影響煤層氣水平井井壁穩(wěn)定性的地質(zhì)因素分析

楊 健倪元勇王生維秦 義劉 偉胡 奇（.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北武漢 007；2.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局機(jī)械部，北京 00088；.華北油田公司鉆采部，河北任丘 062550；.華北油田公司采油工程研究院，河北任丘 062550）

引用格式：楊健，倪元勇，王生維，等.影響煤層氣水平井井壁穩(wěn)定性的地質(zhì)因素分析［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：5-9.

影響煤層氣水平井井壁穩(wěn)定性的地質(zhì)因素分析

楊 健1，2倪元勇3王生維1秦 義4劉 偉1胡 奇1（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北武漢 430074；2.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局機(jī)械部，北京 100088；3.華北油田公司鉆采部，河北任丘 062550；4.華北油田公司采油工程研究院，河北任丘 062550）

引用格式：楊健，倪元勇，王生維，等.影響煤層氣水平井井壁穩(wěn)定性的地質(zhì)因素分析［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：5-9.

摘要：通過(guò)煤礦井下實(shí)測(cè)，直觀描述了煤層水平孔的失穩(wěn)、垮塌特征，統(tǒng)計(jì)分析了煤層水平孔穩(wěn)定性與埋深、煤堅(jiān)固性之間的關(guān)系，并應(yīng)用晉城地區(qū)現(xiàn)有煤層氣水平井的實(shí)際排采數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。認(rèn)識(shí)到影響煤層氣水平井井壁穩(wěn)定性的主要地質(zhì)因素是：小微構(gòu)造、地應(yīng)力、埋藏深度，其中小微構(gòu)造導(dǎo)致水平井眼易穿過(guò)構(gòu)造軟煤區(qū)，地應(yīng)力、埋藏深度會(huì)增加井壁的受力導(dǎo)致井壁失穩(wěn)垮塌。研究結(jié)果為從地質(zhì)方面預(yù)防井壁失穩(wěn)提供了理論依據(jù)。

關(guān)健詞：煤層氣水平井；失穩(wěn)垮塌；小微構(gòu)造；埋藏深度；地應(yīng)力

煤層氣多分支水平井技術(shù)是一種集鉆井、完井和增產(chǎn)措施于一體的先進(jìn)技術(shù)［1］，能夠克服晉城地區(qū)煤儲(chǔ)層裂隙不發(fā)育、滲透性低，地勢(shì)險(xiǎn)峻，井場(chǎng)建設(shè)困難等缺陷［2］。2004年以來(lái)晉城地區(qū)已投產(chǎn)86口水平井，但高產(chǎn)井只占約20%。分析鉆井史資料認(rèn)為井壁垮塌、堵塞是制約煤層水平井高產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題。

關(guān)于煤層氣水平井穩(wěn)定性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了許多理論研究。張哲，唐春安（2006）等分析了井眼周圍裂紋萌生、擴(kuò)展及應(yīng)力遷移、釋放［3］。鮮保安等（2007）利用斷裂力學(xué)研究了煤層的井壁穩(wěn)定， 把井壁附近裂紋簡(jiǎn)化為小孔， 分析了小孔附近裂紋的應(yīng)力集中［4］。屈平，申瑞臣等（2009）分析了節(jié)理煤層的井壁失穩(wěn)機(jī)理，建立了節(jié)理煤層井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)模型［5］。屈平，申瑞臣（2011）等利用三維離散元分析煤層氣水平井，進(jìn)行了井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬，提出了內(nèi)外雙層建模技術(shù)［6］。前人做了深入的理論分析，并企圖建立盡量接近于真實(shí)工況的精確數(shù)學(xué)模型。但煤層是深埋地下的脆弱巖體，物理性質(zhì)復(fù)雜，數(shù)學(xué)模型不足以做出全面的描述。因此應(yīng)該深入礦井觀測(cè)煤層水平孔失穩(wěn)特征，并從地質(zhì)的角度分析該問(wèn)題，對(duì)煤層氣水平井優(yōu)化布井提出指導(dǎo)。

1　煤層水平孔穩(wěn)定性典型實(shí)例

1.1 穩(wěn)定型

觀測(cè)點(diǎn)埋深300 m，構(gòu)造簡(jiǎn)單，處于寬緩的向斜核部，煤層傾角2~3°。地應(yīng)力特征為SH＞Sv＞Sh，側(cè)壓比1.23~1.53，SH方向?yàn)镹WW284.4°。鉆孔位于堅(jiān)硬的原生結(jié)構(gòu)煤層，宏觀煤巖類型為半亮煤，煤階屬無(wú)煙煤，煤堅(jiān)固性系數(shù)f為1.2~1.4。該水平孔使用?76 mm鉆頭鉆成，觀察時(shí)剛鉆成7 d。

水平孔孔口為規(guī)則的圓形（圖1a），孔徑約80 mm。鉆孔內(nèi)部孔壁堅(jiān)固、平整，無(wú)裂隙、垮塌等失穩(wěn)現(xiàn)象，但遺留有少量鉆屑。

1.2 “橫向擠扁”型

觀測(cè)點(diǎn)埋深310 m，構(gòu)造背景簡(jiǎn)單，煤層呈傾角3~4°的單斜。地應(yīng)力特征與穩(wěn)定型相同。鉆孔位于原生結(jié)構(gòu)煤層中，宏觀煤巖類型為半暗－半亮煤，煤階屬無(wú)煙煤，堅(jiān)固性系數(shù)f為1.0~1.2。該水平孔使用鉆頭?96 mm鉆成，已鉆成479 d。

孔口呈橢圓形（圖1c），垂向孔徑為82 mm，水平方向孔徑75 mm。對(duì)比96 mm的鉆頭直徑，可知其明顯縮徑。鉆孔頂部可見(jiàn)擠壓裂隙（圖1c），一條主裂隙沿軸向上延伸，周邊分布許多細(xì)小裂隙，孔底也分布有擠壓裂隙?？妆诖植诔拭虪睿屑?xì)粒狀、微小塊狀垮塌物，淤塞較嚴(yán)重。

1.3 “縱向擠扁”型

觀測(cè)點(diǎn)埋深480 m，構(gòu)造較簡(jiǎn)單，煤層為傾角8~10°的單斜。地應(yīng)力特征為Sv＞SH＞Sh，側(cè)壓比0.52~0.60，SH方向?yàn)镹NE21°~ NNE36°。為原生結(jié)構(gòu)煤，煤階屬貧瘦煤，宏觀煤巖類型屬半亮煤，煤堅(jiān)固性系數(shù)f為0.8~1.0。水平孔使用?94 mm鉆頭，已鉆成511 d。

水平孔口呈橢圓形，垂向孔徑82 mm，水平孔徑88 mm，從形態(tài)上看有“縱向壓扁”的特點(diǎn)（圖1e）。井筒內(nèi)壁的左右兩側(cè)多分布裂隙（圖1f），裂隙交錯(cuò)使局部呈破碎狀，導(dǎo)致部分煤塊垮落。

1.4 全面垮塌型

觀測(cè)點(diǎn)煤層埋深為265 m，構(gòu)造簡(jiǎn)單，為一個(gè)寬緩的向斜的核部，煤層傾角3~4°。地應(yīng)力特征與穩(wěn)定型相同。鉆孔位于煤層與底板接觸位置，煤體結(jié)構(gòu)為粉狀構(gòu)造軟煤，層厚20 cm左右，煤階屬無(wú)煙煤，堅(jiān)固性系數(shù)f≈0.2。該水平孔使用?76 mm鉆頭鉆成，剛鉆成1 d。水平孔縮徑明顯（圖1b），孔徑40 mm左右，在縱向和側(cè)向上均被“壓扁”，大致呈不規(guī)則的四邊形，孔壁煤質(zhì)軟、呈粉狀，內(nèi)部有垮落的粉狀—結(jié)塊狀軟煤。

圖1　 不同穩(wěn)定程度煤層水平孔實(shí)例觀測(cè)

2　觀測(cè)實(shí)例的統(tǒng)計(jì)分析

圖2總結(jié)了大寧、寺河、沁城、余吾等4座煤礦的15個(gè)觀測(cè)實(shí)例的穩(wěn)定性特征，縱坐標(biāo)為實(shí)測(cè)孔徑與鉆頭直徑之比，用來(lái)表示孔壁穩(wěn)定性。100%表示井壁無(wú)變化，十分穩(wěn)定；0%表示井眼完全堵死。圖中橫坐標(biāo)表示埋藏深度。散點(diǎn)圖中用不同符號(hào)表示不同的煤體堅(jiān)固性值域區(qū)間。

圖2可以得出煤層埋深、煤堅(jiān)固性（f值）對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響：（1）煤體堅(jiān)固性相近時(shí)，井壁穩(wěn)定性隨埋藏深度的加大而變差；（2）堅(jiān)固性越差（f值越低）煤層水平孔穩(wěn)定性隨之變差。因此，煤堅(jiān)固性、煤層埋藏深度對(duì)水平井壁穩(wěn)定性都有顯著影響，其中煤堅(jiān)固性對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響程度要遠(yuǎn)大于煤層埋藏深度。此外散點(diǎn)圖中的線性關(guān)系不明顯，說(shuō)明很可能還存在其他的影響因素。

通過(guò)對(duì)比新、老鉆孔的井壁穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在地質(zhì)背景與煤堅(jiān)固性相近的情況下，新鉆成鉆孔的穩(wěn)定性明顯高于鉆成時(shí)間較久的鉆孔，這說(shuō)明井壁失穩(wěn)有蠕變特征，即雖然鉆孔在剛鉆成時(shí)是穩(wěn)定的，但在長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力作用下孔壁會(huì)輕微縮徑、垮塌。

圖2　 埋深、煤堅(jiān)固性對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響程度統(tǒng)計(jì)分析

3　地質(zhì)因素對(duì)煤層氣水平井產(chǎn)能影響

3.1 煤層埋深對(duì)產(chǎn)氣能力的影響

統(tǒng)計(jì)樊莊、鄭莊區(qū)塊56口水平井平均日產(chǎn)氣量與煤層埋深的關(guān)系（圖3），可知在埋深200~400 m區(qū)間內(nèi)，62.5%的井日產(chǎn)量大于10 000 m3；在埋深400~600 m的區(qū)間內(nèi)， 約19.2%的井日產(chǎn)量大于10 000 m3，約19.2%的井產(chǎn)量在5 000~10 000 m3，約61.6%的井小于5 000 m3；在埋深大于600 m的情況下，日產(chǎn)量普遍在2 000 m3以下。但整體上，產(chǎn)氣量隨埋深無(wú)線性變化規(guī)律。

綜合煤礦井下觀測(cè)可以得出：（1）隨埋深增加，井壁所受應(yīng)力值增強(qiáng)，井壁垮塌堵塞井眼，導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降；（2）埋深與產(chǎn)氣量無(wú)線性變化規(guī)律，因此認(rèn)為埋深不是唯一的控制因素，其他地質(zhì)因素對(duì)產(chǎn)氣量有較強(qiáng)影響。

圖3　 樊莊、鄭莊區(qū)塊56口水平井平均日產(chǎn)氣量與埋深關(guān)系

3.2 煤層小微構(gòu)造對(duì)產(chǎn)氣能力的影響

（1）簡(jiǎn)單構(gòu)造。圖4a為FZP11-1井典型分支井眼L2（L1）的軌跡剖面圖。黑色粗線條表示煤層，黃色線條為母井眼L1軌跡，藍(lán)色線條為L(zhǎng)2（L1）井眼軌跡。煤層構(gòu)造簡(jiǎn)單，呈簡(jiǎn)單的單斜，傾角變化為下傾2.6°→下傾6.8°→下傾4.1°→上傾2.6°，無(wú)斷層。

結(jié)合煤礦觀察可以預(yù)測(cè)：井眼軌跡前80%分布在堅(jiān)硬的煤層中部，井壁穩(wěn)定，能穩(wěn)定產(chǎn)出煤層氣。末端向斜處井眼靠近底板，該位置易產(chǎn)生構(gòu)造軟煤，井壁易失穩(wěn)，產(chǎn)氣能力差。

圖4b為FZP11-1水平井排采曲線，可以看出該井產(chǎn)氣量高，最高日產(chǎn)氣34 779 m3，平均日產(chǎn)氣量13 116.78 m3，總產(chǎn)氣量16 960 045 m3，已經(jīng)排采1 293 d，仍能保持10 000 m3/d的日產(chǎn)氣能力。這主要是由于煤層構(gòu)造簡(jiǎn)單，而且井眼多分布在堅(jiān)實(shí)的煤層中部，遠(yuǎn)離構(gòu)造軟煤，為煤層氣的產(chǎn)出提供了較大的解吸面積。

（2）復(fù)雜小微褶曲構(gòu)造。圖4c為FZP11-2井典型分支井眼L1（M1）的軌跡剖面圖。黑色粗線條表示煤層，黃色線條為母井眼M1的軌跡，藍(lán)色線條為L(zhǎng)1（M1）井眼軌跡。煤層構(gòu)造較復(fù)雜，起伏變化頻繁，傾角變化為下傾6.9°→上傾2.1°→下傾7.5°→上傾4.5°→下傾2.9°→上傾3.4°，末端有1條斷距3 m左右的正斷層。

結(jié)合煤礦觀察可以預(yù)測(cè)：由于煤層起伏變化頻繁，井眼在褶曲部位往往會(huì)靠近頂?shù)装?，這些部位易產(chǎn)生構(gòu)造軟煤，導(dǎo)致井壁穩(wěn)定性差，降低產(chǎn)量。

圖4d為FZP11-2水平井的排采曲線，可以看出日產(chǎn)氣量比同井組的11-1井少很多，最高日產(chǎn)氣3 700 m3，平均日產(chǎn)氣量245.13 m3，總產(chǎn)氣量316 956 m3。該井還有穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短的特點(diǎn)，1 000~3 000 m3左右的日產(chǎn)量?jī)H維持了200多天。

分析井眼認(rèn)為低產(chǎn)原因是：①主井眼（M1）的初始段就處于褶曲構(gòu)造發(fā)育區(qū)，分布在了向斜底部、背斜頂部等煤體堅(jiān)固性差的區(qū)域，導(dǎo)致塌孔并阻斷與分支井眼的連通；②井眼段受煤層小微構(gòu)造的限制呈“U”形，曲折的鉆孔一方面導(dǎo)致水的流動(dòng)沖蝕破壞井壁穩(wěn)定性，另一方面“U”形管效應(yīng)導(dǎo)致煤層水堵塞了煤層氣的運(yùn)移通道。

（3）小微斷層構(gòu)造。圖4e為FZP03-1井典型分支井眼L1（M1）的軌跡剖面圖。黑色粗線條表示煤層，藍(lán)色線條為L(zhǎng)1（M1）井眼軌跡。煤層構(gòu)造較復(fù)雜，傾角較大，分布有5條正斷層，斷距1~4 m。

結(jié)合煤礦觀察可以預(yù)測(cè)：煤層受斷層破壞嚴(yán)重，井眼穿過(guò)斷層面、頂?shù)装甯浇让后w堅(jiān)固性較差區(qū)域時(shí)極易垮塌、堵塞井眼，導(dǎo)致產(chǎn)量低。

圖4f為FZP03-1水平井排采曲線圖，可以看出受到斷層的影響，該井的產(chǎn)氣量很低，最高日產(chǎn)氣量1 600 m3，平均日產(chǎn)氣量186.02m3。同樣由于斷層連通頂?shù)装搴畬拥脑?，該井產(chǎn)水量很大最高日產(chǎn)水78.8 m3，平均日產(chǎn)氣量?jī)H34m3。

圖4　 水平井眼小微構(gòu)造背景與排采曲線對(duì)比

3.3 地應(yīng)力方向?qū)Ξa(chǎn)氣能力的影響

在相似的埋深、小微構(gòu)造下，井眼的分支方向不同也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)能的差異。如圖5所示，PZP01井組4口水平井構(gòu)造背景相似，都由背斜的核部向翼部延伸，埋深為540~590 m。 但4口井日均產(chǎn)氣量差別很大，近南北向分布的FZP01-1、FZP01-2產(chǎn)量較高，分別為6 149.89 m3/d和2 776.83 m3/d。近東西向分布的FZP01-3、FZP01-4產(chǎn)量較低，分別為1 018.57 m3/d和524.04 m3/d。這與井眼分支方向與地應(yīng)力方向的配置關(guān)系有關(guān)［8-10］。

4　結(jié)論

（1）井壁失穩(wěn)的表現(xiàn)形式為：原生結(jié)構(gòu)煤中鉆孔失穩(wěn)主要為在應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)裂紋，并伴有輕微縮徑、垮落。構(gòu)造軟煤中的鉆孔縮徑程度十分嚴(yán)重，孔壁全面垮塌。

（2）地應(yīng)力側(cè)壓比小于1.0（Sv＞SH）時(shí)，井壁左右兩側(cè)容易受到擠壓破壞呈“縱向壓扁”的形態(tài)；地應(yīng)力側(cè)壓比大于1.0（SH＞Sv）時(shí)，井壁頂?shù)兹菀资艿綌D壓破壞呈“橫向擠扁”的形態(tài)。

圖5　 FZP01井組井眼分支平面圖

（3）煤層氣井壁失穩(wěn)有蠕變現(xiàn)象，相近的地質(zhì)背景下，較新的水平孔壁穩(wěn)定性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于較老的水平孔。

（4）煤層小微構(gòu)造（褶曲、斷層）、埋藏深度和地應(yīng)力是影響煤層氣水平井井壁穩(wěn)定性的主要地質(zhì)因素。首先，褶曲構(gòu)造背景下的煤層空間起伏變化多，而導(dǎo)致水平井鉆進(jìn)過(guò)程中容易鉆出煤層，穿越頂?shù)装甯浇能浢簩樱瑥亩鹁诳逅氯?第二，受煤層褶曲構(gòu)造的限制水平井眼易呈“U”形，曲折的鉆孔一方面導(dǎo)致水的流動(dòng)沖蝕破壞井壁穩(wěn)定性，另一方面煤層水會(huì)在井眼中出現(xiàn)“U”形管效應(yīng)導(dǎo)致煤層水堵塞了煤層氣的運(yùn)移通道。第三，多分支水平井的井眼穿越小微斷層構(gòu)造時(shí)，容易導(dǎo)致井眼溝通頂?shù)装搴畬?，?dǎo)致產(chǎn)水量劇增，而產(chǎn)氣量很低。第四，隨埋深增加地應(yīng)力值增強(qiáng)，井壁容易垮塌，且最大主應(yīng)力方向的變化也會(huì)影響井壁穩(wěn)定性。

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（修改稿收到日期 2015-07-11）

〔編輯 薛改珍〕

Analysis of geologic factors affecting wellbore stability of CBM horizontal wells

YANG Jian1,2, NI Yuanyong3, WANG Shengwei1, QIN Yi4, LIU Wei1, HU Qi1
（1. China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
2. Machinery Department of Patent Bureau, State Intellectual Property Office, Beijing 100088, China;
3. Drilling & Production Department of Huabei Oilfield Company, CNPC, Renqiu 062550, China;
4. Research Institute of Oil Production Technology, Huabei Oilfield Company, Renqiu 062550, China）

Abstract:This paper intuitively describes the features of instability and collapse of coalbed horizontal wells by downhole measurement, analyzes the relation between the coalbed horizontal well stability and burial depth and coal sturdiness, and compares and analyzes the actual drainage data of the available CBM horizontal wells in Jincheng District. This paper identifies the main geologic factors affecting the CBM horizontal well stability as below: small and micro structures, ground stress and burial depth. The small and micro structures cause the horizontal hole to easily penetrate the soft coalbed, and ground stress and burial depth may increase the stress on the well wall and hence cause wellbore instability and collapse. The conclusions in this paper provide theoretical basis for preventing wellbore instability from geology.

Key words:CBM horizontal well; instability and collapse; small and micro structure; burial depth; ground stress

作者簡(jiǎn)介：楊健，1987年生。2013年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），現(xiàn)從事石油天然氣鉆探、開(kāi)采方向的專利審查工作。電話：15300076166。E-mail：cug1613@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）“煤層氣開(kāi)發(fā)多分支水平井控制機(jī)理”（編號(hào)：2009CB219608）資助。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.002

文章編號(hào)：1000 – 7393（2015）05 – 0005 – 05

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TE21