段内多簇压裂工艺（压裂工艺2.0）推动了页岩气压裂技术全面升级换代，降本增效成果显著^[1–4]。其技术原理是，通过缩短簇间距、增加段内裂缝数量，增大裂缝表面与基质的接触面积以及流体渗流距离，达到最大限度改造储层的目的。然而，随着该工艺在深层页岩气储层的大规模推广应用，也出现了一些新的工程问题^[5–8]，其中套管变形和井间压窜问题最为突出。以泸州区块为例，套管变形占比40%以上，井间压窜占比60%以上。大量研究表明^{[5–6, 9–11]}，这两个工程问题主要是由于水力压裂激活了断层引起的，因此有必要深入研究页岩气多簇压裂断层活化的机理和防控技术。

截至目前，针对页岩气断层活化的问题，许多学者开展了研究^[12–27]。在室内试验方面，通常采用自制裂缝模拟断层的方法，对断层滑动过程和特征进行研究，主要包括单一直剪^[12–13]、双直剪^[14]、旋转剪切^[15–16]和三轴剪切^[17–18]试验等。J. H. Dieterich^[19]在西风花岗岩上进行了直接剪切试验，模拟了断层的剪切滑动，分析了断层的力学响应与相关物理参数之间的关系，提出了能够再现断层滑动模式的弹簧−滑块模型。Zhang Fengshou等人^[20]针对龙马溪组页岩开展了高温高压页岩断层的三轴剪切试验，明确矿物成分的非均质性是断层稳定性的内在因素。Zhao Chengxing等人^[21]针对含锯切裂缝的页岩进行了三轴力学试验，并利用声发射技术实时监测剪切滑移过程，将断层滑移的全过程划分为孔隙压密、弹性变形、塑性变形剪切和塑性剪切滑移4个阶段。为了量化表征断层滑动特征，An Mengke等人^[22]开发了断层的宏观本构滑移模型，该模型继承了微观本构的断层滑移演化机制，同时考虑了断层的愈合效应，适用于宏观滑移过程的模拟。刘奎^[23]建立了3种类断层滑动的半解析结构模型，计算和分析了不同地层条件下断层不同位置的滑动位移。在现场压裂施工诱发断层活化方面，Zhang Fengshou等人^[24]通过建立断层滑动的水力压裂数值模型，研究了压裂施工参数与断层活化之间的定量关系。刘伟和路千里等人^[25–26]开展了地质工程因素对断层滑动的影响，并建立了断层滑动与套管变形之间的量化关系。关于断层活化的模式问题，T. S. Eyre等人^[27]提出了孔压驱动断层活化的3种模式：孔隙压力直接作用于断层，孔隙压力间接传递于断层，微细裂缝无震滑动沟通激活断层。陈朝伟等人^[28]提出了流体通道−断层活化的3种流体通道模型：水力裂缝、层理裂缝和井壁通道。以上研究表明，断层活化主要由水力压裂引起，但缺少多簇压裂工艺和断层活化的相关性分析，关于断层活化的演化过程不清楚，控制断层活化的针对性措施较少。

基于此，笔者针对段内多簇压裂断层活化的问题，首先通过区域地质工程数据，分析了多簇水力裂缝扩展特征与断层活化的相关性；在此基础上，提出了多簇水力裂缝非均衡扩展诱导断层活化的模型，厘清了多簇扩展过程和断层活化之间的关系，揭示了段内多簇压裂断层活化的机理；最后，提出了基于均衡压裂理念的防控方法以及具体措施。通过上述页岩气多簇压裂断层活化机理与控制方法研究，以期为解决四川页岩气井套管变形和压窜问题提供指导。

1.   微地震、井下电视及光纤的监测特征

针对断层活化引起套管变形或井间压窜的压裂段，通过微地震监测观察了水力裂缝扩展特征。图1为四川盆地泸州区块某典型深层页岩气平台压裂的微地震监测结果，图中A−1、A−2和B−1、B−2、B−3分别为A平台和B平台的页岩气井。

图  1  四川盆地泸州区块某典型页岩气平台的微地震监测结果

Figure  1.  Microseismic monitoring results of a typical shale gas platform in Luzhou Block of Sichuan Basin

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由图1可知：微地震事件点分布很不均匀，不同压裂段，裂缝的延伸长度可能相差数倍；未受到断裂带影响的压裂段，微地震事件在井筒两侧近似对称分布；受断裂带影响的压裂段，一旦在断层处出现事件点，沿着断层方向的事件点会不断产生并向远处呈线性快速发展，其他部位产生的事件点逐渐减少，呈单侧过度扩展的非均匀分布特征，在事件点分布的断层路径上，诱发跨井和跨平台的远距离套管变形或压窜等问题。

采用射孔成像监测技术观察多簇压裂后孔眼的磨蚀形貌，根据磨蚀程度评价多簇射孔孔眼的进液能力的差异，可知磨蚀程度越大的孔眼进入的携砂液越多。监测发现，压裂前后孔眼形状和大小的差异很大，磨蚀程度极不均匀，压裂段内70%以上的孔眼没有磨蚀或仅有少量磨蚀，10%左右的孔眼被严重磨蚀，跟部较趾部的射孔簇孔眼磨蚀更严重，重力低边较重力高边的磨蚀更严重，呈“大肚子状”、“蝌蚪状”等超大孔眼形态，与玛湖致密油储层井下电视监测结果相似，典型图像如图2所示^[29]。针对断裂带影响的压裂段，孔眼非均匀的磨蚀程度最高，表明各簇孔眼吸收压裂液和支撑剂的效果差异最大，且簇数越多差异越大。另外，采用光纤监测方法观察页岩气水平井各簇进液量和产气贡献率，通过对比各簇进液量和产气量的差异，进一步反映了断层对下一个压裂段内各个射孔簇改造效果的影响程度，如图3所示^[30–31]。

图  2  射孔孔眼磨蚀的典型图像

Figure  2.  Typical images of perforation bore abrasion characteristics

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图  3  基于井下光纤监测的簇进液量和产气量分布特征

Figure  3.  Distribution characteristics of fluid intake and gas production in cluster based on downhole optical fiber monitoring

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2.   多簇非均衡扩展诱导断层活化模型

通过综合分析上述现场数据可知，断层对多簇水力裂缝扩展具有重要的影响。为了深刻认识两者之间的关系，建立了多簇水力裂缝非均衡扩展诱导断层活化模型，如图4所示。模型解释如下：随机发育的断层/裂缝使页岩表现出强烈的非均质性，多裂缝竞争扩展过程中，当某一簇或少数几簇主裂缝延伸路径上发育断层/裂缝时，由于断层/裂缝对水力裂缝具有极强的捕获能力，这些与断层/裂缝系统连通主裂缝的流动阻力最小，井筒内的压裂液不断向断层汇集，形成一条高速流动的流体通道，其他通道受到抑制甚至停止扩展，使多簇水力裂缝呈强非均衡特征，断层成为主要流体通道后，孔隙压力升高，到达滑动的临界应力状态后被激活。因此，利用这个模型，揭示了高压流体注入−多簇非均衡扩展−断层活化的演化机理：断层诱导多簇水力裂缝非均衡扩展，水力裂缝非均衡扩展反作用于断层，加速诱发断层活化。

图  4  多簇水力裂缝非均衡扩展诱导断层活化模型

Figure  4.  Fault activation model induced by non-equilibrium propagation of multi-cluster hydraulic fractures

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为了直观展现断层影响下多簇水力裂缝的非均衡扩展过程，开展了室内真三轴压裂物理模拟试验。制备的物模试样为300 mm×300 mm×300 mm的长方体，预设3簇裂缝的簇间距为75 mm；在第2簇水力裂缝的延伸路径上预先浇筑60 mm×30 mm×10 mm的小长方块，并在内部填充不连续碎纸片模拟断层，模拟断层与第2簇起裂点的最近距离为2 cm，与最小水平地应力方向（井筒）呈45°。典型试样的压后裂缝形态与流量曲线分别如图5、图6所示（${\mathrm{\sigma }}_{\mathrm{H}}$和${\mathrm{\sigma }}_{\mathrm{h}}$分别为最大和最小水平地应力）。

图  5  多簇水力裂缝扩展的物理模拟试验结果

Figure  5.  Experimental results of physical simulation for propagation of multi-cluster hydraulic fractures

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图  6  多簇水力裂缝扩展的流量曲线和声发射能量曲线

Figure  6.  Flow and acoustic emission energy curves for propagation of multi-cluster hydraulic fractures

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从图5、图6可以看出：受断层的影响，应力阴影作用下应该受到抑制的第2簇与断层连通后，成为优先发展通道，吸收大部分的流体（见图6），而其他2簇受到抑制，吸收的流体减少（见图6）；监测的声发射事件点（见图5（b））主要在中间位置产生，与实际裂缝形态（见图5（a））吻合程度高。

针对四川盆地页岩气断层活化和岩性界面滑移导致的套管变形问题，利用该模型，可以解释现场采用“多簇射孔+暂堵”工艺没有取得控制效果的原因。从理论上讲，采用多簇射孔工艺，增加了段内射孔簇数，使分配到单簇的液量和排量减少，降低了流体集中汇入断层的风险。但实际上，由于受断层的影响，多簇水力裂缝并非均衡扩展，注入的高压流体大部分沿着阻力最小的断层通道流动，无法做到均匀分配，当与断层连通后，地面泵注的压裂液通过少部分射孔簇集中沟通断层，最终诱导断层活化。另外，由于携砂液对孔眼过度打磨，目前常规的暂堵材料不能有效封堵与断层/岩性界面连通的异形孔眼，断层/岩性界面的流体通道不能被有效切断，导致最终无法抑制断层的活化。

3.   断层活化的地质工程条件

上述研究结果表明，当断层诱导多簇水力裂缝非均衡扩展、大部分流体沿着少数射孔簇集中注入断层时，达到临界条件后断层发生活化。针对四川盆地页岩气储层的地质工程特征，下面进一步分析断层活化的临界条件。

3.1   断层活化的力学条件

断层活化在本质上是一种摩擦作用，可采用经典的库仑准则进行分析：

式中：$\tau$为断层面上的剪应力，MPa；${S}_{\mathrm{o}}$为摩擦面的内聚力，MPa；$\mu$为摩擦因数；${\sigma }_{\mathrm{n}}$为断层面上的有效正应力，MPa。

由于天然裂缝的内聚力与作用于断层面上的剪应力和正应力相比非常小，可以忽略不计，即${S}_{{\mathrm{o}}}$=0。由库仑准则可知，当断层面剪应力比滑动阻力（$\mu {\sigma }_{{\mathrm{n}}}$）小时，断层保持稳定；当剪应力接近和超过滑动阻力时，断层发生滑动。在较高的有效正应力（≥10 MPa）作用下，断层面摩擦因数（$\mu$）与表面粗糙度、正应力、滑动速度等都无关。研究表明，页岩断层面的摩擦因数在一个较小的范围内（0.6～0.7^[32]）浮动。

通过莫尔圆可以直观分析三维地下环境中任一断层面的受力状态和活化条件，基于莫尔圆的断层面受力分析如图7所示（图7中， ${\sigma }_{1}$，${\sigma }_{2}$和${\sigma }_{3}$分别表示三向有效主应力，MPa；${S}_{1}$，${S}_{2}$和S₃分别表示三向绝对主应力，MPa；${\beta }_{1}$，${\beta }_{3}$分别表示断层面的法线方向与最大和最小主应力的夹角，（°））。莫尔圆内点P，对应某一特定方向一个平面上的正应力和剪应力。当点P处于破坏线上时，剪应力等于滑动阻力，断层处于临界应力状态；当点P在破坏线的下方时，剪应力比滑动阻力小，断层不滑动；当点P在破坏线的上方时，剪应力大于滑动阻力，断层发生滑动。

图  7  基于莫尔圆的断层面受力分析

Figure  7.  Stress analysis of fault based on Mohr circle

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孔隙压力对摩擦滑动的作用是通过有效正应力$（{\sigma }_{{\mathrm{n}}}）$引入的，有效正应力定义为：

式中$：{T}_{n}$为绝对应力（n=1, 2, 3），MPa：${p}_{{\mathrm{p}}}$为孔隙压力，MPa。

如果增加孔隙压力（例如水力压裂），会引起有效正应力降低，莫尔圆会向左平移。式（1）可以进一步简化为：

基于上述分析，可知断层的活化主要取决于3个因素：地质因素（断层的走向和倾角）、地质力学因素（地应力、摩擦因数）、工程因素（施工压力）。在这3个因素中，断层/裂缝倾角方位、地应力、断层/裂缝摩擦强度都是客观存在的，它们是不变的，而施工压力是压裂工程参数，是可变可调的，可作为断层滑动的主动变量。

3.2   断层活化的地质条件

四川盆地页岩气储层受多期构造演化影响，断层裂缝异常发育，以上冲断层为主，在背斜核部形成对冲和冲起构造。通过地震剖面可见，断层多发育为高角度断层。由于强构造挤压作用，区域孔隙压力远高于静水压力，属于异常高压，水平最小地应力和垂直应力非常接近，表现为逆走滑断层应力特征。以泸州区块为例，基于实际资料解释和分析得到，孔隙压力在70～80 MPa，垂向应力在90～100 MPa，水平最小地应力在80～90 MPa，水平最大地应力在100～110 MPa。

基于上述断层活化的力学原理，可以分析不同地应力模式的影响，假设绝对应力${\sigma }'_{1}$=35 MPa，${\sigma }'_{2}$=26 MPa，${\sigma }'_{3}$=25 MPa，孔隙压力当量密度为2.0 kg/L，以一条方位角为147°、倾角为79°的实际高角度断层为例分析，结果如图8所示（红色圆点为走滑断层应力模式结果，黄色圆点为逆断层应力模式结果，蓝色圆点为正断层应力模式结果）。

图  8  不同应力模式下的断层受力分析结果

Figure  8.  Fault stress analysis under different stress modes

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由图8可知，对于高角度断层，在走滑断层应力模式下，剪切应力较大，而滑动阻力较小。而对于正断层应力模式或逆断层应力模式，这类断层不容易发生滑动。

针对走滑应力状态模式，进一步分析容易激活断层的产状特征，结果如图9所示。

图  9  走滑断层应力状态下不同产状断层受力分析结果

Figure  9.  Stress analysis of faults with different occurrence states under strike-slip fault stress state

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由图9可知：断层倾角越大，活化概率越大；断层走向与水平最大地应力方向夹角在15°～45°时，处于临界应力状态，活化风险最高。陈朝伟等人^[33]通过现场微地震数据统计分析，发现活化断层的倾角在71º～90º，都是高倾角，从而进一步验证了这一结论。

上述分析结果表明，在现今地应力和孔隙压力作用下，处于优势方位的断层带处于临界应力状态，剪应力接近滑动阻力，其他方位断层带的剪应力与滑动阻力的差值在逆走滑应力模式下取得最小值，这是川南页岩气断层带滑动的内部原因，是根本原因。

3.3   断层活化的工程条件

通过统计分析四川盆地长宁、泸州等区块250余口压裂井的数据资料发现，瞬时停泵压力的当量密度主要集中在2.5～3.0 kg/L，平均为2.85 kg/L，如图10所示。

图  10  四川盆地不同页岩气区块停泵压力的当量密度

Figure  10.  Equivalent density at shut down pressure in different shale gas blocks of Sichuan Basin

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从图10可以看出，整体上，瞬时停泵压力都比较大，大部分超过垂直应力。

基于上述地质力学原理可知，在高施工压力作用下，井底压力升高幅度大，断层内部流体压力升高，导致有效应力降低，莫尔圆左移，处于临界应力状态的高角度发育断层优先被激活，这是水力压裂诱发断层滑动的外部原因，如图11所示。

图  11  水力压裂诱发断层活化的受力分析结果

Figure  11.  Stress analysis of fault activation induced by hydraulic fracturing

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4.   基于均衡压裂理念的控制方法

基于上述研究，认为断层活化与多簇水力裂缝非均衡扩展导致断层通道集中进液有关。随着断层不断吸收流体，断层面滑动阻力降低，逐渐改变了断层面上滑动阻力与剪应力之间的平衡，最后引起断层的活化，触发套管变形或井间压窜等工程问题。基于这一认识，笔者提出“均衡压裂”的控制理念，即通过控制水力裂缝的均衡扩展，让压裂液均匀分配到各个射孔簇，避免沿少量通道集中流入断层，从而降低断层活化的概率。基于均衡压裂理念，具体提出“短段少簇”“一堵一疏”“一簇一压”3种新型控制工艺。

4.1   “短段少簇”工艺

现场数据分析结果表明，断裂带影响下射孔簇数越多，孔眼非均匀磨蚀程度越高，多簇水力裂缝非均衡扩展程度越高。因此，为了促进多簇水力裂缝的均衡扩展，建议针对断层影响的风险井段，采用“短段少簇”工艺，减少段内射孔簇数（2～4簇），适当增大间簇距，降低簇间干扰和不均匀程度，提高水力裂缝均衡扩展程度，如图12所示。同时，采用控液量、控排量的“双控”措施^[34-35]，结合现场微地震监测实时调整泵注参数，控制水力裂缝扩展速度和规模。特别是极高风险井段或井筒已经发生轻微变形的井段，可以采取只射孔不压裂的方式。需要注意的是，“短段少簇”工艺会较大程度地增加施工成本、增长施工周期，建议在断层影响的风险井段进行应用。

图  12  段内多簇和“短段少簇”压裂工艺示意

Figure  12.  “Multiple clusters within segments” technology and “short segments with few clusters” technologies

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4.2   “一堵一疏”工艺

针对目前段内多簇主体压裂技术，提出采用“一堵一疏”工艺，在施工过程中及时控制优势水力裂缝的扩展、避免过度延伸，实现均衡压裂。“一堵一疏”工艺如图13所示。

图  13  “一堵一疏”工艺示意

Figure  13.  “One blockage with one drainage” technology

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其中，“堵”的技术原理是，采用暂堵球对井筒内优势进液的孔眼进行封堵，限制流体集中进入少数射孔簇，从源头上切断井筒和断层的连接通道，促进其他受抑制的射孔簇有效扩展。目前，针对各种不规则形状的射孔孔眼，常规特定形状的暂堵材料（如绳结暂堵剂、暂堵球等）难以有效封堵，建议采用易变形、可承压强、能降解的新型自适应暂堵剂。这种暂堵剂进入要封堵孔眼的位置后，在流体压力的作用下，可根据孔眼形状发生变形，满足不同孔眼形状的自适应封堵目的。“疏”的技术原理是，采用微粉材料（粒径200目以上）作为支撑剂，可以确保其顺利进入地层内部，并渗透到主裂缝周围的微细裂缝或层理缝中。通过冲蚀和打磨这些微通道，扩宽更多的流体通道，将压裂液沿单一主裂缝方向的线性流动变为多方向的径向流，进一步分散流体，避免集中进入断层。

综上所述，通过在井筒内封堵射孔孔眼和地层内疏通流体通道的“一堵一疏”工艺，改变流量的分配方式，限制优势流体通道−断层的过度发展，降低断层活化的概率。

4.3   “一簇一压”工艺

针对段内多簇压裂簇效率不高、多簇水力裂缝不能均衡延伸的问题，提出了“一簇一压”工艺。其技术原理是，采用连续油管拖动井下工具对长水平段进行射孔−压裂一体化精细逐簇改造，实现对每簇施工参数以及压裂规模的精准调控，从而达到均衡压裂的效果，如图14所示。

图  14  “一簇一压”工艺示意

Figure  14.  “Fracturing cluster by cluster” technology

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特别是断层发育的高危风险段或者已经发生轻微套变的风险段，常规多簇压裂工艺容易出现多裂缝非均衡延伸激活断层的问题，采用“一簇一压”工艺可以防止断层进一步活化导致更大的套管变形，通过针对风险段进行压裂参数个性化设计，并在压裂过程中根据微地震信号特征分析与断层的连通情况，及时调整施工方案，从而实现提早预防断层活化的目的。相比常规多簇压裂工艺，这种工艺对施工的整体排量和加砂强度要求降低，施工压力更低，但是折算成平均单簇排量更高，最高可达6～8 m³/min，段内多簇工艺的平均单簇排量为3～4 m³/min，因此平均单簇的改造规模更大。为了更进一步保证压裂效果，可以增加井下脉冲射流装置，目的是利用高压水射流原理，将地面连续射流在井底转为高压脉动射流，通过提升射流冲击能力，增加裂缝复杂程度。研究表明^[36–37]，同等排量下脉动瞬时速度是连续射流的5倍以上，形成的脉动冲击波可快速提升缝内净压，形成多分支裂缝，实现裂缝不断延伸扩展形成复杂体积裂缝。当然，这种工艺比较大的缺点是，施工效率较低，因此建议在高危风险段或已经发生轻微套管变形的井段进行应用。另外，由于连续油管等井下作业工具承压能力有限，现场施工时需要根据现场施工压力进行评估，优选合适的页岩气井进行作业。

5.   结论与建议

1）建立了多簇非均衡扩展诱导断层活化模型，揭示了页岩气断层活化机理。利用该模型，厘清了断层、多簇扩展和断层活化之间的关系：断层诱导多簇裂缝非均衡扩展，裂缝非均衡扩展反作用于断层，导致断层活化。

2）基于地质力学原理，得到高角度发育的断层处于临界应力状态是断层活化的根本原因，高施工压力是断层活化的外部原因。

3）依据机理，提出了“均衡压裂”控制断层活化的理念，核心在于通过促进多簇水力裂缝的均衡扩展，避免压裂液沿着少数通道集中进入断层。在此基础上，提出“短段少簇”、“一堵一疏”和“一簇一压”等3种新的具体策略，有望成为有效控制断层活化的方法，建议尽快开展现场试验，评价应用效果。