黔西南地區(qū)煤系地層井壁穩(wěn)定技術探討

郝海洋， 李 勇， 宋繼偉， 王 虎， 李 勇， 代云鵬

(1.貴州省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局115地質大隊，貴州 清鎮(zhèn) 551400； 2. 貴州地質工程勘察設計研究院，貴州 貴陽 550008；3.貴州省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局112地質大隊，貴州 安順 561000)

0 引言

貴州富含煤礦資源，其煤層氣儲量豐富，具有重要的勘探開發(fā)價值[1]。隨著貴州省煤層氣資源勘探開發(fā)的開展，提高煤系地層井壁穩(wěn)定性已成亟待解決的工程技術難題。然而黔西南地區(qū)煤系地層煤層縱向呈“多而薄”分布，常出現(xiàn)煤泥互層的層段[2]，為煤層氣井鉆井施工中維持井壁穩(wěn)定和保護儲層帶來了施工難題。鉆井過程中，煤系地層井壁失穩(wěn)易造成井壁垮塌、漏失、卡鉆及儲層傷害等井下復雜情況和事故，嚴重制約了煤層氣勘探開發(fā)的效果[3-5]。為此，筆者結合油氣井及煤層氣井的井壁穩(wěn)定性研究成果，探討了黔西南地區(qū)煤系地層煤層氣井井壁穩(wěn)定的技術，以期為該地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)井壁穩(wěn)定技術的研究與應用提供借鑒。

1 煤系地層井壁失穩(wěn)機理分析

鉆井過程中井壁穩(wěn)定問題包括：由于巖石的剪切破壞或塑性流動引起的井壁坍塌或縮徑和由于巖石的拉伸破裂導致的地層破裂或壓裂兩種類型[6]。當?shù)貙颖汇@開后，井筒內鉆井液的液柱壓力取代了所鉆巖層對井壁的支撐，打破了原有地層應力的平衡，引起井壁圍巖應力的重新分布。如果井壁圍巖所受應力超過其自身的強度，即會引發(fā)井壁失穩(wěn)。在鉆井過程中維持儲層段井壁穩(wěn)定性和保護儲層在某種程度上似乎是兩個矛盾的目標。前者希望在井壁上形成薄而韌的泥餅；后者則希望鉆井液具有“零濾失”特性，避免鉆井液中的任何組分對儲層造成傷害。

泥頁巖中富含粘土礦物，鉆井液濾液的滲入將導致頁巖的水化作用。一方面，在泥頁巖層段井壁周圍產(chǎn)生膨脹壓，導致該層段井壁坍塌壓力增加；另一方面，增強地層的塑性，從而降低泥頁巖的力學強度，使井壁的破裂壓力降低[7]。兩方面的綜合作用，導致泥頁巖段鉆井液密度窗口變窄，增加該井段的鉆井難度。此外，存在于頁巖中層理弱面的剪切或拉伸破壞也會導致井壁失穩(wěn)[8]。

煤巖地層與泥頁巖地層的井壁失穩(wěn)機理存在本質上的不同，但又有相似之處[4]。對于煤層來說，煤巖一般不含或少含粘土礦物，煤巖機械強度低、裂隙發(fā)育、彈性模量小、泊松比高[9-11]，使之比其它地層更易受壓縮和破碎。當鉆井液的液柱壓力與地層壓力間存在壓差時，鉆井液的滲濾會改變近井壁的孔隙壓力，使近井壁周圍地層的壓力逐漸與鉆井液的液柱壓力相等，從而影響煤巖中裂隙的擴展與煤巖井壁的穩(wěn)定。鉆井液中固相顆粒向煤巖裂隙中的填充會對進一步加大裂隙尖端的應力集中，從而加劇井壁煤巖的不穩(wěn)定程度，甚至造成井壁周圍煤巖的坍塌。

此外，煤巖和泥頁巖的滲透率較低，鉆遇煤泥互層段時，在井壁上不能形成質量好的泥皮，致使井壁附近巖石孔隙被鉆井液的濾液充填，若為水基鉆井液，會引起泥頁巖的水化膨脹，煤泥互層段井壁骨架體積的輕微變化將引起孔隙壓力增加，導致其固有有效應力降低，加劇泥頁巖井壁的不穩(wěn)定程度。與此同時，由于泥頁巖的水化引起的膨脹壓力，會對煤巖產(chǎn)生推擠作用，這將加劇煤巖井壁的不穩(wěn)定程度。煤泥互層井段，泥頁巖和煤巖互為格擋，任何一方的井壁失穩(wěn)都不利于其上下部分井壁的穩(wěn)定[5]。

因此，對黔西南地區(qū)煤系地層井壁穩(wěn)定技術的研究，應充分考慮該區(qū)域地層的特點，尤其應關注煤層群中多而薄的煤層與泥頁巖層井段的井壁穩(wěn)定性研究。在優(yōu)化鉆井工藝、鉆井液的密度及配方設計時，既要考慮裂隙發(fā)育、機械強度低的煤層，又要兼顧薄煤層頂、底板的泥巖頁水化膨脹等不利于井壁穩(wěn)定的問題，提出較為合理的保護井壁穩(wěn)定的鉆井液體系和鉆井施工方案。

2 泥頁巖與煤巖段井壁失穩(wěn)對策

國家“十三五”規(guī)劃做出推進黔西滇東川南煤層氣開發(fā)工業(yè)示范區(qū)的戰(zhàn)略調整[12]，以及煤系地層的“三氣”合探/合采，要求采用的鉆井液能同時解決煤層、頁巖和致密砂巖地層的井壁穩(wěn)定問題。近年來針對泥頁巖地層井壁失穩(wěn)的機理與對策研究主要集中化學、力學和化學與力學耦合等方面，而煤巖井壁的失穩(wěn)機理與對策研究主要集中在化學、力學和工程鉆進技術等方面。雖然將解決泥頁巖與煤巖井壁失穩(wěn)的對策歸為以下幾種，但能同時解決二者井壁失穩(wěn)的技術仍是亟待解決的工程難題。

2.1 化學方法

2.1.1 鉆井液體系性能與地層理化特性相匹配

鉆井過程中，鉆遇的地層中泥頁巖水化的發(fā)生是造成井壁失穩(wěn)的重要原因之一。鉆井液的物理化學性質對泥頁巖井壁穩(wěn)定性起著至關重要的作用[13]。泥頁巖地層中所含粘土礦物如蒙脫石、伊利石、綠泥石、高嶺石、無序或者有序伊蒙混層的陽離子交換容量、含量與膨脹性能、分散性能，對維持自身穩(wěn)定性亦有著重要的影響。研究表明pH值>10的鉆井液會對石英、蒙脫石造成嚴重的侵蝕作用，促進泥頁巖的水化作用，降低井壁圍巖的力學強度[14]，且高pH值不利于泥巖頁對K+的固定。此外，鉆井過程中，客觀存在的井內溫壓條件也將影響泥頁巖的水化過程。

鉆遇煤巖地層，鉆井液濾液對煤層滲透率的損害似乎大于固相侵入造成的損害[15]。而偏堿性的鉆井液濾液與酸性煤層水中的某些離子反應而生成沉淀，造成裂隙封堵[16]，造成的“水楔作用”引發(fā)井壁失穩(wěn)。煤層中含有的少量粘土礦物，引發(fā)的粘土水化，導致煤層局部強度下降，造成的“推擠作用”不利于井壁的穩(wěn)定。

2.1.2 化學強化穩(wěn)定井壁

目前研究報道的主要增強泥頁巖井壁穩(wěn)定性的化學劑有Al3+、K+、Ca2+、硅酸根離子、納米材料、聚合物、有機季銨鹽化合物、瀝青類產(chǎn)品等。Al3+的作用機理是生成的氫氧化鋁逐漸轉為晶體形態(tài)并變成頁巖的一部分，起到穩(wěn)固泥頁巖的作用；K+與不同種類的泥頁巖存在離子置換和/或晶格固定兩種作用，若是后者則存在“K收縮作用”，K+可進入蒙脫土結構中的兩個氧六角環(huán)中央，會限制蒙脫土晶層的膨脹，從而阻礙蒙脫土的分散；Ca2+與K+的作用機理不同，Ca2+水化離子半徑較大，主要通過阻礙水分子進入泥頁巖顆粒間而阻礙其水化；硅酸根離子可以在泥頁巖表面形成薄膜，且硅酸根的硅醇基和粘土礦物的硅醇基縮合形成穩(wěn)定的-O-Si-O-化學鍵，有利于控制泥巖頁的水化；納米材料可以填充泥頁巖的微孔隙或微裂縫、甚至可以在頁巖表面形成憎水層[17]；聚合物諸如PHPA和PVP穩(wěn)定頁巖作用機理是“吸附-架橋-絮凝”(通常稱為“包被”作用)阻止頁巖的分散；有機季銨鹽中的NH4+的水化能甚至低于K+，且有機基團能對粘土顆粒形成“包被”，從而穩(wěn)定泥頁巖井壁；瀝青類產(chǎn)品主要為封堵地層的裂縫、層理，在泥頁巖表面形成一道屏障，維持泥頁巖的穩(wěn)定。上述不同化學劑的作用機理均會起到減輕頁巖微裂縫中孔隙壓力傳遞的作用，從而達到穩(wěn)定井壁的目的。此外，在鉆井液中添加合適的納米材料也能起到穩(wěn)定井壁的作用。

以上主要概述了泥頁巖井壁穩(wěn)定化學方法，由于煤巖和泥頁巖親水性的差異，設計煤系地層鉆井液時，應充分考慮鉆井液在泥頁巖和煤巖面的差異。因此，煤系地層鉆井液應具有低濾失造壁性、泥頁巖的化學抑制性、煤儲層割理的封堵保護性。

2.2 力學方法

2.2.1 確定鉆井液密度

根據(jù)力學因素穩(wěn)定井壁機理，依據(jù)地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力和地應力來確定合理的鉆井液密度，用以保持井壁的壓力平衡。當井壁圍巖受到的應力大于井壁巖石承受力時，即會發(fā)生井壁失穩(wěn)。井壁坍塌的鉆井液密度窗口計算公式如下[18]。

(1)對于直井，井壁發(fā)生破裂時對應的鉆井液密度為：

(1)

(2)地層坍塌壓力所對應的鉆井液密度計算模型為：

(2)

式中:ρm——坍塌壓力對應的鉆井液密度，g/cm3；η——應力線性修正系數(shù)，無量綱；C——巖石粘聚力，MPa；K=arctg(π/4-φ/2)。

由上述鉆井液的密度窗口計算公式可以看出，單從力學角度，井壁圍巖的坍塌壓力和破裂壓力不僅與地層的原應力大小相關，還與井壁巖石的構造應力和巖石本身的力學強度密切相關。即便同一煤層，煤層的硬度不同也會使鉆井液的密度窗口不同[19]。而煤系地層，尤其是煤泥互層段，確定合理的鉆井液密度尤為困難和重要。

2.2.2 優(yōu)化井眼軌跡設計

井眼軌跡對定向井的井壁穩(wěn)定性有顯著影響[3]。一般情況下，水平井的井眼軌跡平行于最小水平地應力方向，利于減小井周垂向上的主應力差，使井壁應力集中程度降到最小。對于煤巖段地層，由于煤層割理發(fā)育，當垂直面割理鉆進時，面割理對井壁穩(wěn)定的影響遠遠大于端割理[20]。因此，針對煤系地層井眼軌跡的設計，應充分考慮地應力方向和地層的巖性。

2.3 化學與力學耦合方法

研究表明：井內鉆井液及溫壓條件下，井壁圍巖吸水形成水化帶，其徑向深度取決于地層和鉆井液的特性，以及井內溫壓條件和二者的作用時間；井壁上的泥頁巖吸水量會很快達到飽和值，使井壁圍巖變成“三變”材料——變含水、變模量和變強度；水化作用將極大地降低泥巖頁的楊氏模量、增大泥頁巖的泊松比及降低泥頁巖的粘聚強度[21]。

劉玉石[22]應用固體力學并考慮了泥頁巖水化壓力，結合實驗獲得了實驗條件下泥頁巖的水化壓力約4.5 MPa，得出在計算坍塌壓力時鉆井液的密度應提高4%～8%才能達到防塌效果的結論。此外，屈平等[23]利用經(jīng)典斷裂力學理論建立了煤巖井壁失穩(wěn)的判據(jù)，指出節(jié)理煤層鉆井液密度窗口的上、下臨界值為拉剪破壞壓力和壓剪破壞壓力，在單純考慮力學因素而獲得的安全窗口內提高了下限、降低了上限，使鉆井液的密度窗口更加接近地層壓力，安全可靠。嚴俊濤等[24]給出了Hoek-Brown準則下破碎地層坍塌壓力當量密度計算公式，并據(jù)此計算出吐哈盆地K-2井煤泥互層段合理的坍塌鉆井液當量密度：

ρm=η′{〔mσc/2·(3σh1-σh2)-(m2/16+s)σc2〕0.5+

σh2-3σh1+mσc/4}/2×(100/H)

(3)

式中：σc——完整巖石的單軸抗壓強度；σh1、σh2——井壁最大、最小水平主應力；m——巖體的破碎系數(shù)，s——節(jié)理化系數(shù)，均為無量綱試驗常數(shù)；η′ ——破碎巖體坍塌當量密度修正系數(shù)。

因此，煤系地層的鉆井液密度窗口計算時，應充分考慮泥頁巖的遇水水化性質和煤巖的裂隙發(fā)育性質，綜合分析泥頁巖井段的鉆井液密度窗口和煤巖井段的鉆井液密度窗口，得出煤系地層鉆井液合理的密度窗口為：

[max(ρsm，ρcm)，min(ρsf，ρcf)]

(4)

式中：ρsm、ρsf——分別為泥頁巖層的坍塌壓力和破裂壓力，MPa；ρcm、ρcf——分別為泥頁巖層的坍塌壓力和破裂壓力，MPa。

綜上所述，煤系地層井壁穩(wěn)定性問題歸根結底是力學和化學耦合作用的問題。此外，優(yōu)化井身結構設計、封固不穩(wěn)定井段，改善工藝操作、減少動力載荷作用，亦對維持井壁穩(wěn)定性有利。

3 案例分析

案例一：貴州省晴隆縣北部煤礦含煤地層主要為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，有約560 m厚的煤系地層，主要由粘土巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、煤層及少量泥質灰?guī)r薄層組成。在進入煤系地層后，由于該礦區(qū)煤系地層厚度較大，煤層較多，易垮塌孔段多。據(jù)報道該區(qū)ZK1310鉆孔在鉆井施工中，發(fā)生2起鉆井事故，井內煤層段井壁垮塌嚴重[25]。分析事故原因，主要為煤系地層較厚，煤泥互層段井壁穩(wěn)定難以有效維持。

案例二：以貴州省織納煤田某煤層氣井為例，分析井壁穩(wěn)定的重要性。貴州織納煤田是“中—薄煤層群”的典型煤田之一。該井是一口探井，井身為二開結構：表層鉆至25 m；一開鉆至141 m，為該區(qū)6號煤層頂部30 m；二開鉆至396 m，為該區(qū)32號煤層底部。鉆遇煤層后全程取心，因此接下來將從井徑擴大率和巖心采取率兩方面，討論地層巖性特征、鉆井液性能對井壁穩(wěn)定性的影響。

由圖1中煤層氣井測井曲線與地層綜合分析結果可知，在井深190～350 m間，該井地層主要由砂巖、泥巖及煤巖組成，砂巖和泥頁巖在剖面上占主導地位，井壁失穩(wěn)主要發(fā)生在煤泥互層段。含煤層段呈現(xiàn)出“糖葫蘆”或“大肚子”形狀，且施工過程中鉆遇煤層時上返巖屑中出現(xiàn)大顆粒煤塊，說明在煤層段井壁發(fā)生嚴重失穩(wěn)現(xiàn)象。同時可以發(fā)現(xiàn)，煤層處井徑擴大嚴重，而頂、底板井徑擴大略弱。該井在鉆遇煤層前采用清水鉆進，進入220 m以深后，采用無固相抑制性鉆井液體系(KCl + K-PAM)，在盡可能保護儲層的前提下，以期改善煤層附近泥頁巖由于其水敏性而導致井壁出現(xiàn)“三低”結果的井壁不穩(wěn)定情況。

圖1織納煤田某煤層氣井測井曲線與地層綜合分析
Fig.1Comprehensive analysis of logging curves and formation of a coalbed methane well in Zhina Coalfield

圖2給出了該煤層氣井的井徑、井徑擴大率、巖心采取率隨井深變化的曲線。結合圖1中的地層巖心剖面可以發(fā)現(xiàn)：煤層段的井徑擴大率較大，最大可達72.3%，巖心獲取率較低，最低僅為40.7%；非煤層段的井徑擴大率較小，基本在2.0%以內，且?guī)r心采取率基本95.2%以上。取心施工過程中，采用無固相鉆井液體系，ρ=1.05 g/cm3，粘度30 s，濾失量15 mL。根據(jù)非煤層段巖心采取率，可認為無固相抑制性鉆井液體系起到了弱化泥頁巖水化膨脹的作用。然而，在煤泥互層段，施工過程中上返巖屑中仍然有煤塊存在，而265～268 m段取心率最低只有40.7%，從圖1測井曲線看出264～276 m煤泥互層段井徑成“糖葫蘆”狀，說明即便鉆井液擁有泥頁巖水化抑制性，煤泥互層段維持井壁穩(wěn)定難度仍然極大。

圖2井徑、井徑擴大率及巖心采取率曲線
Fig.2Hole diameter, hole diameter enlargement rate, and core recovery curves

煤系地層井壁失穩(wěn)機理，泥頁巖失穩(wěn)機理表現(xiàn)為力學-化學耦合失穩(wěn)，而煤巖側重表現(xiàn)為力學失穩(wěn)；在泥煤互層段，煤巖段井壁的穩(wěn)定性是關鍵因素，泥頁巖段井壁的穩(wěn)定性起控制作用[24]。從圖2中井徑擴大率可以看出，煤巖段井徑擴大率超過其臨近泥頁巖段。其原因與煤巖本身的性質密切相關，此外還與水化膨脹后的泥頁巖的推擠作用有關，后者會加劇節(jié)理與裂隙發(fā)育的煤巖段井壁的失穩(wěn)程度，甚至導致煤巖掉塊和坍塌[5]。同時，煤泥互層段的泥頁巖也存在失穩(wěn)的潛在可能，二者相互影響，致使保護煤系地層井壁穩(wěn)定更加復雜。這就是為何非煤層段井徑擴大率較小、巖心采取率較大，而煤泥互層段非煤層段的井徑擴大率大、巖心采取率低的原因。

實現(xiàn)煤層氣井井壁穩(wěn)定性，除了井身結構設計合理、鉆井液體系與地層匹配，煤泥互層地層坍塌壓力的準確計算也至關重要。鉆遇煤層時，鉆壓、鉆井液排量和鉆具震動的控制對維持煤層氣井井壁穩(wěn)定也十分重要。鉆前對地層壓力與地層物性進行較準確的預判，將對提高黔西南地區(qū)煤系地層井壁穩(wěn)定性大有裨益。

4 結論與認識

(1)泥頁巖的井壁穩(wěn)定性和煤巖的井壁穩(wěn)定性問題存在本質上的區(qū)別。針對黔西南地區(qū)煤系地層井壁穩(wěn)定性技術，不能只考慮對煤層的保護而忽略對泥頁巖層段的井壁失穩(wěn)問題，尤其在煤泥互層段，應同時考慮對泥頁巖和煤巖井壁的保護。

(2)解決黔西南煤系地層煤層氣井井壁失穩(wěn)難題，要兼顧化學和力學兩個方面的研究，得出兩種因素耦合后的合理鉆井液密度窗口。在可能的條件下，鉆井液要能可修復地封堵煤層段煤裂隙并與煤巖表面潤濕性相匹配，又能起到抑制泥頁巖段粘土礦物水化的作用。

(3)基于物探資料，對擬鉆地層的巖性及地層壓力剖面進行合理預測，對探井井壁穩(wěn)定性具有重要的工程意義。明確地應力方位與大小、優(yōu)選鉆井液類型及其密度、優(yōu)化鉆井液流變性并優(yōu)選鉆進水力參數(shù)、采用合理的鉆井工程技術措施，可以最大程度地維持煤系地層的井壁穩(wěn)定。