0 引言

自2009年以来，中国开始在四川长宁和威远等区块大规模开发页岩气，其主体技术是水平井和水力压裂。水力压裂过程中，时常伴随套管变形问题发生。截至2018年12月，长宁区块已完成压裂的113口井中，发生套变井总计39口，套变比例达34.5%；威远区块共完成74口井压裂，套变井36口，占比48.6%。套管变形不仅导致压裂段数减少，单井产量下降，同时降低井筒的完整性，缩短井的生命周期，严重制约着页岩气的高效开发。

针对页岩气水平井水力压裂过程中出现的套管变形问题，许多学者开展了不同方面的研究。刘港等^[1]将水平井套损的原因归结为围岩蠕滑挤压力和断层活化剪切力共同作用的结果。刘伟等^[2]和YIN F.等^[3]通过比对现场铅印变形情况与数值模拟结果，认为与套管相交的断层在压裂过程中激活与错动是引起套管变形的主要原因。郭雪利等^[4-5]认为断层滑动是井脚跟处套管变形的主要因素，在断层滑动和较高外应力与内压的情况下，套管有较高风险发生变形。余夫等^[6]发现当出现断层、层位间穿越与近井筒地层各向异性时，套管变形风险会增加，其中断层条件下发生套管变形的概率最大。王素玲等^[7]采用有限元模拟了套管剪切损坏的过程，表明套损的主要机理是页岩储层滑移引起的套管剪切。李留伟等^[8]通过比对常规测井、井径测量及固井质量等数据，认为天然裂缝面附近岩石滑移是套管变形的根本原因。陈朝伟等^[9-10]利用现场数据分析套管变形出现的规律，认为断层和层理发育是套管变形的内因，水力压裂是套管变形的外因。张建勇等^[11]结合文献调研与国内外注入流体诱发断层活化的典型工程案例，探讨流体注入诱发断层活化的机理，分析总结了流体注入诱发断层活化的评估方法和判别准则。付盼等^[12-13]通过数值模拟和试验研究了裂缝内部压力、多组裂缝与裂缝滑动之间的关系，并探讨了裂缝滑移对套管的影响。鄢标等^[14]利用数值模拟研究了套管变形量与地层剪切应力关系，探讨了套管变形量与等效应力的关系。以上研究集中于探讨套管变形的机理，并得出了较为一致的结论：水力压裂诱发的小断层滑动是引起套管变形的主要原因。

确定断层和套管的作用模式是解决套管变形问题的基础。目前，研究断层和套管相互作用的文献大都采用一个断层面错开的受力模式^[2-3]，这种模式是否符合现场实际情况还有待于通过现场数据验证。本文从现场实际出发分析套管变形受力模式，在统计分析套管变形形状特征的基础上，分析地层岩体和层理裂缝发育特征，通过定性及定量对比套管变形特征及页岩岩体层理裂缝发育分布特征，建立了套管与地层相互作用模式。

1 套管变形形态特征分析

本研究收集到威远、长宁和昭通3个页岩气区块共9口井的24臂井径曲线，共识别出37处套变点。利用均匀分布的24条半径曲线(F01~F24)的相对变化，判断套管变形的几何特征，并据此将套管变形分成3类(有两处套变点变形严重，无法恢复变形形态，故未纳入统计)。

第一类为套管剪切变形，24条半径曲线中，对称的两条半径(Fn与Fn+12，n≤12)一条增大，另一条减小，相互邻近的半径中有一半数量同时减小，另一半同时增大。以YS108H11-1井2 705.90~2 709.18 m深度范围的套管变形特征(见图 1)为例，将其恢复得到套管变形形态(见图 2)，轴向上类似波的形状。为方便描述变形特征，定义沿套管轴线方向上一个同向变化段的长度为半波长，以m为单位，定义半波长内沿套管径向上的最大变形量为“波峰”，以mm为单位。根据波峰个数将变形段分成两段：第一段从2 705.90 m至2 707.55 m，半径F01~F12均减小，半径F13~F24均增大，半波长为1.65 m，一侧缩径波峰为6.77 mm(2 707.01 m处)，对侧扩径波峰为7.02 mm(2 707.05 m)；第二段从2 707.55 m至2 909.18 m，半径F01~F12均增大，半径F13~F24均减小，半波长为1.63 m，一侧缩径波峰为8.76 mm(2 708.06 m)，另一侧扩径波峰为8.23 mm(2 708.14 m)。

图 2中，淡蓝色线为套管原始形态，黑色线为变形后形态。套管轴向变形长度单位为m，径向变形量单位为mm。

通过24臂井径曲线反应出的形态学特征，共识别出21处相似的变形点。这类套管变形有如下特征：①变形具有局部性，变形范围主要介于1~7 m；②在半波长范围内，套管向一个方向运动，受力方向一致，半波长或受力面长度主要介于1.5~2.5 m；③多阶性，在套管变形范围内，相互交错，具有剪刀差特征，可存在1~8个相互交错的运动方向；④套管最大变形量介于5~15 mm，在同一阶内，扩径和缩径波峰值比较接近。

根据24臂曲线值是否存在突变特征，可进一步分为有台阶和无台阶两类。台阶，即在24臂井径曲线上表现为横向位移突然增大。形态恢复图中可见台阶由明显的位移错动段构成，运动方向几乎与套管轴向垂直(见图 3)。无台阶变形点共计10处，有台阶变形点共计11处。

第二类变形表现为对称的两条半径同时增大或同时减小，同时增大的半径数量占到1/4，相邻的半径同时减小，表现出椭圆形特征，代表典型的挤压变形。以威202H13-8井2 723~2 727 m套变点为例，按波峰个数将变形段视为1段，半径F01~F04、F12及与它们对称的F13~F16、F24均增大，其中，一侧扩径波峰为7.74 mm(2 725.46 m)，对侧扩径波峰为4.59 mm(2 725.42 m)(见图 4)。半径F05~F10及与它们对称的F17~F22半径均减小，其中，一侧缩径波峰为-6.53 mm(2 725.33 m)，另一侧缩径波峰为-6.98 mm(2 725.55 m)。恢复套管变形形态如图 5所示。图 5中，淡蓝色线为套管原始形态，黑色线为变形后形态。

通过24臂井径曲线反应出的形态学特征，共识别出8处挤压变形点。这类套管变形具有如下变形特征：①变形具有局部性，变形范围在“10 m”量级；②截面变形形状为椭圆形特征；③和第一类不同的是，这一类变形只有一阶，没有看到多阶性。

第三类为剪切挤压复合变形，包含以上两类的曲线变形特征，且具备任意一类特征的曲线至少有3对。以宁H19-5井3 498.5~3 501.7 m变形点为例(见图 6)，按波峰个数可将变形段视为1段，其中半径F01~F12、F13~F15、F23和F24均减小，半径F16~F22均增大，共3处缩径，1处扩径。其中，一侧缩径波峰为15.96 mm，对称的一侧缩径波峰为13.53 mm；一侧缩径波峰为12.43 mm，对侧扩径波峰为12.38 mm。恢复套管变形形态如图 7所示。图 7中，淡蓝色线为套管原始形态，黑色线为变形后形态。

通过24臂井径曲线反应出的形态学特征，共识别出6个复合剪切变形点。这类套管变形有如下特征：①变形具有局部性，变形范围为“m”量级；②多阶性；③既有剪切特征，又有挤压特征。

箱型图可以准确排除异常点，对有效数据进行区间分析与对比，极值、中位数、四分位数和数值分布情况一目了然，既可以实现纵向单类对比，又可以进行横向多类分析，极大提高了数据对比效率。因此，本文利用箱型图对三类变形半波长和波峰数据进行统计分析，如图 8和图 9所示。由中位数位置、四分位间距框位置与间距可以看出：①剪切变形(包括无台阶和有台阶)与复合变形的半波长和波峰接近程度较高，因此，复合变形更多地表现出剪切特征；②与剪切变形相比，挤压变形半波长相对较大，波峰相对较小。

35处变形点中，剪切变形有21处，占总数的60%，具有剪切特征的剪切变形和复合变形，占总数达到77%，表明套管变形主要表现为剪切特征。陈朝伟等^[9]研究了套管变形点和断层、裂缝的相关性，在47处套管变形点中，与断层和裂缝相关的占比达61.9%。因此，认为套管变形主要是由断层滑动引起的剪切变形。

2 龙马溪组页岩岩体结构特征

长宁区块区域构造位置位于四川盆地与云贵高原结合部，川南古坳中隆低陡构造区与娄山褶皱带之间。威远地区属于四川盆地川中隆起区的川西南低陡褶带，为一个大型穹窿背斜构造。页岩气示范区内断层发育，通过地震剖面(见图 10)可见，断层多发育高角度断裂，在断裂周围往往发育一系列伴生断裂。通过观察龙马溪组页岩露头，识别裂缝以垂直或高角度构造缝为主。构造缝垂直于页岩层面或与层面大角度相交，切割岩层在层面上呈平行“长条形”岩体。面对剖面俯视图(见图 11a)为水平层理面，可以看到多条与层理面垂直正交的天然裂缝(白色线标出)，在垂直层理面的剖面方向(见图 11b)，同样可见多条与层理面正交的相互平行的天然裂缝，箱型图(见图 12)表明裂缝间距(即块状岩体厚度)主要介于1.2~3.1 m。

通过观察龙马溪页岩井壁成像测井图(见图 13)，可见黑黄条密集分布，以1 m为间隔的多条“正弦波”与其相交，表明层理极其发育，多条裂缝与层理呈较大角度相交，在裂缝切割下岩体呈块状。

通过地震剖面、地质露头和井壁成像测井分析，认为龙马溪组页岩宏观裂缝以垂直或高角度构造缝为主。往往多条裂缝伴生发育，与层理呈较大角度相交，在裂缝切割下，岩体在层面上呈现出块状特征(见图 14)。受裂缝间距控制，块状岩体厚度主要介于1.2~3.1 m，与套变点半波长在范围上具有较好的一致性。

3 套管-地层相互作用模式分析与讨论 3.1 作用模式分析

世界地应力图显示长宁-威远地应力主要为走滑断层应力模式，走滑构造主位移带为一条走向稳定、线性延伸的走滑主干断层。在主要走滑位移带附近区域，由于走滑位移引起伴生构造变形，这些伴生构造的局部应变轴方向与走滑构造带的变形椭圆中的应变方向基本一致^[15]。力学分析和模拟试验结果也证实了这些伴生构造与主干走滑断层的位移方向具有较好的一致性^[16-17]。因此，如果长宁-威远区块内断层(裂缝带)被激活，伴随断层活动发育的小型裂缝通常会发生水平方向的位移而形成小型错断，从而使页岩在剖面上表现出断块岩体的特征。

套管变形特征和层理页岩岩体裂缝发育分布特征的对比结果表明：①裂缝切割下块状岩体的宽度数据和套管变形的半波长数据都介于1~3 m，两者接近程度达93.5%，表现出较好的一致性；②小型错断不是一个面的错动，而是块状岩体的整体运动，与套管变形在“波峰”范围内，套管向一个方向变形的特征具有较好的一致性；③连续的块状岩体左右发生错动，与套管变形“剪刀差”特征相一致；④高倾角的错断面和套管的台阶状变形特征具有一致性。

基于良好的对应关系，认为当套管处于裂缝发育的层理页岩岩体中时，已被裂缝切割的块状岩体在水力压裂的作用下发生滑动，多段块状岩体的交错运动造成套管形成多阶形态的局部变形。在此基础上，本研究建立了走滑断层应力模式下，水力压裂诱发的多滑动断块岩体与套管相互作用模式(见图 15)。

3.2 讨论

本次研究收集的24臂井径测井数据，分为原始数据和居中校正数据。对比分析发现:①不同井区对井数据是否需要校正认识不同，造成部分井既有原始数据，又有校正数据，而另一部分只有原始数据；②由于校正方法的不同以及校正人员认识上的差异，都可能导致数据上的偏差。为了保持数据一致性，本次研究统一使用原始数据。

剪切变形模式显示套管周边岩体在压裂过程中存在错动，错动产生的不平衡力导致套管发生剪切变形。通过箱型图可以看出，变形在轴线方向上的分布长度指示出了与套管接触部分错动岩体的尺寸。挤压变形模式指示了套管周围岩体所受主应力方向，在最大主应力方向压扁，最小主应力方向扩张。变形在套管轴线方向上的分布长度说明主应力方向和大小在岩体局部尺度上有调整，这种调整可能与压裂液进入结构面有关。复合变形模式具有剪切变形和挤压变形的综合特征，由于结构形态的复杂性，其力学机制需进一步研究。

借助半波长箱型图说明了套管受围岩变形的影响范围，对于剪切变形而言，指示出了错动岩块的尺寸大小。借助波峰箱型图说明了套管受“块状”围岩岩体错动的影响程度。两者共同反映了水力压裂导致页岩岩层内部应力和变形场经历了局部调整的过程。

本次研究观察到的是页岩“断块”岩体的特征，而不是裂缝带的特征。出于块状岩体为断裂成因的角度，笔者认为裂缝带和页岩“断块”岩体表现出的特征具有相似性。需要说明的是，本研究收集的24臂井径测井数据不完全，后续施工还会不断增加新的测试，更多更全面的数据可能会带来新的认识。

4 结论

(1) 套管变形分成剪切类、挤压类和复合类3类。其中，剪切类占60%，是变形的主要形式，剪切类和复合类均具有剪切特征，占77%，套管变形主要是由断层滑动引起的剪切变形。套管变形的“半波长”为0.5~4.9 m，主要介于1.5~2.5 m，“波峰”为2~33 mm，主要介于5~15 mm。

(2) 龙马溪组页岩宏观裂缝以垂直或者高角度构造缝为主，多条裂缝伴生与层理呈较大角度相交，在裂缝切割下，岩体在层面上呈现出块状特征。受裂缝间距控制，块状岩体厚度主要介于1.2~3.1 m，与套变点半波长在范围上具有较好的一致性。

(3) 基于套管变形特征和页岩岩体层理裂缝发育分布特征的对应关系，认为当套管处于块状发育的层理裂缝岩体中，已被裂缝切割的块状岩体在水力压裂的作用下发生滑动，多段块状岩体的交错运动会造成多阶形态的套管变形。