影響煤層氣鉆井工程的工程地質(zhì)因素分析

孫延明，張遂安，楊紅軍，董銀濤，張 彪，孟凡圓

（1.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京 102249；2.中國石油大學（北京）氣體能源開發(fā)與利用教育部工程研究中心，北京102249；3.中國石油大學（北京）煤層氣研究中心，北京 102249）

影響煤層氣鉆井工程的工程地質(zhì)因素分析

孫延明1，2，3，張遂安1，2，3，楊紅軍1，2，3，董銀濤1，2，3，張 彪1，2，3，孟凡圓1，2，3

（1.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京 102249；2.中國石油大學（北京）氣體能源開發(fā)與利用教育部工程研究中心，北京102249；3.中國石油大學（北京）煤層氣研究中心，北京 102249）

為了提高煤層氣鉆井工程質(zhì)量，基于沁水盆地煤層氣開發(fā)工程，探討了影響煤層氣鉆井工程的地質(zhì)因素。認為煤層原地應力、天然裂隙、煤體結(jié)構(gòu)、煤的堅固性系數(shù)、研磨性、可鉆性等是制約煤層氣鉆井工程的主要地質(zhì)因素。通過對沁水盆地影響井壁穩(wěn)定性和破巖效率特征的工程地質(zhì)因素進行分析，提出提高煤層氣鉆井工程質(zhì)量的對策，為煤層氣鉆井工程提供參考依據(jù)和技術(shù)支持。

煤層氣；鉆井工程；工程地質(zhì)因素；井壁穩(wěn)定性；破巖效率

我國煤層氣資源量巨大，煤層氣的開發(fā)利用，可以減輕常規(guī)油氣開發(fā)的壓力。目前我國煤層氣井一半以上的報廢為工程報廢：有的因固井質(zhì)量不合格，有的因鉆井原因污染煤層，降低煤層滲透率并導致壓力資料求取不準等，因而煤層氣鉆井工藝技術(shù)是煤層氣勘探開發(fā)的首要環(huán)節(jié)[1]。煤層氣鉆井工藝的好壞，直接影響著煤層氣井后續(xù)生產(chǎn)工藝以及產(chǎn)量，煤層氣主控工程地質(zhì)因素影響著煤層氣鉆井工藝，因而通過對煤層氣開發(fā)過程中，主控地質(zhì)因素的分析，提高井鉆井質(zhì)量，對煤層氣開發(fā)有著至關(guān)重要的作用。

1 煤層氣鉆井工程面臨的問題

由于煤層氣機械強度低，裂縫和割理發(fā)育，存在較高剪切應力作用，因而煤層段井壁極不穩(wěn)定，在鉆井的過程中極易發(fā)生井壁坍塌、井漏、起鉆遇卡、下鉆遇阻甚至埋掉井眼等井下復雜情況和事故。因此煤層段鉆井過程中井壁穩(wěn)定性是煤層氣井的一大難題。此外，在鉆井過程中，煤層氣破巖效率是影響煤層氣鉆井速度的重要因素之一，針對不同煤體結(jié)構(gòu)采用不同的鉆具，以及隨著鉆進深度的不斷加深，改變鉆井工藝，提高鉆井速度對于煤層氣鉆井工程有著重要意義。本文基于沁水盆地煤層氣開發(fā)工程，分析探討了影響煤層氣鉆井工程的工程地質(zhì)因素，并且提出相應的對策[1-4]。

2 工程地質(zhì)因素對井壁穩(wěn)定性的影響

2.1 地應力對井壁穩(wěn)定性的影響

巖石所處的地應力場一般由垂向應力（συ）、最大水平地應力（σH）和最小水平地應力（σh）組成。根據(jù)垂直主應力（συ）和兩個水平主應力之間的關(guān)系，可以將地應力分為3種地應力類型，即正常地應力類型（συ＞σH＞σh）、走滑地應力類型（σH＞συ＞σh）及反轉(zhuǎn)地應力類型（σH＞σh＞συ）[8-9]。

鉆井過程中的井壁穩(wěn)定性與原地應力有著密切的聯(lián)系。地應力對井壁穩(wěn)定的作用一般分為兩種，即抗張和壓縮作用。井孔周圍應力無論超過巖石的抗張強度還是抗拉強度，都會發(fā)生井眼破壞[5-7]。以張性破裂為主的井壁破壞，表現(xiàn)為地層原始裂隙微張開，井中鉆井液漏失；以剪切破壞為主的井壁破壞作用，表現(xiàn)為井眼崩落，井孔擴大，甚至塌孔[6]。

根據(jù)深度與水平最大主應力、水平最小主應力、垂向應力關(guān)系的回歸趨勢線，對三向主應力在不同深度下的最大、最小應力轉(zhuǎn)換條件進行了分析。如圖1，通過對回歸方程計算可以得到，沁水盆地南部地區(qū)，在煤層深度119.42 m與529.28 m處，地應力狀態(tài)發(fā)生了兩次根本性轉(zhuǎn)變，由反轉(zhuǎn)地應力類型轉(zhuǎn)化為走滑地應力類型，進而轉(zhuǎn)變?yōu)檎５貞︻愋?，如?所示。在鉆井過程中，雖然原地應力狀態(tài)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，但總體仍表現(xiàn)為隨著深度的增加，原三大主地應力不斷增大，且其差異也不斷增大，井壁失穩(wěn)將加劇[10]。

圖1 沁水盆地南部煤層深度與地應力關(guān)系Figure 1 Relationship between coal buried depth and in-situ stress in southern Qinshui Basin

表1 沁水盆地南部煤層深度與地應力狀態(tài)對應情況Table 1 Correspondence between coal buried depth and in-situ stress in southern Qinshui Basin

2.2 天然裂隙對井壁穩(wěn)定性的影響

井壁周圍的應力分布是指在鉆井過程中，當?shù)貙颖汇@開后，原應力狀態(tài)被打破，地應力重新分布，近井壁地帶出現(xiàn)應力集中。煤層氣井與常規(guī)砂巖儲層的情況是相同的。當?shù)貞χ匦路植紩r，近井壁裂紋將受到壓剪作用，在裂紋尖端將產(chǎn)生附加的應力集中。從而造成近井壁裂紋受到雙重應力的影響，比煤巖基質(zhì)更易遭到破壞。從斷裂力學角度分析，由于煤儲層天然裂隙相對發(fā)育，煤層的井壁失穩(wěn)過程與常規(guī)的砂巖儲層的井壁失穩(wěn)過程存在差異，具體表現(xiàn)如下：常規(guī)砂巖的井壁失穩(wěn)一般分為四個環(huán)節(jié):首先是在應力作用下，巖石的局部產(chǎn)生微裂紋;其次是應力持續(xù)作用，微裂紋的擴展;然后是微裂紋之間相互溝通，形成大裂紋;最后是造成井壁坍塌。普通節(jié)理地層與常規(guī)砂巖儲層相比，由于已存在微裂紋，因此只有微裂紋擴展、溝通成大裂紋和井壁坍塌3個環(huán)節(jié)。節(jié)理煤層與普通節(jié)理地層相比，不僅存在裂紋，而且裂紋之間已經(jīng)相互貫通，因此只有微裂紋溝通成大裂紋和井壁坍塌兩個環(huán)節(jié)。因而井壁受天然裂隙影響更大[11-12]。

天然裂隙的發(fā)育程度，對于鉆井過程中井壁穩(wěn)定性影響，具體可以分為以下幾點：①裂縫可造成井壁的失穩(wěn)載荷降低。②裂縫傾角的大小對直立井壁的穩(wěn)定性有較明顯的影響，就其影響程度來說，有“水平裂縫＞傾斜裂縫＞直立裂縫”之規(guī)律，即隨著傾角的增大，裂縫對井壁穩(wěn)定性的影響減小。③多組裂縫的組合體對井壁穩(wěn)定性的影響大于任何單一裂縫。④裂縫的密度對井壁穩(wěn)定性也有較明顯的影響，裂縫越密集，井壁就越容易失穩(wěn)。在無天然裂隙的巖樣中，裂縫在拓展的過程中，主要出現(xiàn)最小水平主應力方向，而在天然裂隙密度較大的巖樣中，裂縫在拓展過程中，主要沿著天然裂隙進行，在裂紋延伸過程中不斷貫通裂隙與割理，最終導致井壁發(fā)生大面積的坍塌破壞[13]。

2.3 煤體結(jié)構(gòu)對井壁穩(wěn)定性的影響

煤體結(jié)構(gòu)指煤層經(jīng)受地質(zhì)構(gòu)造作用后所表現(xiàn)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征。煤體結(jié)構(gòu)決定著煤層的粒度、硬度、孔隙、裂隙、滲透性等物性特征，是煤層氣勘探開發(fā)非常重要的基礎(chǔ)資料。煤體結(jié)構(gòu)分為原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤，構(gòu)造煤又分為碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤三種，手試強度由堅硬逐漸變?yōu)槭杷桑执昕赡氤煞勰?/p>

如圖2所示，對柿莊南地區(qū)煤層氣井井徑擴大率與煤體結(jié)構(gòu)的對應關(guān)系統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)的井，其井徑擴大率在1.77%～3.40%；煤體結(jié)構(gòu)為原生-碎裂結(jié)構(gòu)的的煤層氣井其井徑擴大率在5.22%～7.65%；煤體結(jié)構(gòu)為碎裂-碎粒結(jié)構(gòu)的的煤層氣井其井徑擴大率在高達12%以上。由此可見，煤體結(jié)構(gòu)作為煤巖綜合受力的宏觀表現(xiàn)，是決定煤層氣井井壁穩(wěn)定性的一個重要地質(zhì)因素，煤體結(jié)構(gòu)越好，井壁穩(wěn)定性越好。

圖2 煤層氣井井徑擴大率與煤體結(jié)構(gòu)關(guān)系Figure 2 Relationship between CBM well diameter enlargement rate and coal structure

2.4 堅固性系數(shù)對井壁穩(wěn)定性的影響

在煤礦安全領(lǐng)域，堅固性系數(shù)被廣泛應用于評價煤與瓦斯突出和井下瓦斯抽放鉆孔的孔壁穩(wěn)定性，基于此認識，本文探究了堅固性系數(shù)對煤層氣井井壁穩(wěn)定的影響。

煤的堅固性系數(shù)衡量煤巖在幾種變形方式的組合作用下抵抗破壞的能力（其值越大，越堅固，抗擊破壞能力越強），這種組合作用下煤巖破壞的難易程度與工程實際破壞情況更為接近。沁水盆地南部煤層氣井的井徑擴大率與對應的煤的堅固性系數(shù)的關(guān)系（表2）表明，井徑擴大率與煤的堅固性系數(shù)呈良好的負相關(guān)，即堅固性系數(shù)越高，井壁穩(wěn)定性越好。因此堅固性系數(shù)可以作為評價煤層氣井井壁穩(wěn)定性的簡易評價指標。

表2 煤的堅固性與井徑擴大率關(guān)系Table 2 Relationship between coal sturdiness and well diameter enlargement rate

3 工程地質(zhì)因素對破巖效率的影響

3.1 研磨性對破巖效率的影響

巖石的研磨性指的是在機械方法破壞巖石的過程中，鉆井工具和巖石產(chǎn)生連續(xù)或間接的接觸和摩擦過程中，巖石磨損鉆頭的能力。

通過統(tǒng)計柿莊南地區(qū)，煤巖各力學參數(shù)隨深度變化值，發(fā)現(xiàn)隨著鉆進深度的不斷增加，煤巖各力學參數(shù)呈增大趨勢，煤巖抗壓強度與抗拉強度的增加，使得擠壓破巖難度增加，煤巖的研磨性增大，破巖效率降低。如圖3所示，隨鉆進深度的不斷增加，塊狀煤屑質(zhì)量分數(shù)逐漸減小，碎塊狀、顆粒狀和粉末狀煤屑開始出現(xiàn)且質(zhì)量分數(shù)逐漸增加，進一步說明在鉆井過程中，深部煤巖隨著鉆進深度的不斷增加，煤巖更難破碎，因而需要長時間研磨，研磨碎屑變的更細。因此，在鉆井過程中，隨著鉆井深度的不斷增加，應選用與巖石研磨性相適應的鉆具，可延長鉆頭鉆具的使用壽命，增加破巖效率，提高鉆井質(zhì)量[14]。

圖3 煤層深度與鉆屑粒度的變化情況Figure 3 Coal buried depth and drill cutting particle size variations

3.2 可鉆性對破巖效率的影響

可鉆性指的是在一定技術(shù)條件下鉆進巖石的難易程度，它表征巖石破碎的難易程度。正確評價巖石可鉆性是確定鉆井參數(shù)、選擇鉆頭類型、預測鉆井效果及制定鉆井工作定額的依據(jù)[15]。通過對柿莊南地區(qū)可鉆極值進行統(tǒng)計，可得到圖4，如圖所示，隨著深度增加，煤巖可鉆極值呈增加趨勢。分析認為，隨著深度的增加，上覆地層壓實作用增強，煤層可鉆極值增大，煤層段鉆進難度增大。因而，隨著鉆井的不斷進行，可以根據(jù)可鉆極值的變化，及時調(diào)整破巖工具類型、改變鉆井工藝等，從而提高鉆井速度。

4 對策

（1）在分析井壁穩(wěn)定性問題時，主要考慮地層的坍塌壓力。造成井壁坍塌的原因主要有兩個：①鉆井液密度不合理，井內(nèi)液柱壓力太低，使得井壁周圍巖石所受應力超過巖石本身的強度而產(chǎn)生剪切破壞造成的，此時，對于像煤巖這樣的脆性地層會產(chǎn)生掉塊、井徑擴大和卡鉆。②井內(nèi)鉆井液柱壓力小于煤層的孔隙壓力，使井壁巖石產(chǎn)生拉伸崩落。因此煤層氣鉆井選擇井位時，在滿足煤層氣開發(fā)要求的基礎(chǔ)上，應該盡量避開天然裂隙發(fā)育程度高的位置。在鉆井過程中，隨著煤體結(jié)構(gòu)及堅固性系數(shù)的變化，可以根據(jù)坍塌壓力與破裂壓力及時調(diào)整鉆井液密度，增強井壁的穩(wěn)定性。

（2）在分析破巖效率問題時，主要考慮的是煤巖的破巖性與可鉆極值。根據(jù)測井計算的煤層段的可鉆性極值

圖4 柿莊南地區(qū)可鉆性極值變化情況Figure 4 Drillability extremal variations in Shizhuang south area

其中：

式中：W——鉆壓，kN；N——轉(zhuǎn)速，r/min；EH——鉆頭比水馬力，kW/cm3；ρW——鉆井液密度，g/cm3；Qm——排量，L/min；de——鉆頭噴嘴當量直徑，cm；Db——鉆頭直徑，cm。

對通用鉆速方程進行了修正，如圖5所示，修正過的方程對柿莊地區(qū)具有較強的適用性。修正的鉆速方程如下：

式中：

圖5 可鉆極值與煤層深度的關(guān)系Figure 5 Relationship between drillability extreme and coal buried depth

當 C=0時，Kd＝1.87，H＝748.03 m。當 H＜748.03 m時，C＞0；H＞748.03 m時，C＜0。根據(jù)校正的鉆速方程可知：（1）對于煤層段，在保證鉆頭的磨損不會對鉆速造成較大影響的前提下，提高鉆壓和轉(zhuǎn)速均可以提高鉆速；（2）煤層段深度小于748.03 m時，可以通過提高排量來提高鉆速；煤層段深度大于748.03 m時，僅增大排量并不能使鉆速增高，應該通過增加轉(zhuǎn)速來提高鉆速[16-17]。

5 結(jié)論

1、研究表明，影響煤層氣井壁穩(wěn)定性的地質(zhì)因素主要為煤體結(jié)構(gòu)、煤體巖石力學特征、地應力等因素，影響煤層氣鉆進效率的主要因素為研磨性與可鉆性等。

2、在鉆井過程中，煤體結(jié)構(gòu)與煤的堅固性系數(shù)是評價井壁穩(wěn)定性的簡易指標，煤體結(jié)構(gòu)越好，井壁穩(wěn)定性越好，煤的堅固性系數(shù)越好，井壁穩(wěn)定性越好。

3、在鉆井過程中，隨著鉆井深度的不斷增加，原三大主應力差異不斷增大，井壁失穩(wěn)加劇，應該適當調(diào)整鉆具與鉆井工藝，可以提高井壁穩(wěn)定性與破巖效率，從而提高鉆井質(zhì)量。

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Analysis of Engineering Geological Factors Impacting CBM Well Drilling Engineering

Sun Yanming1,2,3,Zhang Suian1,2,3,Yang Hongjun1,2,3,Dong Yintao1,2,3,Zhang Biao1,2,3and Meng Fanyuan1,2,3
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249;2.Gas Energy Exploitation and Utilization Engineering Research Center of the Ministry of Education,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249;3. Coalbed Methane Research Center,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249)

To promote CBM well drilling engineering quality,on the basis of a CBM exploitation project in the Qinshui Basin,discussed engineering geological factors impacting CBM well drilling engineering.The study has considered that the main engineering geological factors conditioned CBM well drilling engineering have coal seam in-situ stress,intrinsic fractures,coal structure,Protodyakonov's co?efficient,abrasiveness and drillability etc.The paper has analyzed response characteristics impacting drilling engineering in Qinshui Basin,i.e.analyzed engineering geological factors impacting borehole wall stability and rock breaking efficiency features;then pro?posed countermeasures to promote CBM well drilling engineering quality,thus provide reference basis and technical support for CBM well drilling engineering.

CBM;drilling engineering;engineering geological factor;borehole wall stability;rock breaking efficiency

TE2

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.12.11

1674-1803(2016)12-0062-05

國家科技重大專項課題資助項目（2011ZX05042-001），2014年度山西省煤層氣基金重點攻關(guān)項目

孫延明（1991—），男，河南濟源人，漢族，碩士研究生。

2016-06-23

責任編輯：樊小舟