頁巖氣水平井開發套管變形的地質力學機理及其防治對策

童亨茂 張 平 張宏祥 劉子平 任曉海 肖坤澤 周一博 鄧 才

1.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室 2.中國石油大學（北京）地球科學學院3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司

0 引言

在頁巖氣開發大型注水壓裂過程中，很多水平井的套管發生了變形，套管變形（以下簡稱套變）問題嚴重。

據中國石油集團川慶鉆探工程有限公司（以下簡稱川慶公司）的資料，截至2018年底，長寧—威遠、昭通等區塊共壓裂377口井，其中套變/遇阻井133口井，占比35.3%。套變的發生嚴重影響了產能和壓裂時效，成為制約頁巖氣開發的“卡脖子”因素。

針對套變問題，中國石油天然氣集團有限公司組織國內外的相關單位進行了數年的研究，采取了多項措施，包括增加套管的壁厚、鋼材的強度、改善固井質量、完善套管程序等，但一直沒有取得預期的效果，如采用壁厚15.2 mm外加厚、鋼級達125的套管，試驗16口井，有9口井仍然發生套變。由于套變機理一直沒有得到清晰地認識，至2018年底，套變問題依舊非常嚴重：川慶公司威遠區塊套變井占比40.9%，中國石油集團長城鉆探工程有限公司（以下簡稱長城公司）威遠區塊套變井占比52.5%，長寧區塊套變井占比31.9%，昭通區塊套變井占比18%。解剖套變機理迫在眉睫。

筆者通過對套變特征的系統解剖，應用廣義剪切活動準則[1-3]和廣義斷層模式[1,2,4]等地質力學和構造地質學的新理論，確定套變符合剪切變形特征，用剪切變形的機理可以科學合理地解釋所有的套變現象。

剪切作用產生套變已有很多作者論述[5-20]，但主要針對直井，并多限于定性描述，少量涉及定量描述的研究成果[9,15,17,19-20]，其理論基礎都是基于均勻介質的庫倫準則或二維應力分析的滑動摩擦律[21]，由于上述基礎理論在實際應用中具有明顯的局限性[1,2]，剪切作用引起的套變分析（尤其是水平井）總體還處在定性—半定量分析階段。而廣義剪切活動準則突破了均勻介質和二維應力狀態的局限，以該理論為基礎，可以實現剪切作用引起套變的定量分析。

筆者在對套變特征的系統解剖、確定套變機理的基礎上，應用廣義剪切活動準則[3]，分析斷層和裂縫（以下簡稱斷—裂）面發生剪切變形的定量控制因素，并提出套變防治研究的宏觀思路，以期為頁巖氣開發相關工程人員提供參考。

我國頁巖氣資源量巨大[16]，地質構造活動強烈[22]，一方面，頁巖氣在國家能源安全戰略中重要性不斷提升；另一方面，我國的頁巖氣開發潛在的套變風險高居世界前列。因此頁巖氣水平井開發的套變防治既有重要的經濟價值，也有重要的戰略意義。對于套變機理的科學解剖，為套變防治工作指明了方向，具有重要的理論意義和現實價值。

1 套變的地質力學機理

1.1 來自套變與工程質量關系的信息

川慶公司在2016年前威遠地區頁巖氣水平井使用的套管壁厚12.7 mm、鋼級Q125，壓裂后套變嚴重。2016—2017年，在28口水平井的水平段采用了壁厚15.2 mm、鋼級Q125的高韌性厚壁套管以降低套變率，但統計已完成壓裂的16口水平井中，仍有9口井發生了套變，套變率達56.3%（表1），不減反增。常規工程理論及模擬實驗證明，該套管抗擠安全系數在威遠地區介于2.4～3.6（之前使用的常規套管抗擠安全系數介于2.1～3.1），這種套管在無地層滑移情況下是完全能夠滿足壓裂工況的。這樣就無法解釋增加套管壁厚套變反而突出的問題，因而難以制訂合理的工程對策措施。

表1 川慶公司厚壁套管（壁厚15.2 mm）試驗統計表

川慶公司對威遠16口井74個已證實的套變點的統計表明，發生套變的井段固井質量較好，而且總體存在以下趨勢：固井質量越好，套變越強，其中68處套變段固井質量為優，占比91.9%，6處套變段固井質量為中，占比8.1%。

上述兩方面信息為揭示套變的地質力學機理提供了重要啟示。

1.2 套變的地質力學機理

1.2.1 廣義剪切活動準則

筆者應用地質力學和構造地質學的基礎理論——廣義剪切活動準則[3]，對發現的套變現象進行力學機理解剖，發現各方面的套變特征均符合剪切變形的力學機理，表明套變是在注水壓裂過程中流體（水）壓力傳遞到地層薄弱面（斷—裂面）誘發地層產生剪切滑移，引起地層對套管的不對稱擠壓造成的（圖1）。

圖1 走滑—逆斷層活動造成套管剪切變形示意圖

經典的巖石剪切破裂準則是Coulomb-Mohr準則和以Byerlee律為代表的滑動摩擦律。而Coulomb-Mohr準則基于均勻介質，Byerlee律適用于二維應力狀態，在實際應用中存在很大的局限性。

童亨茂等[1-3]針對經典剪切破裂存在的局限，在Coulomb-Mohr準則和Byerlee律的基礎上，從產生剪切破裂的物理本質出發，應用“先存構造活動性準則”和“活動趨勢分析”理論[23]，提出“廣義剪切活動準則”[3]。該準則可以用來定量判斷在任意介質中、在任意三軸應力狀態下、任意方位界面（如斷層面、裂縫面、地層界面等薄弱面）發生剪切滑移的可能性，其數學表達式[3]為：

式中fa表示界面的剪切滑移趨勢因子（fa＜1.0時，界面穩定；fa=1.0時，界面處于臨界活動狀態；fa＞1.0時，界面已經發生剪切滑移。其值越大，界面的活動能力就越強）；σ1、σ2、σ3分別表示3個主應力的大小；θ表示界面（圖2中的面ABC）與σ1軸的夾角；α表示σ3軸和BC的交角（圖2）；Cw表示界面的內聚力；μ表示界面的摩擦系數；p表示作用在界面上的流體壓力。

廣義剪切活動準則，把經典的剪切破裂準則Coulomb-Mohr準則和Byerlee律統一起來[3]見式（1）：Coulomb-Mohr準則是式（1）在均勻介質（Cw=C，C為介質內聚力）和界面臨界活動狀態（fa=1.0）下的特例；Byerlee律是式（1）在二維應力狀態（σ2=σ3）界面臨界活動狀態（fa=1.0）下的特例。因此，式（1）可以對任意界面的剪切滑移進行定量描述和分析。

按照廣義剪切活動準則，地層沿某一界面是否發生剪切滑移及剪切活動性的決定于：①3個主應力σ1、σ2、σ3的大小；②界面相對于主應力軸的產狀（θ，α）及其力學性質（Cw，μ）；③界面上流體壓力（p）的大小等3個方面參數，可以定量評價，如圖3所示。其中①和②中的參數主體是由地質構造環境決定的，注水壓裂可以改變的是界面上的流體壓力（p）。

圖3中紅線和藍線分別為θ和的等值線，θ為面的傾向與最大主壓應力σ1方向的夾角，為面的傾角。薄弱面P（圖中綠色圓點）對應的（θ，）值為（60°，30°），斷—裂剪切活動線為其薄弱面P發生剪切活動的臨界線。圖中摩爾空間為走滑應力體制下繪制的，流體壓力的作用使得摩爾空間向左移動，薄弱面P達到剪切活動條件。

在注水壓裂過程中，當高壓流體壓力傳遞到界面上時，p值就會增加，界面的活動性就會增加。當流體壓力傳遞到薄弱面而使其達到剪切滑移條件時（摩爾空間向左移動，使薄弱面達到剪切滑移條件（圖3中的薄弱面P向左移動，與斷—裂剪切活動線接觸），薄弱面就會產生剪切滑移，并導致破裂擴展。隨著破裂擴展，就會產生能量消耗而產生應力降（包括薄弱面上流體壓力的下降），剪切滑移就會停止，除非再次達到界面剪切滑移的條件。

圖3 流體壓力增加導致薄弱面產生剪切滑移的機理示意圖

以上分析可知，注水壓裂會誘發斷—裂界面的剪切滑移，引起套變，下面對發生的套變現象進行深入分析。

1.2.2 套變地質力學解釋

1.2.2.1 壓裂期間套變與流體壓力傳遞的關系

W4H51平臺下半支的4口井巷道間距為300 m，在壓裂期間壓力監測顯示存在明顯井間干擾現象（表2），如W4H51-6井的第2段壓裂時，鄰井W4H51-5井壓力初值由35.12 MPa升高到38.28 MPa，壓力漲幅3.16 MPa。

經統計分析，隨著壓裂的持續進行，套變程度及套變位置在不斷地延伸，即同一口井隨著壓裂時間的持續，發生套變的位置（套變點數量）不斷增多，套變程度不斷增強。如W2H16-6井在2018年11月1日經測井測得4處套變，而在2019年2月17日的測井中測得12處套變；再如W4H39-6井的一處套變在2018年8月9日測井時套變程度為4.95%，套變長度為0.8 m，套變等級為一級，而在2018年8月18日第二次測井時套變程度增加到10.25%，套變長度為16.4 m，套變等級為三級。

通過對套變井的系統統計表明，套變點的數量向水平井A點（水平段著陸點）方向存在增加的趨勢，A點附近（小于500 m）占41.9%；中間段（500～1 000 m）位置占43.2%；B點附近（大于1 000 m）占14.9%。表明絕大部分的套變（85.1%）發生壓裂段中后部（表3）。

表2 W4H51平臺鄰井井口壓力監測結果統計表

表3 井筒套變點距A點的距離分布表

W4H39-7和W4H39-8井壓裂后，鄰井W4H39-6還未壓裂便已出現套變；W2H15和W2H16平臺壓裂時，后壓的部分井在壓裂前也出現套變。

根據廣義剪切活動準則，加砂壓裂作業液體進入斷—裂面，或者流體壓力傳遞到斷—裂面后會改變斷面處的有效正應力（有效正應力下降），使斷—裂面達到臨界剪切活動狀態（fa=1.0）后，地層發生剪切變形而引起套變。地震資料解釋和露頭觀測表明，頁巖氣開發的目的層龍馬溪組發育近正交的裂縫網絡，在注水壓裂過程中，流體壓力可以通過裂縫網絡實現傳遞。剪切活動發生后，能量會損耗，出現應力降[24]，使斷—裂面回到臨界剪切活動狀態之下（fa＜1.0），斷—裂就停止活動。除非再有新的流體壓力補充，再次使其達到重新活動的條件，如W2H16-6井多次套變。表2數據反映了隨著壓裂從B點附近逐漸向A點附近推進時，流體壓力可以不斷得到累積，套變從B點向A點推進遷移。套變點遠離壓裂段或鄰井發生套變是流體壓力沿裂縫網絡傳遞的結果（圖4）。

圖4 水平井壓裂過程中流體壓力沿裂縫網絡在不同井段間（a）和井間（b）傳遞示意圖

1.2.2.2 微地震及套變形態指示地層剪切滑移

W2H11-4井微地震的監測結果表明，壓裂時，除在井筒旁監測到微地震事件外，還在較遠的區域監測到微地震事件（圖5）。W2H10-4井采用深井監測得到的微地震事件震級：監測到的微地震事件總計1 107個，震級范圍-2.3～2.76，該井各壓裂段都有大震級事件（超過1.5）出現，大震級事件數66個，占總數的6%。其中第8段和第12段大震級事件數分別為4個和5個，分別占本段微地震事件總數的7.5%和10.9%，這兩段后續出現遇阻（套變）情況。

壓裂過程中壓裂液不斷在地層中造縫，形成擴張破裂，破壞了地層的完整性，并成為流體流動通道。這種擴張破裂引起的微地震事件點在井旁兩側近于對稱分布（如W2H11-4井），其震級一般小于0級。已有研究表明，地層的剪切活動（斷層活動）產生的微地震震級才可能較大（超過1.5級）[25-27]，如W2H10-4井的微地震響應。

此外，筆者對川慶公司威遠區塊23口井119個套變點套變形態特征進行了系統分析，結果表明，幾乎所有點（其中1個是工程因素導致的套管擴張變形）的套變形態，均為剪切變形后的形態，平均變形量15.8 mm，平均變形程度13.8%，變形長度大多小于10 m。

圖5 W2H11-4井微地震監測圖

W4H12-2井共有8段發生套變，在24臂井徑測井曲線圖上的套變位置井徑曲線具有明顯的錯動變形，套變后井筒主要以偏向橢圓形態存在（圖6-a），顯示不對稱單側擠壓的形態，三維圖上有明顯的錯動（圖6-b）。

圖6 W4H12-2井套變處的24臂井徑測井解釋剪切形態特征圖

1.2.2.3 套變與薄弱面的關系

根據川慶公司的資料統計，發現至少有86%的套變點與薄弱面（斷—裂面及巖性界面）的存在相關；其余14%沒有明確的資料支撐，推測也與斷—裂相關。各個平臺各井套變多發生于距平臺井較近斷層半支，如W4H6-1井套變點就位于斷層位置。

根據廣義剪切活動準則，薄弱面（主要是斷—裂面）內聚力小（斷—裂的內聚力一般小于1.0 MPa），剪切活動趨勢因子（fa）一般要大于庫倫破裂面的fa，因此剪切活動更容易沿已有的斷—裂發生，如W4H6-1井。

層理面雖然也是薄弱面，但在頁巖氣開發區，地層面的傾角一般小于10°（圖1），其fa值一般很小，遠小于庫倫破裂面（fa值一般小于0.2），因此，在近水平地層（傾角小于10°）中進行注水壓裂，不會引起剪切活動而造成套變。確實存在巖層分界面附近產生套變的情況，如N8H9-6井、N8H23-1井，但進一步的分析表明，發生套變的井段均有裂縫存在，說明套變是沿裂縫發生剪切滑移造成的。

1.2.2.4 套變與工程質量的關系

地層剪切變形引起的套變是受位移控制的，因此，無論套管的強度與厚度多大，都無法抵抗地層的剪切滑移。考慮到地層沿斷—裂的剪切應變通過套管外側水泥環傳遞到套管上造成剪切變形（圖1），這樣，固井質量越高（套管和地層的耦合程度越高），剪切變形從地層向套管的傳遞程度就越高，套變發生的可能性自然就越大。

2 套變的防治對策

2.1 套管剪切變形的控制因素

從前面的分析充分表明，套變是地層沿斷—裂面在注水壓裂過程中誘發剪切活動造成的，因此，地層剪切滑移引起的套變決定于：①斷—裂是否出現剪切滑移及斷—裂剪切滑移量；②套管與地層的耦合程度（固井方式）及套管的韌性度。因此，套變地質力學研究應包括4個方面，即識別可能出現活動的斷—裂（套變風險點）、斷—裂的潛在活動能力、斷—裂的剪切滑移量、套管變形與地層剪切變形的耦合關系（固井水泥環對地層變形的傳遞程度）。

如前所述，頁巖的層理面雖然也是薄弱面，但由于其傾角很小（四川頁巖氣開發區，層理的傾角一般小于7°），無論流體壓力如何增加，根據廣義剪切活動準則，都使其無法得到剪切滑移的條件，因此，四川頁巖氣開發區壓裂時層理面的剪切滑移可以排除。因此，只需考慮斷層和天然裂縫（即斷—裂）的剪切滑移。

根據廣義剪切活動準則，斷—裂發生剪切滑移是由地質因素（原地應力的大小和方向、薄弱面的產狀和力學性質，這里稱之為內因）、工程因素（注水壓裂過程中傳遞到薄弱面的流體壓力，這里稱之為外因）聯合決定的，可以進行定量評價。而斷—裂的剪切滑移量與其幾何尺寸[24]以及附加流體壓力的持續程度有關[13,17]。概括起來，控制斷—裂的剪切活動性及滑移量的因素包括：①現今原地應力場；②斷—裂的產狀和規模；③注水壓裂過程中傳遞到斷—裂面上的流體壓力及其持續程度等。

地層沿斷—裂發生剪切變形后，斷—裂面兩側地層對套管的不對稱擠壓是通過固井的水泥環作用到套管上，使套管產生的變形，套管的變形量和水泥環吸收的變形量之和等于地層的剪切應變量。因此，套管的變形量等于地層的剪切應變量減去水泥環吸收的變形量。在地層剪切應變量不變的情況下，水泥環吸收的應變量越大，套變量就越小。

上述套變的控制因素分析，為套變防治提供了理論基礎。

2.2 套管剪切變形防治對策

上述控制因素分析表明，頁巖氣開發套管發生剪切變形的控制因素包括：①現今原地應力場（3個主應力σ1、σ2、σ3的大小和方向）；②薄弱面（主要是斷—裂面）的產狀（θ，α）和力學性質（Cw，μ）及幾何尺寸；③薄弱面上流體壓力的大小及其持續程度；④水泥環對剪切變形的吸收能力等4個方面，其中①和②是地質因素，是引起套變的內因，③是工程因素，是引起套變的外因。由于剪切變形引起的套變受控于地層的剪切位移，不受套管工程力學參數的控制，因此，套管剪切變形的防治需要圍繞上述地質力學因素、壓裂施工參數和固井材料等方面展開。

2.2.1 提升現今原地應力場測量分析的精度

現今原地應力場測量分析包括測定目的層在不同區域的3個主應力的大小和方向。考慮到盆地區內的地應力一般屬于Anderson應力狀態（3個主應力中有一個是直立的，另外兩個水平），豎直方向的主應力比較容易確定（σv=ρgh），因此，確定兩個水平主應力（σH，σh）的大小和方向是重點工作。

水平主應力方向的測定方法主要有：①直井的井壁崩落測井法；②誘導裂縫成像測井法；③快慢波測井法等[28]，其中方法②精度相對較高。

水平主應力大小的測定方法主要有：①應力解除法；②微壓裂法；③測井解釋法。其中方法①主要針對淺層，而且測量難度很大，一般很少采用，目前主要應用方法②和③測定水平主應力大小。由于測井解釋法數據豐富，使用比較方便，因此比較常用，但往往存在較大的誤差；方法②精度較高，但需要用直井作專門的測定。考慮到方法②精度比較高，在一個地區測量若干井是十分必要的。

筆者發現，現今地應力測量經常出現誤區，把古應力和現今應力混淆在一起，如應用巖石的凱瑟效應法和差應變法用來測定現今應力的大小[16]，這是需要特別注意的。

2.2.2 提高小斷層—大裂縫的識別解釋精度

在頁巖氣開發區，由于層理面一般沒有剪切滑移風險，薄弱面主要考慮斷—裂。

由于斷—裂的剪切滑移量與其幾何尺寸（如斷—裂的延伸長度）成正比，中、小裂縫（延伸長度在數十米以內）雖然也可能存在較強的剪切活動性，但其剪切滑移量十分有限，不存在套變的風險。因此，斷層和大裂縫（延伸長度超過百米）是重點考慮的對象。

小斷層（斷距在10 m以內）和大裂縫在地震資料上的識別和解釋是目前還沒有很好解決的世界性難題。目前采用的分析預測手段包括螞蟻體、相干體、曲率、對稱性等地震屬性分析，雖然取得一定的效果，但離準確預測的目標還有很大的距離。成像測井雖然能很準確地檢測井筒上出現的裂縫，但無法確定裂縫的規模。這是需要進一步攻關的課題。

斷—裂的力學性質分析包括測定其內聚力（Cw）和摩擦系數（μ），可以通過實驗測試獲得。

2.2.3 探索壓裂過程中斷—裂面上流體壓力的分布特征和演化規律

斷—裂面上流體壓力的增加是壓裂過程中流體壓力傳遞到斷—裂面上造成的。根據本文的研究分析，壓裂過程中，流體壓力傳遞到斷—裂面存在4種方式（圖4）。

壓裂過程中，傳遞到目標斷—裂面上流體壓力的大小目前是通過數值模擬計算來實現的[29]，但前提也是需要確定流體傳遞的裂縫網絡。由于目前流體傳遞數值模擬的模型是理想化的（如裂縫寬度是設定的），傳遞到目標斷—裂面上的流體壓力很難準確獲得，這也是一個沒有很好解決的世界性難題，需要進一步地探索和攻關。

2.2.4 尋找能吸收變形的固井材料

主要是探索和尋找能吸收變形的特種材料來固井，讓水泥環能吸收較大的剪切變形，達到套變防治的目的。目前，中石油已組織有關部門開始了專項研究，正在試驗和測試中。

2.3 套變防治的有關建議措施

2.3.1 套變風險點的預測和評價

斷—裂與井筒的交切點即套變風險點。壓裂前，綜合采用各種技術手段，分析確定切割井筒的斷—裂（包括斷—裂的幾何形態和產狀），并應用廣義剪切活動準則進行斷—裂活動性的定量評價。在此基礎上，再進行壓裂方案設計。

2.3.2 斷—裂剪切變形的壓力敏感性分析

針對開發區的地應力狀態和斷—裂分布特征，應用廣義剪切活動準則進行斷—裂剪切滑移的壓力敏感性分析，確定目標斷—裂的臨界流體壓力，為壓裂設計提供參考。

2.3.3 控制流體進入斷—裂是套變防治的根本措施

根據前面的分析，剪切變形引起的套變，流體壓力是主導外因（地質因素是內因，且無法改變），控制壓裂液大量進入斷—裂，是防止套變的根本措施。具體建議措施包括：①壓裂段避開斷層，②對壓裂液快速流失的小斷層和大裂縫實施暫堵，③減低泵壓（排量）等是可能的有效手段。讓壓裂液產生人工裂縫，而不沿斷—裂流失是防治套變的根本措施。

上述套變的防治對策和建議措施總體均被川慶公司采納并應用到頁巖氣開發生產實踐中。其中控制壓裂液流失的大裂縫暫堵措施，從2019年10月份開始，已開展了19口井的現場試驗，取得良好的成效：①19口參與試驗的井，僅3口井發生了套變，套變大幅度下降，單井套變率從以前（2016—2019年）平均50.4%下降到15.8%；②單井套變的點數大幅度下降：3口套變井中，有2口僅有1處發生套變，而以前往往是1口井發生多處套變；③發生的套變點，套變程度顯著下降，變形程度均小于10%（小橋塞可以通過，對壓裂的影響不是太大），套變產生的丟段率從以前的平均4.63%下降到0；④套變發生的時間顯著推后：3口套變井，套變發生在壓裂接近結束的時間，對壓裂產生的影響就很小。暫堵大裂縫措施取得很好成效，使得嚴峻的套變形勢得到有效扭轉。

3 結論

1）頁巖氣水平井開發產生的套管變形現象均符合剪切變形特征，頁巖氣水平井開發引起的套管變形是地層沿斷—裂面剪切滑移造成的。

2）明確了四川頁巖氣開發管管變形的地質力學機理：套管變形是在注水壓裂過程中，流體（水）壓力傳遞到斷—裂面上，通過降低斷—裂面上的正應力（降低有效正應力）而誘發地層產生剪切滑移，并作用到套管上使其發生變形的結果。

3）頁巖氣水平井開發引起的套變問題需要通過地質力學研究來解決，包括：①識別確定可能出現活動的斷—裂（套變風險點）；②評價斷—裂的潛在活動能力；③預測斷—裂的剪切滑移量；④分析地層剪切作用與套管變形的耦合關系（固井水泥環對地層變形的吸收程度）。

4）控制斷—裂的剪切滑移的因素包括：①現今原地應力場；②斷—裂的產狀和規模；③注水壓裂過程中傳遞到斷—裂面上的流體壓力及其持續程度等，頁巖氣開發套變的防治工作應主要針對上述因素展開。其中，控制壓裂液大量進入斷—裂，讓壓裂液造縫而不沿斷—裂流失是防治套變的根本措施。