0 引言

页岩气以非常规天然气的形式进入人们的视野，页岩地层基质渗透率和孔隙度极低，需要用水力压裂方法改造地层，提高地层渗流能力^[1-6]。然而四川长宁-威远地区的页岩气井在水力压裂过程中套管损坏现象频发。现场资料显示，截至2017年12月，某一区块共计实施52口井压裂施工，套损井28口，占比53.8%，其中的某一井区套损概率极高，为78.9%。套管损坏后，导致压裂封堵桥塞下入遇阻，不能到达预定位置，严重时甚至被迫放弃部分压裂井段，极大地影响了页岩气井的产量。

目前，页岩气水平井压裂过程中地层滑移导致剪切型套管损坏的事故大范围发生，国内外学者对其形成机理进行了多年研究，并取得了一定成果^[7-17]，但总体上都是采用数值解和数值模拟的方法，而通过室内试验手段研究地层滑移剪切型套损的研究很少。孙桂生^[18]采用高强度膨胀剂模拟地层应力，将模拟套管放入装置中间，膨胀剂装入实验装置一侧，通过膨胀剂膨胀来模拟井筒附近地层直接剪切套管；殷凤磊^[19]使用TS-1套管损害试验机对J55套管进行了直接剪切试验。这2个试验都模拟了地层剪切套管现象，但试验中的剪切力源都是直接推力，对实际地层中的剪切力来源未做解释，并且室内试验模拟有很大的简化。除此以外，在石油领域未见其他关于剪切套损室内试验装置的报道。

鉴于此，笔者针对页岩气水平井压裂过程中邻近水平段剪切套损的现象，设计了压裂过程中地层滑移室内模拟试验装置，采用该装置模拟了水力压裂过程中产生的地层不均匀隆起诱发水平层面的滑移过程，并基于非常态相似理论确定了试验模型与地层原型各参数之间的对应关系。最后在试验结果分析的基础上得出了地层变形和层间滑移的规律。研究成果对认识页岩气井剪切型套管变形及如何预防套管损坏具有一定的理论指导意义。

1 地层原型与试验模型对应关系 1.1 室内模拟试验的模拟内容

室内模拟试验模拟范围有限，主要模拟范围在纵向上为水力压裂裂缝破坏范围及其上覆地层直至地面，横向上为层理断裂面延伸范围，如图 1所示。页岩气井水力压裂引发的地层膨胀变形涉及从地下目的层直至地面纵向上几千米、横向上几百米的范围，体现出的问题是涉及范围广且横纵比例悬殊。为解决以上问题，使用模拟地层材料代替实际地层并采用非常态相似方法进行模拟试验。为了体现目的层层系结构，将模型分为Ⅰ、Ⅱ两部分，上层相似模型Ⅰ采用软质材料模拟上覆地层，下层相似模型Ⅱ采用多层硬质材料模拟龙马溪组龙1d~龙1a小层。

考虑到页岩气井水力压裂的特点，在整个模拟范围内可认为顶部自由，无限远处为固定边界，同时为了找到一种可调控且方便操作的替代这种能使地层抬升的作用力的方法，分析了底部注水加压、底部加膨胀剂、底部垫高度变化的刚性垫及顶部施加均匀垂向力等多种方法，最后确定模拟地层底部的作用力施加方式为底部注水加压，得出试验装置主体与模拟地层的结构示意图如图 2所示。

1.2 试验模型与地层原型几何参数、力学参数对应关系

岩石普遍存在弹性模量较大而抗拉强度较小的问题。模拟试验中，在模拟地层的水平断裂面产生极小滑移量时，模拟地层即发生断裂。为了克服这一问题，选择了抗拉能力较强、弹性模量与岩石相近的高分子材料来代替岩石，作为模拟地层。综合考虑各材料弹性模量、强度以及实际加工能力，选择聚氨酯为相似模型Ⅰ的模拟地层材料，聚氯乙烯作为相似模型Ⅱ的模拟地层材料。试验模型与地层原型参数如表 1和表 2所示。

对于本试验，在给定横向、垂向尺寸相似比和模拟地层的力学参数后，即可得出其余各参数的相似比以及相应的预测系数。由于试验模型和地层原型的横纵相似比不同，根据非常态相似理论，采用畸变补偿模型^[20]，得出上、下两层实际地层原型与试验模型的各参数相似比如表 3和表 4所示。

相似模型Ⅰ的各预测系数为：横向弹性模量δ₃=0.169 65，纵向弹性模量δ₅=0.169 65，纵向泊松比为δ₇=8.016 2，纵向应力δ₄=0.013 8，横向泊松比δ₆=0.117 55。

相似模型Ⅱ的各预测系数为：横向弹性模量δ₃=0.236 3，纵向弹性模量δ₅=0.236 3，纵向泊松比δ₇=3.412 8，横向泊松比δ₆=0.190 57，纵向应力δ₄=0.05 584。

2 地层滑移室内物理模拟试验 2.1 试验装置

物模试验设备主要分为底部水槽、加压装置及顶部固定装置。试验设备可固定模拟地层，使其在底部注水压力的作用下保持边界固定。顶部固定装置可采用法兰转换接头，顶部用于固定模拟地层。加工制作出的试验装置如图 3所示。

加压装置采用手摇式液体增压泵与平流泵组合的方式向装置内注入液体，达到增压的效果。手摇式液体增压泵体积200 mL，最大许用压力4 MPa。平流泵最大许用压力42 MPa，拥有电子调节增压面板，可免除手动加压带来的试验误差。试验中首先用手摇泵快速加压，泵内液体全部泵入设备，当压力接近试验压力时，改用平流泵缓慢精确增压，直至达到试验压力。图 4为物模试验增压装置图。

手摇式液体增压泵和平流泵与地层变形试验装置通过六通连接，同时在六通上安装压力表以测量内部液体压力。为了比较直观地观察到地层抬升，选用精度为0.001 mm、量程15.000 mm的千分表，并将位移测量器测量探头对准岩石中心，以实时监测地层中心垂向高度变化，达到对地层垂直位移进行精确测量的目的。测量装置如图 5所示。

2.2 地层滑移量的测量

地层滑移量的测量原理为：在模拟地层钻出孔眼后，在观察孔眼内灌注仍处于流体状的软胶液。在软胶液未凝固前对模拟地层施加试验力，使其变形。保持该作用力恒定，等待软胶凝固成固体。待软胶完全凝固定型后，将试验力卸载，取出软胶，取出后软胶的形态就是其凝固时的形态，即地层变形后的孔眼形态。通过对软胶形态的测来测量层间滑移量。

本试验选择凝固时间为12 h的环氧树脂软胶，如图 6所示。

试验中为防止软胶在孔眼内壁完全胶结、取出时发生破坏，设计了在孔眼中插入聚四氟乙烯管模拟套管的方式；另外，为了防止环氧树脂胶水在注入和试验过程中发生泄漏，将聚四氟乙烯管底部1~2 mm预先封固堵死。由于环氧树脂胶是透明的，为了便于观察，在环氧树脂胶中加入染色剂改变颜色。

为了避免孔眼附近应力集中的互相干扰，观察孔眼布局选择螺旋布局方式。模拟材料所钻孔眼均分布在螺旋线上，这样既可以使孔眼之间间隔距离相同，又可以避免孔眼之间直线距离过近。根据设计方案，绘制的观察孔眼分布图如图 7所示。图 8为直径40 cm的模拟地层材料实际钻孔位置。

由于观察孔眼内部的变形量较小，直接通过测量工具测量会产生较大误差。为了实现精确测量井筒变形量，在得到模拟井内部变形图后，首先拍照放大，对所放大的照片进行轮廓数据提取，将提取后的数据进一步处理，完成井筒形变量的测量。轮廓处理后井筒形变如图 9所示。

2.3 试验结果及分析

本次页岩压裂套损室内模拟试验共进行了3组，试验参数设置如表 5所示。3组试验变形后的模拟井内部形态如图 10所示。

试验后对模拟井内部泥页岩断裂面相对滑移量进行测量，得到3组不同地层厚度条件下地层滑移量数据。基于3组试验数据总体上可以发现，不同地层层间滑移量的变化趋势相同，都随着距中心点距离的增加呈先增大后减小的趋势，并且最大值集中在距中心点14~17 cm这一范围内。在实际地层中，这里的中心点就是水力压裂点。以试验2为例，在距中心点14.7 cm的第19组滑移量最大，达1.60 mm。试验2中上覆岩层-龙1d、龙1d-龙1c层间断裂面产生的滑移量分布如图 11所示。

同时从试验数据还可以看到，3组试验套管剪切滑移基本出现在上覆岩层-龙1d以及龙1d-龙1c这两个层间，在龙1c-龙1b少有分布，在龙1b-龙1a未出现滑移。滑移量大小也是从上至下逐渐减小。因此，不同地层埋深影响着地层滑移量的大小，即套管在纵向穿过地层发生多段套损时，其上部剪切滑移程度要大于下部剪切滑移程度。

为了解不同地层厚度下地层滑移量分布的规律，以3组试验数据为基础，绘制了不同地层厚度条件下地层滑移量与距中心点距离的关系曲线，如图 12所示。3组试验上覆地层厚度相同，试验3龙1d层厚度最大，试验1厚度最小。从试验结果上来看，试验3的平均滑移量为1.33 mm，试验1平均滑移量为0.90 mm，试验2平均滑移量为0.94 mm，试验3的滑移量明显高于另外两组试验，试验2的滑移量与试验1的滑移量接近。因此，不同的地层厚度影响着地层滑移量的大小，即当套管穿过层厚较大的页岩地层时，滑移量往往要比低厚度地层大。

3 结论

(1) 基于非常态相似理论，解决了完全相似模型试验中模型尺寸受限制的问题，并确定了岩层间滑移模拟试验的模拟地层参数。

(2) 地层滑移量主要与距地层变形中心的距离有关，即与距水力压裂点的距离有关，总体上，从地层膨胀中心，滑移量逐渐开始增大，在距中心点14~17 cm范围内达到最大值，之后开始快速下降。

(3) 不同的地层厚度以及不同的地层埋深影响着地层滑移量的大小，当套管穿过层厚较大的页岩地层时，滑移量要比低厚度地层大，当套管在纵向穿过地层发生多段套损时，其上部剪切滑移程度要大于下面部分。