页岩气井压裂技术优化与应用：降低套管变形风险的新策略

本文针对四川泸州区块页岩气开发中多级压裂诱发断层滑移导致套管剪切变形的难题，通过建立平台井压裂有限元模型，对比分析了顺序压裂、同步压裂、间隔井同步压裂、拉链式压裂及间隔井拉链式压裂五种技术的风险。研究发现，拉链式压裂技术能有效延缓断层激活，将段弃率降至6.25%，而间隔井拉链式压裂在3段压裂时段弃率可降至0%。该研究为复杂地质条件下页岩气安全高效开发提供了理论依据。

　　

在四川盆地深处，蕴藏着中国最具前景的页岩气资源，其中泸州区块更是深部页岩气开发的重中之重。然而，这里的地质条件极为复杂，断层和天然裂缝高度发育，就像地下布满了脆弱的“玻璃网络”。在开采过程中，多级压裂技术如同一次次“地下微爆破”，高压流体注入地层，容易激活这些脆弱面，引发断层滑移，最终导致套管发生剪切变形。一旦套管变形，后续的压裂段就无法继续作业，造成“段弃”，严重影响页岩气井的产量和开发效率。据统计，仅泸州区块就有上百口井出现套管变形，有些变形程度甚至高达48.8%，问题十分严峻。为了解决这一制约高效开发的“卡脖子”难题，来自中国石油大学（北京）的研究团队开展了一项针对性的研究，旨在通过优化压裂技术来降低套管变形风险。

为了回答这些问题，研究人员首先深入分析了泸州区块套管变形的现场数据，确认了断层滑移是导致套管剪切变形的主要原因。接着，他们利用商业有限元软件ABAQUS，建立了平台井多级压裂的二维数值模型。这个模型考虑了孔隙压力、地应力和压裂液压力的耦合作用，能够模拟压裂液在裂缝和断层中的流动及其对地层应力场的影响。基于地质和工程条件，研究团队不仅模拟了常规的顺序压裂、同步压裂和拉链式压裂，还创新性地提出了两种适用于平台井的优化配置：间隔井同步压裂和间隔井拉链式压裂。通过数值模拟，他们获取了不同工况下井筒附近断层处的孔隙压力分布。然后，他们运用剪切破坏准则，以临界孔隙压力作为判断断层是否发生滑移的指标，进而评估套管变形状态和段弃情况，并以段弃率来量化不同压裂技术的风险。

3. 有限元模型

研究人员建立了包含一条贯穿四个水平井的断层的大型二维模型（4000 m × 4000 m），采用孔隙流体/应力单元（CPE4P）进行网格划分。模型参数基于泸州区块实际数据设定，包括地应力、初始孔隙压力、岩石力学参数以及断层和地层的渗透率差异。通过设置不同的压裂阶段和施工时序，模拟了五种压裂技术的全过程。

4. 断层滑移状态的理论判别模型

研究基于莫尔-库仑剪切破坏准则，建立了断层激活的临界孔隙压力计算模型。该模型将地应力、孔隙压力变化和断层摩擦系数联系起来，用于判断压裂过程中断层是否会发生滑移。临界孔隙压力是评估套管变形风险的关键阈值。

5. 结果与讨论

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  5.1. 顺序压裂
  模拟结果显示，顺序压裂会导致压力在断层处持续累积。当压裂进行到第3口井的第4段时，尚未压裂的第4口井所在断层处的孔隙压力已超过临界值（83.82 MPa），导致断层激活和套管变形，造成4个段弃，段弃率达25%。
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  5.2. 同步压裂和间隔井同步压裂
  同步压裂虽缩短了作业时间，但压力累积更快，在压裂第7段时，正在作业的两口井断层压力超临界，导致段弃率为12.5%。而间隔井同步压裂则由于中间井（如第2口井）受到两侧压裂井的同时影响，压力积累速率极快，导致在未压裂井就出现套管变形，总段弃率高达37.5%，风险最大。
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  5.3. 拉链式压裂和间隔井拉链式压裂
  这两种技术由于是交替作业，给了压裂液扩散和压力消散的时间，断层处孔隙压力增长较慢。在压裂4段时，两者段弃率均为6.25%，风险显著降低。进一步模拟压裂3段的情况发现，间隔井拉链式压裂的断层孔隙压力接近但未超过临界值，段弃率为0%，表现最优。
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  5.4. 压裂技术优化
  综合比较，拉链式压裂和间隔井拉链式压裂能最有效地降低套管变形风险。其中，间隔井拉链式压裂在减少压裂段数（如3段）时效果更佳。

6. 应用

将优化后的压裂技术（特别是拉链式压裂和间隔井拉链式压裂）应用于泸州区块L03井区的HS6和HS7平台，通过协调施工顺序、控制施工节奏，成功实现了7口井的完井作业，未发生套管变形和段弃，应用效果良好。

7. 结论与建议

本研究通过系统的数值模拟和理论分析，明确了不同压裂技术对套管变形风险的影响。研究结论指出，顺序压裂易导致压力积累，风险较高；同步压裂虽能提高效率但仍有相当风险；间隔井同步压裂风险最高，应避免使用；而拉链式压裂和间隔井拉链式压裂能有效延缓断层激活，显著降低段弃率，是复杂地质条件下页岩气井压裂的优选技术。该研究成果为现场选择压裂工艺以预防套管变形提供了重要的理论支撑和实践指导，对保障页岩气安全高效开发具有重要意义。