并有縱向、橫向非均質性之分。縱向非均質性是縱向上巖石組成、結構構造、孔隙特征、儲氣性能等的變化規(guī)律，橫向非均質性則是平面上的分布特征[3]。

2 頁巖氣井套管變形失效原因分析

2.1 頁巖氣井套管變形失效情況

由于軸向應力變化、以及套管外擠壓力大于內壓力等因素的作用所造成的套管一處或多處縮徑、擠扁或彎曲等形狀變化，統(tǒng)稱為套管變形損壞，簡稱套管變形。經過現場調查分析，頁巖氣井套管變形類型包括縮徑變形、擠扁變形和彎曲變形。頁巖氣井在生產作業(yè)中經常出現生產工具(泵或懸掛器等)無法下入遇阻的情況，經分析，這是因為頁巖氣井的套管發(fā)生了變形損傷。對出現井下套管變形的，采用多臂井徑測井成像技術(即通過對多個獨立測量臂測量數據的處理，得到實時的井徑仿真三維圖像，來實現對油管、套管的變形、彎曲、斷裂、孔眼、內壁腐蝕等情況的實時判斷)對套管變形損傷區(qū)域進行檢測，并在多臂井徑測井成像儀器上形成套管變形部位幾何結構的仿真圖。圖1就是實際檢測得到的頁巖氣井的套管縮徑變形和彎曲變形的變形部位仿真圖。

圖1 套管縮徑變形和彎曲變形的變形部位仿真圖

2.2 頁巖氣井套管變形比例統(tǒng)計

頁巖氣目前開發(fā)多采用水平井多級分段射孔壓裂技術[4]。經過對我國某礦區(qū)XX1、XX2兩個頁巖氣區(qū)塊75口水平壓裂井 (已完成64口，正壓裂11口)的套管狀況的進行調研，其中24口井發(fā)生套管變形，占總井數的32%；其中6口井套管變形損傷嚴重，損傷位置見表1。因套管變形影響改造段數56段，儲層改造完成率(1 211段)95.4%。其中2014年完成9口水平井壓裂，其中3口井發(fā)生套管變形，占完成井的33.3%；因套管變形影響改造段數8段，儲層改造完成率(175段)95.4%；2015年66口水平井壓裂(已完成55口，正壓裂11口)，其中21口井發(fā)生套管變形，占壓裂井的31.8%；因套管變形影響改造段數48段，儲層改造完成率(1 036段)95.4%。

表1 套管變形損傷位置

套管發(fā)生變形井已經接近施工總數的5%，而且多段變形的情況也不在少數，對于后期的施工、生產造成了很大影響。

2.3 頁巖氣套管變形失效井工程參數

表2是套管變形失效部位在頁巖氣井中的位置，以及變形部位與水平井A點和B點之間的相對距離等工程參數。

表2 套管變形失效部位的位置參數 m

續(xù)表

從表2可見，在靠近B點的井段發(fā)生變形失效的概率很低，其主要發(fā)生在壓裂井段的中部區(qū)域和A點附近，發(fā)生套管形變失效的井段占總失效井段56.2%。

套管變形失效井段的工程參數見表3。

表3 套管變形失效井段的工程參數

通過對表3變形失效井段工程參數分析可以得出：絕大部分套管變形失效井段固井質量為優(yōu)，固井質量與套管是否發(fā)生變形失效沒有顯著的相關性。但由于大型分段體積壓裂條件下初始的固井水泥環(huán)可能會發(fā)生破壞，當套管外水泥環(huán)出現缺失的時候，如果套管承受高內壓(如壓裂工況)，就會使套管局部處于應力集中狀態(tài)，甚至導致套管變形。

還可以從統(tǒng)計數據中得出，套管變形失效區(qū)域絕大部分狗腿度比較小，對套管產生的彎曲效應較小；變形失效區(qū)域基本上都在最上一級壓裂射孔頂界以上，且距離比較遠。另外，通過用多臂井徑測井成像儀器對井下套管形狀進行檢測，射孔井段的套管沒有發(fā)生顯著的變形，因此，射孔本身不是導致套管變形失效的直接原因。

2.4 頁巖氣井壓裂作業(yè)與套管變形失效的關系

通過現場工況調研及國內外專家學者研究成果，頁巖氣水平井分段壓裂后均出現套管變形現象，具有如下特點：1)所有套管變形均發(fā)生在某段水力壓裂結束后。2)發(fā)生變形位置距離上一級壓裂存在一定距離；3)變形現象隨壓裂段數的增加而加重。

頁巖氣井壓裂作業(yè)后，壓裂注入水沿裂縫進入泥頁巖層，加速泥頁巖水化膨脹，產生異常高應力或剪切力；另外壓裂后地層應力的再次平衡時的應力升高等，這些都會使壓裂段的套管所受外部應力明顯增加，從而導致套管一些部位發(fā)生變形失效。所以頁巖氣井壓裂作業(yè)是導致套管變形失效的主要因素之一。

2.5 頁巖氣井套管變形失效區(qū)域的地質特征

除去工程施工因素對套管變形失效的影響，我們還對XX1、XX2區(qū)塊發(fā)生套管失效的頁巖氣井地質方面進行了統(tǒng)計，結果見表4。

表4 頁巖氣套管變形失效井地質特征統(tǒng)計

注：只有一種地質特征發(fā)生失效的共7口井，占失效井33.3%；失效區(qū)域包含兩種地質特征的共2口井，僅占失效井9.5%；失效區(qū)域包含三種地質特征的共12口井，占失效井57.2%。共13口井在A點附近存在套管失效，占失效井比例高達62%。

從表4可以得出：

1)存在斷層的區(qū)域發(fā)生套管變形失效率最高，其次為存在層間穿越的鉆遇情況，近井筒存在各向異性時套管變形失效發(fā)生率相對較低。

2)斷層與套管變形失效的相關性最高，地質導向過程井眼軌跡的層位間穿越與套管變形失效相關性次之，近井筒地層各向異性影響相對最小。

3)在A點附近出現如上三種地質特征，最易引起套管變形失效。

2.6 頁巖氣井套管的質量因素

在油氣井開采過程中，造成套管發(fā)生損壞的因素很多[5]，本文主要是在頁巖氣井所用套管的鋼級、尺寸和材料質量符合標準要求的情況下，分析套管的服役工況和井下人工作業(yè)等方面的因素對套管變形失效的影響。

3 結 論

1)頁巖氣井套管變形失效主要發(fā)生在水平井分段壓裂中后期，且主要集中在A點附近。

2)當頁巖氣井出現斷層、層位間穿越與近井筒地層各向異性時，套管變形失效產生的幾率會增加，其中斷層條件下發(fā)生套管變形失效的概率很大，因此斷層剪切引起套管相對錯動是套管變形失效原因之一。

3)固井質量與套管變形失效沒有明顯的關聯，但水泥固井后易在套管周圍產生微環(huán)隙局部缺失，造成高內壓下套管處于應力集中(非均勻)，導致套管塑性變形。

4)頁巖氣井壓裂作業(yè)是導致套管變形失效的主要原因。