四川長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣套管變形井微地震特征分析

陳朝偉 張浩哲 周小金 曹 虎

(①中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；②中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249；③中國(guó)石油西南油氣田公司頁(yè)巖氣研究院，四川成都 610051)

0 引言

四川長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣示范區(qū)頁(yè)巖氣井在開發(fā)過程中套管變形問題突出。截至2018年10月，該區(qū)塊已完成壓裂的187口井中，發(fā)生套管變形的井總計(jì)75口，套變比例達(dá)40%。套管變形導(dǎo)致井下工具下入困難，施工成本和難度增加，單井產(chǎn)能降低，壓裂段數(shù)減少，從而影響了頁(yè)巖氣開發(fā)的整體經(jīng)濟(jì)效益。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)61.7%的套管變形點(diǎn)與天然裂縫或者層理弱面有關(guān)，并且表現(xiàn)出剪切變形的特點(diǎn)[1-5]。目前，多數(shù)學(xué)者對(duì)套管變形機(jī)理方面達(dá)成了共識(shí)：水力壓裂過程中，大量壓裂液可以通過不同途徑進(jìn)入天然裂縫，從而使天然裂縫內(nèi)孔隙壓力上升、有效應(yīng)力下降，導(dǎo)致裂縫被激活而產(chǎn)生滑移，進(jìn)而造成套管剪切變形[6-15]。

關(guān)于套管變形井的微地震特征，很多學(xué)者做了研究。陳朝偉等[2]利用圓形斷層模型，初步分析了斷層半徑、滑移距離與地震矩的關(guān)系；儲(chǔ)仿東等[16]針對(duì)頁(yè)巖各向異性強(qiáng)、天然裂縫發(fā)育，水力壓裂時(shí)容易發(fā)生套管形變而影響施工進(jìn)度問題，利用微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)識(shí)別可能造成套管形變的天然裂縫空間位置，降低施工風(fēng)險(xiǎn)；康亮等[17]在四川威遠(yuǎn)地區(qū)根據(jù)微地震震源機(jī)制，從定性的角度分析了套管變形處的微地震特征。上述研究初步地探討了套管變形井的微地震特征，但還不夠全面，也缺乏理論認(rèn)識(shí)。

本文以H19平臺(tái)井為例，首先介紹該平臺(tái)套管變形情況并計(jì)算了套管變形量；其次，分析套管變形點(diǎn)附近的微地震事件點(diǎn)空間和時(shí)間分布特征；最后根據(jù)裂縫面模型，利用地震矩公式分析了天然裂縫尺度、地震矩與變形量之間的關(guān)系。

1 H19平臺(tái)套管變形情況

位于四川盆地頁(yè)巖氣開發(fā)區(qū)塊的H19平臺(tái)的H19-4、H19-5、H19-6三口井在壓裂施工期間發(fā)生了嚴(yán)重的套管變形，變形點(diǎn)共計(jì)12處，套管變形的深度和遇阻壓裂段見圖1和表1。該平臺(tái)三口井共設(shè)計(jì)壓裂84段，因套管變形丟段數(shù)達(dá)20段，實(shí)際壓裂64段。

圖1 H19平臺(tái)套管變形情況與壓裂施工段示意圖

套管變形的深度是通過下橋塞遇阻位置判斷，原尺寸橋塞在套管變形點(diǎn)無法通過時(shí)，需要更換較小尺寸的橋塞，完成套變段的壓裂作業(yè)。

利用通過變形點(diǎn)的最小橋塞的尺寸可以計(jì)算套管變形量[2]。以H19-6井第4個(gè)套管變形點(diǎn)(表1中序號(hào)為12)為例，套管內(nèi)徑為114.3mm，先使用105mm橋塞不能通過，最終選擇90mm橋塞才能正常通過套管變形點(diǎn)進(jìn)行壓裂施工，則計(jì)算該處套管變形量為24.3mm。

另一種確定套管變形量的方法是利用多臂井徑測(cè)井(MIT)數(shù)據(jù)。H19-4、H19-5井的部分井段實(shí)施了多臂井徑測(cè)井，以H19-5井3501m處套管變形點(diǎn)數(shù)據(jù)為例(表1中序號(hào)為7)，結(jié)果如圖2所示。從井徑曲線可以看出，變形深度范圍約為4m，屬于典型的局部變形。以圖中黑色虛線為分界線，上部的井徑曲線向左彎曲擴(kuò)徑，指示該部分套管受力向左變形，而下部的井徑曲線向右彎曲縮徑，指示該部分套管受力向右變形，整體呈S型剪切變形。該特征與裂縫上下兩盤相對(duì)錯(cuò)動(dòng)的剪切特征一致。由圖可見，在深度3501m處，最小內(nèi)徑為63.87mm，由此可知最大變形量為50.43mm(圖2)。

表1 H19平臺(tái)套管變形的深度和遇阻壓裂段

圖2 H19-5井部分井段多臂井徑測(cè)井曲線

H19平臺(tái)12個(gè)套管變形點(diǎn)之中求得變形量的有9個(gè)，其中最小值為6.10mm，最大值為50.43mm，平均值為28.03mm(表2)。

表2 H19平臺(tái)套管變形參數(shù)

2 H19平臺(tái)微地震特征

H19平臺(tái)實(shí)施了微地震監(jiān)測(cè)，本文分析了與套管變形相關(guān)的微地震事件點(diǎn)，觀察微地震事件點(diǎn)的空間和時(shí)間分布特征。

以H19平臺(tái)第6個(gè)套管變形點(diǎn)處的微地震事件點(diǎn)為例(圖3)，從第4段開始，微地震事件點(diǎn)沿著一條近乎垂直的平面向井筒逼近，在第9段和第10段到達(dá)近井筒附近，最終與井筒相交的位置出現(xiàn)在套管變形點(diǎn)附近。

由圖3可以看出，這幾段微地震事件點(diǎn)與常見的微地震事件點(diǎn)在空間分布上明顯不同，具有以下特征：(1)微地震事件點(diǎn)與井筒不對(duì)稱；(2)不同壓裂段的微地震事件點(diǎn)大部分重疊，呈線性分布；(3)出現(xiàn)了較多的大矩震級(jí)事件。

圖3 激活天然裂縫微地震事件點(diǎn)空間分布俯視圖(左)和側(cè)視圖(右)圖中數(shù)字表示壓裂段段號(hào)，其中第4至第10壓裂段的微地震事件點(diǎn)用不同顏色圓點(diǎn)表示

基于微地震事件點(diǎn)特征和套管變形的剪切特征，可以認(rèn)為水力壓裂激活了一條天然裂縫，天然裂縫錯(cuò)動(dòng)引起套管發(fā)生剪切變形。

按照上述思路，對(duì)H19平臺(tái)的每一個(gè)套管變形點(diǎn)的微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，觀察到了相同的空間分布特征，共識(shí)別出14條裂縫，12個(gè)套管變形點(diǎn)均與裂縫相關(guān)(圖4)，從統(tǒng)計(jì)上再次說明套管變形是水力壓裂激活裂縫導(dǎo)致。

圖4 H19平臺(tái)微地震事件點(diǎn)與套管變形點(diǎn)的位置關(guān)系

微地震事件點(diǎn)是在壓裂過程中，按時(shí)間先后順序出現(xiàn)的，因此可以將微地震事件點(diǎn)投射到壓裂施工曲線上，得到微地震事件隨時(shí)間的分布。以H19-5井第4至第10壓裂段為例，如圖5所示。

綜上所述，胸腺黏液表皮樣癌是一種罕見胸腺原發(fā)癌，臨床表現(xiàn)可無明顯癥狀，胸部CT等影像學(xué)及術(shù)后病理組織學(xué)檢查具有特征性，對(duì)于臨床診斷具有重要意義。手術(shù)治療是目前胸腺黏液表皮樣癌的主要治療方法，放療和化療效果不佳。隨著分子生物學(xué)研究的日益進(jìn)步，分子靶向治療將為胸腺黏液表皮樣癌患者的治療帶來新方向。

由圖5可以看出，微地震事件點(diǎn)有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

(1)H19平臺(tái)采用了地面微地震監(jiān)測(cè)，總體上事件點(diǎn)數(shù)量偏少，但是出現(xiàn)了矩震級(jí)相對(duì)較大的微地震事件，矩震級(jí)范圍為-0.98～0.92。H19-5井最大矩震級(jí)出現(xiàn)在第6段，為0.92；在引發(fā)套變的第10段，最大矩震級(jí)為0.79；各段矩震級(jí)大于-0.5微地震事件如表3所示。

表3 H19-5井第4～第10壓裂段大于-0.5級(jí)矩震級(jí)微地震事件統(tǒng)計(jì)

(2)總體上，大矩震級(jí)事件點(diǎn)出現(xiàn)在壓裂中后期的頻率較高。Maxwell等[18]在統(tǒng)計(jì)北美頁(yè)巖氣微地震和壓裂施工數(shù)據(jù)后觀察到相似的特征，指出注入初期和注入后期出現(xiàn)大矩震級(jí)微地震事件是由激活了天然裂縫引發(fā)的，與圖5的認(rèn)識(shí)一致。

圖5 H19-5井第4至第10壓裂段(a～g)壓裂曲線及微地震事件點(diǎn)隨時(shí)間分布黑色為壓力曲線；紅色為排量曲線；藍(lán)點(diǎn)為微地震事件點(diǎn)

綜上所述，套管變形點(diǎn)位置數(shù)據(jù)是通過橋塞遇阻深度或多臂井徑測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)得到的，是客觀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。在確定套管變形點(diǎn)的位置之后，仔細(xì)觀察每一段壓裂產(chǎn)生的微地震事件點(diǎn)的時(shí)間和空間分布規(guī)律，從而總結(jié)出微地震的特征。實(shí)際上，套管變形點(diǎn)數(shù)據(jù)和微地震數(shù)據(jù)都是相互獨(dú)立得到的，兩組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)得如此之好充分說明套管變形是由裂縫滑動(dòng)引起的，這個(gè)結(jié)論是可信的。事實(shí)上，在其他鉆井平臺(tái)依然可觀察到相似的現(xiàn)象，得到相同的認(rèn)識(shí)。因此，套管變形微地震的空間和時(shí)間分布特征，可為判斷壓裂時(shí)是否激活裂縫提供依據(jù)。

3 對(duì)裂縫面模型的理論分析

通過對(duì)微地震事件點(diǎn)空間分布特征的分析(圖3和圖4)，可知這些微地震事件點(diǎn)組合成了一條裂縫面。依據(jù)震源模型，每一個(gè)事件點(diǎn)可看作一個(gè)圓形平面[2]，則多個(gè)事件點(diǎn)對(duì)應(yīng)多個(gè)圓形平面，組合在一起，則構(gòu)成一條裂縫面，該裂縫面可近似用矩形面表示[19-20]，如圖6所示。

圖6 裂縫面模型

利用該裂縫面模型，可建立地震矩、裂縫面面積和裂縫面滑動(dòng)量之間的關(guān)系[2]，即

M0=μAD

(1)

該裂縫面內(nèi)所有事件點(diǎn)都與該裂縫面有關(guān)，因此，該裂縫面對(duì)應(yīng)的地震矩可認(rèn)為是所有微地震事件點(diǎn)的地震矩之和。矩震級(jí)MW與地震矩之間關(guān)系[2]為

(2)

通過裂縫面模型，建立了套管變形量與裂縫面積、微地震地震矩和矩震級(jí)之間的關(guān)系。

以H19平臺(tái)第6個(gè)套變點(diǎn)為例，由于套管變形點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間在第10段壓裂施工之后，根據(jù)裂縫整體趨勢(shì)與空間位置，使用FracMan軟件中插入軌跡平面功能，可建立由第10段微地震事件點(diǎn)組合成的裂縫面，如圖7所示。通過測(cè)量矩形邊長(zhǎng)，可得裂縫面長(zhǎng)為262m，寬為153m，面積為40086m2。

圖7 H19-5井第10段壓裂微地震事件點(diǎn)組成的裂縫面

通過對(duì)該裂縫面內(nèi)所有微地震事件點(diǎn)的地震矩求和，可得該裂縫面的地震矩為2.29×1010N·m。由橋塞尺寸計(jì)算可得，該處套管變形量為50.43mm，可認(rèn)為裂縫滑動(dòng)量為50.43mm。則由式(1)可確定巖石剪切模量為1×107Pa。

對(duì)所有套管變形點(diǎn)計(jì)算，結(jié)果如表4所示，除第一個(gè)值偏低外，其他6個(gè)數(shù)值的平均單段地震矩為2.04×1010N·m，平均剪切模量μ=1×107Pa=10MPa。需要說明的是，由于MIT數(shù)據(jù)是壓裂后測(cè)得的，無法還原套變時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓裂段及該段的微地震數(shù)據(jù)，因此，在這種情況下，不能確定裂縫面和地震矩。所以該表的數(shù)據(jù)僅包含能夠用橋塞確定變形量的套管變形點(diǎn)。

表4 由套管形變和微地震事件計(jì)算的巖石剪切模量

式(1)有3個(gè)變量，給定斷層滑動(dòng)量，則由該式可建立斷層面積和地震矩之間的線性關(guān)系。當(dāng)滑動(dòng)量D為5、10、20和50mm時(shí)，繪制的地震矩和斷層面積之間的關(guān)系如圖8所示。

由圖8可以看出，該平臺(tái)引起套管變形的裂縫面積為40000～70000m2，則裂縫尺度范圍為200～264m，引發(fā)套管變形的地震矩范圍為2.57×109～7.57×1010N·m，矩震級(jí)范圍為-1.16～0.79，引發(fā)的套管變形量集中在20～50mm之間。

圖8 不同變形量下裂縫面積與地震矩的關(guān)系

綜上所述，利用裂縫面模型，建立了套管變形量和天然裂縫尺度，以及裂縫滑動(dòng)時(shí)的微地震地震矩之間的定量關(guān)系，對(duì)進(jìn)一步利用微地震數(shù)據(jù)預(yù)防和預(yù)警套管變形有指導(dǎo)作用。

4 結(jié)論與建議

(1)本文利用通過的小橋塞尺寸和MIT數(shù)據(jù)計(jì)算了套管變形量，12個(gè)套管變形點(diǎn)中測(cè)得變形量的有9個(gè)，其中最小值6.10mm，最大值50.43mm，平均值28.03mm。

(2)通過分析套管變形附近的微地震數(shù)據(jù)，得到了天然裂縫的微地震時(shí)空特征：①微地震信號(hào)與井筒不對(duì)稱；②不同壓裂段的微地震事件點(diǎn)大部分重疊，呈線性分布；③出現(xiàn)了較多的大矩震級(jí)事件；④時(shí)間上，大矩震級(jí)事件點(diǎn)出現(xiàn)在壓裂中后期的頻率較高。建議在壓裂過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微地震事件，觀察其是否具有天然裂縫特征，及時(shí)處理，防止套管變形。

(3)在了解天然裂縫空間分布的基礎(chǔ)上，建立了裂縫面模型。利用該模型，明確了套管變形量與天然裂縫尺度和裂縫滑動(dòng)時(shí)的微地震地震矩之間的定量關(guān)系。結(jié)果表明引起長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖氣套管變形的裂縫面積為40000～70000m2，引發(fā)套管變形地震矩為2.57×109～7.57×1010N·m，引發(fā)的矩震級(jí)為-1.16～0.79，引發(fā)的套管變形量集中在20～

50mm。

本文研究對(duì)進(jìn)一步利用微地震數(shù)據(jù)預(yù)防和預(yù)警套管變形具有指導(dǎo)作用。