潘莊區(qū)塊煤層氣井井徑擴(kuò)大主控因素研究

徐濤 倪小明

(1.重慶市能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司，重慶 400060;2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作 454003)

井徑擴(kuò)大會給鉆井工作及后續(xù)開發(fā)增加難度。在進(jìn)行煤層氣井施工過程中，井徑擴(kuò)大會給施工帶來較大損失，因為井徑擴(kuò)大一方面造成固井困難，而固井是一次性工程，井徑擴(kuò)大嚴(yán)重時，可能導(dǎo)致該煤層氣井報廢;另一方面，井徑擴(kuò)大，造成鉆井液滲入煤層，使煤儲層傷害嚴(yán)重，影響后期壓裂施工及產(chǎn)氣;固井時可能使井徑再次擴(kuò)大，而且固井水泥可能造成煤儲層更大傷害。黃立新從鉆井液密度方面探討了其對井徑擴(kuò)大的影響，并編制了相應(yīng)的預(yù)測井徑擴(kuò)大的方法。施尚明等人利用X-射線衍射、掃描電鏡等實驗，分析與泥巖層地區(qū)不同的砂巖層巖石力學(xué)參數(shù)的主要影響因素，同時提出預(yù)防井徑擴(kuò)大的建議，為高滲砂巖層井徑異常擴(kuò)大的預(yù)防提供指導(dǎo)。因此，查明影響煤層氣井井徑擴(kuò)大的主控因素對高效開發(fā)煤層氣具有重大的意義。本文依據(jù)潘莊區(qū)塊3#煤層，從煤層傾角、巖體強(qiáng)度因子、軟煤比例及軟煤厚度來探討影響井徑擴(kuò)大的主控因素。

1 研究區(qū)煤體結(jié)構(gòu)特征

1.1 研究區(qū)煤厚及煤層埋深

本區(qū)含煤地層為石炭—二疊系的太原組和山西組，總厚度約127～178 m，平均厚度146 m，含煤21層，總厚度9.9～17.8 m，平均厚度13.4 m，含煤系數(shù)9.10%。從測井揭露的資料看，潘莊區(qū)塊3#煤厚6.02～6.73 m，平均厚度6.18 m，厚度較大。其埋深位于327.42～429.42 m，平均埋深為347.23 m。

1.2 研究區(qū)煤體結(jié)構(gòu)的劃分

煤層氣井鉆井過程中井身質(zhì)量的好壞不僅影響固井質(zhì)量及排采能力，而且對煤儲層本身有著重要的影響。由于煤巖的力學(xué)性質(zhì)一般弱于泥巖、砂巖、灰?guī)r等油氣儲層，因此，煤層氣鉆井若完全采用石油鉆井方式可能會引起井徑的嚴(yán)重擴(kuò)大或坍塌。因此，研究不同結(jié)構(gòu)的煤體對井徑的影響程度對煤層氣鉆井具有一定的實際價值。

不同煤體結(jié)構(gòu)類型的劃分主要是通過煤層測井曲線幅值大小和形態(tài)特征對比、數(shù)據(jù)采集來實現(xiàn)的。因此，利用鉆孔測井曲線研究煤體結(jié)構(gòu)時，以不同煤體結(jié)構(gòu)類型的測井曲線反映為依據(jù)，由已知到未知，由點到面逐步展開。本文根據(jù)視電阻率曲線異常根部突變點參考自然伽瑪和密度，對部分煤層氣井進(jìn)行軟煤和硬煤測井響應(yīng)劃分，進(jìn)而得出不同井的軟煤比率。

基于上述劃分方法，依據(jù)潘莊區(qū)塊各煤層氣井測井曲線視電阻率值的相對大小劃分出所對應(yīng)的軟煤和硬煤，并計算出軟煤所占百分比及井徑擴(kuò)大值。潘莊3#煤層部分煤層氣垂直井的軟煤所占百分比及井徑擴(kuò)大值見表1和圖1。

表1 潘莊區(qū)塊3#煤層部分煤層氣井煤體結(jié)構(gòu)一覽表

圖1 潘莊區(qū)塊3#煤層軟煤比率等值線圖

2 研究區(qū)井徑擴(kuò)大主控因素探討

井徑擴(kuò)大的影響因素很多，包括不同區(qū)域、不同地應(yīng)力和不同的煤層埋藏深度等，各影響因素所起的作用也各不相同。本文主要從煤層傾角、巖體強(qiáng)度因子、軟煤比例和軟煤厚度幾個方面進(jìn)行研究，以期查明影響井徑擴(kuò)大的主控因素。

2.1 煤層傾角對井徑擴(kuò)大的影響

鉆井時，鉆頭有與煤層接觸面積最大的趨勢，當(dāng)煤層為水平煤層時，鉆頭與水平面垂直;當(dāng)煤層為傾斜時，鉆頭有向煤層面垂直的趨勢，此時可能造成井徑擴(kuò)大。由于研究區(qū)沒有實測煤層傾角資料，本文根據(jù)各井煤層間距及底板標(biāo)高間接求取，進(jìn)一步查明潘莊區(qū)塊煤層傾角對井徑擴(kuò)大的影響(表2)。應(yīng)用線性回歸方法，對傾角和井徑擴(kuò)大關(guān)系進(jìn)行分析，潘莊區(qū)塊3#煤層傾角與井徑擴(kuò)大關(guān)系見圖2。

表2 潘莊區(qū)塊部分煤層氣井煤層傾角及井徑擴(kuò)大關(guān)系表

圖2 潘莊區(qū)塊3#煤層傾角與井徑擴(kuò)大關(guān)系圖

由表2和圖2可知，潘莊區(qū)塊3#煤層的傾角與井徑擴(kuò)大的相關(guān)性系數(shù)極低，基本上對井徑擴(kuò)大沒有影響。究其原因，一方面是因為該區(qū)塊煤層傾角較小，均在5°以下;另一方面是由于該區(qū)煤層埋深淺，煤層在較小的范圍內(nèi)，傾角不會發(fā)生較大變化。

2.2 巖體強(qiáng)度因子對井徑擴(kuò)大的影響

巖體強(qiáng)度因子從某種程度反映了煤巖體的強(qiáng)度和煤巖體的變形程度。對于巖體強(qiáng)度因子高值區(qū)，剛性巖層發(fā)育，煤巖層容易發(fā)生脆性變形以斷裂為主;對巖體強(qiáng)度因子低值區(qū)，塑性巖層發(fā)育，巖體變形以韌性為主，往往以形成褶皺和順煤層剪切或滑動為特征。對于煤體變形而言，在巖體強(qiáng)度因子高值區(qū)發(fā)育的斷裂兩側(cè)分布變形程度較高的軟煤，但分布范圍有限;對于巖體強(qiáng)度因子低值區(qū)容易形成順煤層剪切或滑動，形成大面積分布的軟煤。所以，在巖體強(qiáng)度因子低值區(qū)容易發(fā)生井徑擴(kuò)大。為查明巖體強(qiáng)度因子對井徑擴(kuò)大的影響，對潘莊區(qū)塊部分煤層氣井巖體強(qiáng)度因子進(jìn)行統(tǒng)計計算(表3)。并應(yīng)用線性回歸方法，對巖體強(qiáng)度因子與井徑擴(kuò)大關(guān)系進(jìn)行分析，潘莊區(qū)塊3#煤層巖體強(qiáng)度因子與井徑擴(kuò)大關(guān)系見圖3。

圖3 潘莊區(qū)塊3#煤層巖體強(qiáng)度因子與井徑擴(kuò)大關(guān)系圖

由表3和圖3可知，潘莊區(qū)塊3#煤層巖體強(qiáng)度因子與井徑擴(kuò)大的相關(guān)性系數(shù)相對較大，其與井徑擴(kuò)大具有一定的關(guān)聯(lián)性，即隨著巖體強(qiáng)度因子的增強(qiáng)，井徑擴(kuò)大隨之減小。這主要是由于隨著強(qiáng)度因子的增強(qiáng)，煤巖中軟煤所占的比例隨之減小，井徑擴(kuò)大率也隨之降低。

2.3 軟煤比例對井徑擴(kuò)大的影響

軟煤比例在一定程度上反映了煤體的強(qiáng)度，軟煤比例較高的地區(qū)，強(qiáng)度較低，在進(jìn)行鉆進(jìn)的過程中容易發(fā)生塌孔，井徑容易發(fā)生擴(kuò)大。為查明軟煤所占比例對井徑擴(kuò)大的影響，依據(jù)資料，對潘莊區(qū)塊部分煤層氣井軟煤所占比例進(jìn)行統(tǒng)計計算，并應(yīng)用線性回歸方法，對軟煤所占比例與井徑擴(kuò)大關(guān)系(見表4和圖4)進(jìn)行分析。

表4 潘莊區(qū)塊部分煤層氣井軟煤所占比例及井徑擴(kuò)大一覽表

圖4 潘莊區(qū)塊3#煤層軟煤所占比例與井徑擴(kuò)大關(guān)系圖

由表4和圖4可知，潘莊區(qū)塊3#煤層軟煤比例與井徑擴(kuò)大的相關(guān)性系數(shù)相對較大。并隨著軟煤所占比例的增多，井徑擴(kuò)大也隨之增大。究其原因，一方面軟煤比例增多，煤體強(qiáng)度降低;另一方面是當(dāng)軟煤比例較大時，在鉆井施工過程中會發(fā)生塌孔現(xiàn)象，鉆孔井徑隨之?dāng)U大。

2.4 軟煤厚度對井徑擴(kuò)大的影響

軟煤的強(qiáng)度要比硬煤小，而且隨著軟煤厚度的增加，煤體的整體強(qiáng)度隨之降低。在鉆進(jìn)過程中，軟煤厚度越大，發(fā)生塌孔的概率越大，井徑擴(kuò)大的幾率也隨之增加。為查明軟煤厚度對井徑擴(kuò)大的影響，依據(jù)資料，對潘莊區(qū)塊部分煤層氣井軟煤厚度進(jìn)行統(tǒng)計計算，并應(yīng)用線性回歸方法，對軟煤厚度與井徑擴(kuò)大關(guān)系(見表5和圖5)進(jìn)行分析。

表5 潘莊區(qū)塊部分煤層氣井軟煤厚度與井徑擴(kuò)大一覽表

圖5 潘莊區(qū)塊3#煤層軟煤厚度與井徑擴(kuò)大關(guān)系圖

由表5和圖5可知，潘莊區(qū)塊3#煤層軟煤厚度與井徑擴(kuò)大的相關(guān)性系數(shù)相對較大，隨著軟煤厚度的增大，井徑擴(kuò)大明顯。一方面由于軟煤厚度增大，煤體強(qiáng)度降低，井徑擴(kuò)大可能性增加;另一方面是較厚的軟煤，在鉆井施工過程中會發(fā)生塌孔現(xiàn)象，鉆孔井徑也隨之?dāng)U大。綜上所述，通過對比分析潘莊區(qū)塊3#煤層傾角、巖體強(qiáng)度因子、軟煤比例及軟煤厚度對井徑擴(kuò)大的影響，可以看出軟煤比例對井徑擴(kuò)大的影響最大，巖體強(qiáng)度因子及軟煤厚度次之，煤層傾角對井徑擴(kuò)大的影響最小，基本上無影響。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)測井曲線視電阻率值的相對大小，劃分出了潘莊區(qū)塊部分煤層氣井對應(yīng)的硬煤和軟煤，并對軟煤所占比例進(jìn)行了統(tǒng)計，展現(xiàn)了區(qū)塊內(nèi)軟煤比例的空間展布規(guī)律。

(2)通過統(tǒng)計計算并應(yīng)用線性回歸方法，對比分析了煤層傾角、巖體強(qiáng)度因子、軟煤比例及軟煤厚度對井徑擴(kuò)大的影響，得出了軟煤比例與井徑擴(kuò)大的關(guān)系最為密切，巖體強(qiáng)度因子及軟煤厚度與井徑擴(kuò)大具有一定的相關(guān)性，煤層傾角對井徑擴(kuò)大基本上無影響。

(3)通過對比分析煤層傾角、巖體強(qiáng)度因子、軟煤比例及軟煤厚度對井徑擴(kuò)大的影響，為后續(xù)的固井及煤層氣的高效開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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