復(fù)雜煤層段鉆進(jìn)時(shí)的井壁穩(wěn)定性分析

郭倡俊 王煜 孫愛(ài)生 唐漢林 馮一

(1.延長(zhǎng)油田公司定邊采油廠，陜西 榆林 719000;2.新疆貝肯能源工程股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000;3.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500)

目前我國(guó)所鉆遇的井壁不穩(wěn)定地層主要為易水化膨脹的泥頁(yè)巖地層和破碎性地層［1］。其中破碎性地層中的煤層井壁穩(wěn)定性問(wèn)題一直干擾著鉆井作業(yè)，極大地阻礙了石油勘探開(kāi)發(fā)的發(fā)展進(jìn)程。鉆井作業(yè)過(guò)程中煤巖失穩(wěn)可能帶來(lái)以下危害［2］:(1)影響鉆井安全，嚴(yán)重制約降低鉆井速度和效率;(2)井眼擴(kuò)大，影響甚至阻礙后續(xù)的完井作業(yè)。本次研究擬從煤巖的力學(xué)特性和物理化學(xué)性質(zhì)入手，分析煤層段井壁失穩(wěn)的機(jī)理，確定煤層段鉆井液密度窗口的方法。

1 煤巖的物理化學(xué)性質(zhì)

煤巖含炭量較高，質(zhì)輕性脆，且自身發(fā)育大量的天然裂隙和割理，相互垂直的面割理和端割理將煤基巖塊分割成一個(gè)個(gè)斜方體。圖1所示為煤巖及其割理構(gòu)造。割理以及裂隙的存在使得煤巖的力學(xué)行為表現(xiàn)出非連續(xù)性，其力學(xué)性質(zhì)同砂泥巖也存在著較大差異［3］。表1為煤巖及砂泥力學(xué)性質(zhì)［3］。

圖1 煤巖及其割理構(gòu)造示意圖

由表1可以看出，煤巖的機(jī)械力學(xué)參數(shù)與常規(guī)砂巖儲(chǔ)層有很大差別，其泊松比大于砂巖，但彈性模量卻小于砂巖。White等人的研究結(jié)果表明，煤巖的強(qiáng)度與含碳量有關(guān)［4］。當(dāng)碳含量為70% ～80%時(shí)，煤巖的抗壓強(qiáng)度最小。此外，伴生與煤巖周圍的炭質(zhì)泥巖具有很強(qiáng)吸水能力，且煤巖的內(nèi)生裂隙多被黏土礦物充填［5］，液相一旦侵入煤巖后將瓦解煤巖的原生結(jié)構(gòu)，降低煤巖的力學(xué)強(qiáng)度。

表1 煤與砂泥巖力學(xué)性質(zhì)

2 煤層段井壁失穩(wěn)機(jī)理

煤巖的比表面積大，具有較強(qiáng)的吸水能力。鉆完井作業(yè)過(guò)程中，液相在正壓差和毛細(xì)管力的作用下侵入煤層，降低煤巖的力學(xué)穩(wěn)定性，誘發(fā)井下復(fù)雜情況［2］。張杰等人將諸如此類的復(fù)雜煤層命名為破碎帶［6］。破碎帶作為一個(gè)低強(qiáng)度、易變形、透水性大、抗水性差的軟弱帶而存在，與其周圍的圍巖體在物理力學(xué)特性上明顯不同，破碎帶煤層的存在嚴(yán)重影響井壁穩(wěn)定。

3 煤層段安全鉆井液密度窗口

由于煤巖具有高度的非連續(xù)特征，因此以連續(xù)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)的井壁穩(wěn)定性計(jì)算模型難以準(zhǔn)確描述煤層周圍的應(yīng)力和應(yīng)變情況，無(wú)法確定煤層的坍塌壓力。因此，本次研究采用Hoek-Brown公式模擬煤巖的非連續(xù)性力學(xué)行為［7］。

Hoek-Brown準(zhǔn)則除適用于結(jié)構(gòu)完鉆各向同性的均質(zhì)巖石外，還可以應(yīng)用于裂隙性巖體以及各向異性的非均質(zhì)巖體。考慮到煤層存在裂隙以及非連續(xù)體的特點(diǎn)，采用Hoek-Brown準(zhǔn)則分析煤層坍塌壓力較Mohr-Coulomb準(zhǔn)則更為合理［8］。

井壁應(yīng)力狀態(tài)可以表示為:

式中:σr— 徑向應(yīng)力，MPa;

σθ— 切向應(yīng)力，MPa;

σz— 軸向應(yīng)力，MPa;

μ—泊松比;

p—鉆井液液柱壓力，MPa;

pp— 孔隙壓力，MPa;

φ—孔隙度;

δ—有效應(yīng)力系數(shù);

σH—最大水平主應(yīng)力，MPa;

σh—最小水平主應(yīng)力，MPa。

對(duì)于破碎性煤巖，基于巖體試樣三軸試驗(yàn)基礎(chǔ)的強(qiáng)度準(zhǔn)則適用于破碎體的強(qiáng)度破壞判別，其主應(yīng)力形式表達(dá)的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)為:

式中:σc—完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度;

m—無(wú)量綱試驗(yàn)常數(shù)，巖體的破碎性系數(shù);

s—無(wú)量綱試驗(yàn)常數(shù)，巖體的節(jié)理化系數(shù)。

當(dāng) σθ＞σz＞σr時(shí)，在最小主應(yīng)力方位，即 θ=90°附近將式(2)代入式(1)，得到 Hoek-Brown準(zhǔn)則下破碎巖體坍塌壓力當(dāng)量密度計(jì)算模型:

式中:η—破碎巖體坍塌密度修正系數(shù)。

地層破裂壓力為:

4 實(shí)例計(jì)算

國(guó)內(nèi)某油田D1井，三開(kāi)鉆進(jìn)時(shí)鉆遇不等厚煤層，井壁極易出現(xiàn)大面積垮塌，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料應(yīng)用所建模型進(jìn)行計(jì)算。在923—1 154 m層段采用Hoek-Brown模型進(jìn)行坍塌壓力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果比Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則模型略高。圖2為D1井煤層段坍塌壓力變化示意圖。

圖2 D1井煤層段坍塌壓力變化示意圖

計(jì)算可知，坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度在井深1 094 m附近達(dá)到最大值，由測(cè)井資料可以求得該點(diǎn)的巖石抗剪強(qiáng)度28.98 MPa，具體參數(shù)見(jiàn)表2。采用有限元軟件建模對(duì)1 094 m井深進(jìn)行井眼穩(wěn)定性分析，圖2所示為井深1 094 m處1/4井眼剪切應(yīng)力云圖。

表2 煤層段坍塌壓力最高處的巖石力學(xué)參數(shù)

圖3 井深1 094 m處14井眼剪切應(yīng)力云圖

由模擬分析結(jié)果可知，在煤層段坍塌壓力最高處，采用密度為1.43 g/cm3的鉆井液，井壁處的剪切應(yīng)力(11.71 MPa)小于其巖石剪切強(qiáng)度(28.98 MPa)，井壁不會(huì)發(fā)生坍塌失穩(wěn)。因此在僅考慮力學(xué)作用的前提下，采用密度1.43 g/cm3的鉆井液可以成功穿越煤層段，也證明了力學(xué)計(jì)算模型的合理性。此外，在煤層段鉆進(jìn)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)在鉆井液中加入適當(dāng)?shù)姆舛虏牧希詼p輕鉆井液對(duì)孔洞和裂縫的侵入，同時(shí)還需注意對(duì)泥巖層水化膨脹過(guò)程的抑制。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)煤層屬于破碎性巖體，運(yùn)用常規(guī)的Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則無(wú)法準(zhǔn)確地求取煤層段的坍塌壓力，而Hoek-Brown公式可以用于模擬煤巖的非連續(xù)性力學(xué)特征。實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明采用Hoek-Brown計(jì)算模型求取的鉆井液密度是安全有效的。

(2)針對(duì)煤層裂隙、割理的特征，在鉀基聚合物鉆井液體系的基礎(chǔ)上加入一定量的封堵材料，可以增強(qiáng)鉆井液的封堵性能，以滿足煤層段井壁穩(wěn)定的技術(shù)要求。

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