随着长宁A井区页岩气开采的深入,页岩气水平井水力压裂作业中套管变形问题日益突出,截止到2024年,长宁A井区套管变形率为44.8%。因此,深入研究长宁A井区水平井套管变形主要原因至关重要。 对长宁A井区的页岩气储层特征、两口典型套管变形井案例、116个水平井套管变形点周围区域地质特征和52口套管变形井基础资料调研统计,分析该井区主要套变类型以及引发套管变形的主要地质因素和工程因素,并通过现场资料分析和数值模拟手段研究长宁A井区页岩气水平井套管变形的主要原因。此外,对取自长宁A井区的页岩岩心进行岩石力学试验和岩石物性参数测定,为后续数值模拟提供具体数据。结果表明,在水力压裂过程中影响水平井套管变形的原因复杂,断层滑移导致套管外挤变形占比最高,为该井区主要套变类型和原因;水平井距断层距离、压裂液排量、断层倾角和储层渗透率等是影响水平井套管变形的主要因素,也是影响断层滑移的主要因素。影响长宁A井区水平井套管变形的主要机理为:水力压裂时断层处孔隙压力升高并改变其应力状态,从而引发断层滑移,最终造成套管变形。 通过现场资料分析,确定断层滑移是导致套管变形的主要原因,据此开展以下具体研究。首先,利用有限元法(FEM)建立长宁A井区水力压裂诱发断层滑移的流-固场耦合模型,研究不同压裂因素(水平井距断层距离、压裂液排量、断层倾角和储层渗透率等)对断层滑移的影响。然后,利用FSP断层滑移评判准则,完成不同压裂因素下断层滑移风险评价。结果表明:当压裂液排量相同、井距不同时,水平井距离断层越近,断层滑移的风险显著增加,井距从25m增至75m,滑移风险降低47.8%;当井距相同、压裂液排量不同时,压裂液排量越大,断层越容易出现滑移风险,排量从11m³/min上升至14m³/min,滑移风险增加77.8%;断层倾角和储层渗透率的变化则直接影响断层滑移风险程度。 其次,利用岩石断裂力学理论公式的断层滑移量计算方法计算出不同压裂因素下断层滑移量。然而在实际工程中,水力压裂作业时断层滑移与套管变形往往同步发生,仅水力压裂诱导断层滑移的数值模拟本身已具有较高复杂性,若将断层滑移与套管变形的同步分析纳入数值模拟,其复杂程度将显著增加。因此本文对该过程数值模拟分析进行简化,即首先分析水力压裂诱导断层滑移的过程,随后探讨断层滑移对套管变形的影响,通过这种分步研究以明确各过程间的关系。在断层滑移导致套管变形数值模拟分析中,首先建立包含断层的储层-水泥环-套管有限元模型,然后以断层滑移量为边界条件,模拟套管变形过程,最后分析出不同压裂因素下套管变形情况。结果表明:相同压裂液排量下,水平井距离断层越近,造成的断层滑移量和套管形变量越大,当井距从25m增至75m时,断层滑移量和套管形变量分别降低51.6mm、16.7mm;相同井距下,压裂液排量越大,断层滑移量和套管形变量也增大,排量从11m³/min增至14m³/min,分别增加47.7mm、13.4mm;断层走向与初始最大水平地应力方向夹角为0°且断层倾角为45°、60°、75°时,断层滑移量和套管形变量先增大后减小;储层渗透率增大,断层滑移量和套管形变量随之增大。 最后针对长宁A井区套管变形主要原因,提出具体防控建议。本文中水力压裂诱发断层滑移导致套管变形的理论研究结果和防止页岩气水平井套管变形的建议,对解决断层滑移引起套管变形这类工程问题具有重要的理论指导意义。