导言

根据文献调研发现，最近几年来，在水力压裂过程中的水平井套管变形对四川盆地页岩气开发造成了严重影响。基于斯伦贝谢解决套管损坏及套管变形的技术，综合斯伦贝谢在全球的相关经验，特别是研究和应对和四川盆地的地应力背景相类似的南美安第斯山附近非常规油气田的套管变形问题的相关经验，斯伦贝谢专家在近日召开的页岩气压裂技术研讨会上提出了有效解决页岩气套管变形问题新思路。

页岩气套管变形特征简述

根据已经发表的文献，目前有些区块的遇到套管变形的水平井超过总井数的30%。根据统计分析成果，发现如下特征：

•　套管变形主要发生在压裂过程中或压裂后

•　套管变形大多发生在A点附近 (>50%)

•　套管变形和断裂带和大的微地震事件相关 (>50%)

•　套管变形和岩性突变有关 (>40%)

•　和固井质量，压裂液体系，压裂工艺没有明显关系

•　目前的措施还不是十分有效（单纯的改变套管尺寸和钢级、改进固井、井眼轨迹、射孔工艺 ）

四川盆地页岩气井发生套管变形的概率明显高过北美地区页岩气井。Ingraffea et al. (2014) 对Pennsylvania州41,381口井进行了分析，发现非常规井的套损率为6.2%。并且这个数字包含了表层套管带压、脱扣等和压裂无关的套管损坏，这说明压裂相关的套管损坏的发生率还要低于这个数字。

在开发和四川盆地的地应力背景相类似的南美安第斯山附近非常规油气田的过程中，也观察到了和四川盆地相似的套管变形，并且发生率也明显高过北美页岩气。

页岩气套管主控因素简述

根据已经发表的文献及斯伦贝谢分析，四川盆地页岩气井套管变形是三方面相互共同作用的结果（见下图）。

这三方面包括：

•　地质和地质力学。四川盆地独特的地质构造及地应力场是造成套管变形的前提条件：

- 倾斜地层

- 天然裂缝系统

- 构造应力

- 地质层面

•　建井相关。建井过程中的井眼轨迹、套管及固井质量一定程度上影响井筒抵抗外部荷载的能力

- 套管设计及质量

- 固井设计及质量

- 井眼轨迹

•　工程诱因。射孔及压裂作业所导致的工程诱因导致了地应力场及地层的变化及位移触发了套管变形

- 射孔作业

- 压裂作业

这说明，四川盆地套管变形问题的主控因素十分复杂，是多因素相互影响，互相交织，共同作用的结果。单因素的分析很难真正揭示套管变形的机理，也很难找到解决套管变形问题的有效手段。

四维耦合地质力学模拟工作流

根据对四川页岩气套管变形主控因素的分析，可以看出要开展套管变形问题的多因素分析需要覆盖下列关键技术环节：

•　多学科综合一体化研究，包括地质力学建模，多尺度裂缝建模，及压裂过程模拟

•　多尺度综合分析，包括油气田尺度，平台尺度、近井尺度

•　非均质性精细刻画，包括考虑断层、天然裂缝、人工缝网及压力场变化的地质模型及力学模型

•　不同尺度天然裂缝建模

•　人工裂缝和天然裂缝的相互作用机理的刻画

•　建井、压裂过程全模拟，全面深入挖掘物理机理

基于这样的认识，斯伦贝谢提出如下的四维地质力学模拟工作流：

该工作流覆盖区块尺度、井场尺度及单井及近井尺度，工作内容包括：

•　三维多尺度裂缝建模。基于地震、测井及微地震数量来刻画米级、十米级及百米级裂缝，建立相应离散裂缝网络（DFN）。

•　三维地质力学精细建模。基于岩心、测井及地震数据建立考虑地层各项异性及裂缝带的地质力学属性体及地应力场，并开展一系列的模型刻度及验证。

•　水力压裂裂缝缝网模拟。全面刻画人工裂缝和天然裂缝相互作用机理，模拟在有天然裂缝存在的条件下，水力压裂裂缝缝网的扩展及复杂几何形态。可以对一个平台的一口井或多口井同步开展模拟，考虑不同井之间的相互作用及应力阴影。

•　油气藏建模。基于水力压裂裂缝缝网，建立考虑真实水力压裂裂缝缝网的单井或多井油气藏模型。

•　压裂油藏模拟。基于油气藏模型，开展压裂过程模拟，预测压裂过程中地层压力变化。

•　四维耦合压裂地质力学模拟。根据压裂油气藏模拟结果，开展四维地质力学模拟，预测压裂过程中的地应力场的改变、裂缝面的激活及地层层理的可能滑动，并相应开展近井尺度模拟，预测可能的套管及水泥环的应力、应变及变形。

该工作流有以下一些特点：

•　该流程全面刻画页岩气区块的地应力场及不均质性，全面覆盖影响套管变形的三方面的主控因素，包括地质及地质力学、建井相关及工程扰动三方面的影响，全面刻画建井及压裂整个物理过程，能够全面挖掘套管变形过程的物理机理。

•　不同尺度模拟相互协调，小尺度模型继承自大尺度模型，地应力场及力学参数在不同尺度模型中保持一致性。

•　不同尺度模型在同一软件平台，保证模拟的高效、稳定、可靠及一致性。

•　由一系列最新关键技术支撑，包括：

- 不同尺度天然裂缝建模技术

- 页岩气三维地质力学建模技术

- 多尺度一致性地质力学建模技术

- 复杂缝网模拟技术

- 一体化压裂井建模技术

- 裂缝激活评价技术

- 耦合压裂四维地质力学模拟技术

四维耦合模拟工作流

基于耦合地质力学模拟，斯伦贝谢提出下面页岩气套管变形综合防治技术方案：

该方案强调基于四维耦合地质力学模拟的机理分析来识别套管变形机理分析。它强调“两条腿走路”，基于四维耦合地质力学模拟来开展套管变形的主动预防（例如优化井位、地质导向及精细化压裂作业）及被动防御（例如优化套管水泥环的设计优化）。并认为需要基于地质工程一体化思路，选定目标区开展相关研究及现场实施，强调相关研究和现场实施相互配套，同步开展实时监测及现场措施优化，不断深化套管变形及机理认识及防控措施。