煤層氣欠平衡鉆井中井壁穩(wěn)定性分析

李一勐，毛磊

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部湛江作業(yè)公司，廣東 湛江 524000； 2.中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部深圳作業(yè)公司，廣東 深圳 518000)

1 研究目的和意義

隨著全球石油和天然氣資源枯竭，人們環(huán)保意識(shí)不斷提高，清潔能源不斷被開發(fā)，煤層氣的勘探、開發(fā)和利用已從自然能源中脫穎而出。煤層氣的開發(fā)與利用能改善瓦斯事故的防范水平和安全效果，有效減少溫室氣體的排放[1]。

目前欠平衡鉆井技術(shù)是一種在國際上已經(jīng)成熟的鉆井新技術(shù)。在國際能源日趨緊張的形勢(shì)下，采用欠平衡技術(shù)開發(fā)煤層氣鉆取目的層，可有效保護(hù)氣層、環(huán)境和增產(chǎn)，并改善鉆孔速度、延長(zhǎng)鉆頭壽命、避免循環(huán)喪失、減少壓差卡鉆[2]。

欠平衡技術(shù)對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)有積極作用，可為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供巨大推動(dòng)力。但在煤層氣開采中面臨諸多問題，國內(nèi)外都還沒能有效解決。其中在煤層鉆進(jìn)中多采用的欠平衡技術(shù)，也還有不少難點(diǎn)等待突破。本文旨在分析和總結(jié)其中的難點(diǎn)問題。

2 欠平衡鉆井技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

欠平衡鉆井(UBD)，又稱負(fù)壓鉆井，是指控制地層流體進(jìn)入井底，當(dāng)?shù)撞靠椎膲毫Φ陀诘貙訅毫r(shí)循環(huán)到地表的挖掘技術(shù)。它包括以下兩個(gè)方面：首先，循環(huán)介質(zhì)的等效循環(huán)密度應(yīng)低于井環(huán)鉆井層間隙水壓等效密度(儲(chǔ)水層)，其差為欠壓值。其次，地層流體必須以受控方式流入井中，循環(huán)到地表，然后才能分離。

欠平衡鉆井在勘探與開發(fā)中的作用主要有：(1)在油氣勘探中，可發(fā)現(xiàn)低壓、復(fù)雜的巖層、水敏感性、破碎和其他類型問題與保護(hù)蓄水池。在油氣勘探中，這是儲(chǔ)水層識(shí)別技術(shù)[3]；(2)在油氣勘探中，不均衡的鉆探技術(shù)能有效保護(hù)復(fù)雜的巖層，提高單井產(chǎn)量，降低開發(fā)成本。因此，對(duì)于油氣開發(fā)來說，它是一種儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)；(3)欠平衡鉆井技術(shù)屬于二次井控技術(shù)、還包括儲(chǔ)層保護(hù)鉆井技術(shù)、涉及防漏技術(shù)和提高機(jī)械鉆速的工藝。它能提高鉆頭鉆速，解決泄漏問題和減少壓差卡鉆。

在20世紀(jì)70年代，各國應(yīng)用該技術(shù)打開儲(chǔ)層增產(chǎn)[4]，1980年后,由于石油和天然氣的勘探和開發(fā)已經(jīng)從常規(guī)壓力、中高滲均質(zhì)砂巖等良好的探礦及開發(fā)條件，過渡至非傳統(tǒng)石油及天然氣等惡劣的勘探開發(fā)條件，欠平衡鉆井已經(jīng)成為新的發(fā)展方向，井口控制系統(tǒng)、氣體注入系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等逐步被開發(fā)，充氣液和輕泥漿欠平衡水平井也大力發(fā)展[5]。但總體上對(duì)于欠平衡鉆井技術(shù)的應(yīng)用和研究國內(nèi)與國外還存在著較大差距。

3 煤層氣欠平衡鉆井技術(shù)

在地質(zhì)變化和地?zé)嵊绊懴拢诿簩拥目紫逗土严吨忻簩託馐俏綘顟B(tài)[6]。砂巖、碳酸鹽巖和煤儲(chǔ)層特征對(duì)比度如表1所示。

表1 砂巖、碳酸鹽巖和煤儲(chǔ)層特征對(duì)比度

4 煤層氣欠平衡鉆井中的主要問題

4.1 煤層井壁失穩(wěn)

(1)煤巖的細(xì)微結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)指煤巖裂縫結(jié)構(gòu)。裂縫的加大和位移也會(huì)給煤層井穩(wěn)定性造成較深影響。

(2)力學(xué)特性：井的穩(wěn)定性會(huì)受到機(jī)械特性的直接影響。煤巖碳含量為70%～80%時(shí)抗壓強(qiáng)度最小。

(3)化學(xué)特性：煤巖主要受儲(chǔ)層破碎的構(gòu)造和無機(jī)鹽、粘土礦物影響，當(dāng)儲(chǔ)層發(fā)生接縫或微小龜裂時(shí)，會(huì)放大毛細(xì)管現(xiàn)象，孔隙比表面積增大。

4.2 井壁坍塌壓力的計(jì)算

4.2.1 巖石的強(qiáng)度條件

如圖1所示，σ1和剪切面法向夾角等于β，法向正應(yīng)力為σ，剪應(yīng)力為τo。巖石還有剪切面上的內(nèi)摩擦阻力μσ，具體公式：

圖1 巖石剪切破壞

式中：μ為巖石的內(nèi)摩擦系數(shù)；φ為巖石的內(nèi)摩擦角。

式(1)是常用的庫侖—摩爾強(qiáng)度，它是通過兩個(gè)以上不同圍壓的三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)確定。

如圖2所示，式(1)可用主應(yīng)力σ1和σ3改寫為：

圖2 用主應(yīng)力表示的強(qiáng)度曲線

式中：σc為單軸抗壓強(qiáng)度，或

當(dāng)巖石有間隙水壓Pp時(shí)，有效應(yīng)力可表示如下:

巖石是否破壞需要看粘聚力和內(nèi)摩擦角，這是表征兩個(gè)重要參數(shù)。從式(7)能看出：庫侖—摩爾準(zhǔn)則中沒有考慮中間主應(yīng)力的影響，三維準(zhǔn)則極少使用。另一個(gè)強(qiáng)度準(zhǔn)則：

4.2.2 井壁坍塌處的應(yīng)力

隨θ角的變化曲線，在θ=90o和θ=270o處，σθ值最大。由于頁巖滲透率極低，挖掘流體性能良好時(shí)，可忽略挖掘流體向地層的滲透，頁巖井可視為不滲透性井。井壁坍塌處應(yīng)力公式為：

4.2.3 用庫侖—摩爾強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算坍塌壓力

井壁坍塌處式(13)的σ是θ最大有效主應(yīng)力，σr是最小有效主應(yīng)力，代入庫侖—摩爾強(qiáng)度條件式，井壁穩(wěn)定的鉆井液密度公式為：C為巖石的粘聚力(MPa)；H為應(yīng)力非線性修正系數(shù)；

式中：ρm為鉆井液密度(g/cm3)；H為井深(m)；σh1、σh2為分別水平地應(yīng)力(MPa)。

因?yàn)殂@井液密度的設(shè)計(jì)要顧及裸眼井段大部分地層穩(wěn)定性的需要，對(duì)于少數(shù)強(qiáng)度低要求高密度鉆井液來保持穩(wěn)定性的地層，若情況不是很嚴(yán)重，也只好讓其有些剝落掉塊[6]。在設(shè)定δ=0后，代人庫侖—摩爾準(zhǔn)則，其結(jié)果為：

4.2.4 用德魯克—普拉格準(zhǔn)則計(jì)算坍塌壓力

將式(13)的σθ和σr代入德魯克—普拉格準(zhǔn)則式(8)，得到地層坍塌壓力的當(dāng)量鉆井液密度計(jì)算公式為：

式中：R、Kf分別為地層強(qiáng)度參數(shù)。

4.2.5 井壁巖石的拉伸崩落

井口崩塌的另一個(gè)原因是井口內(nèi)挖掘流體柱的壓力低于低滲透率層的間隙水壓，導(dǎo)致井口巖石被拉扯坍塌。這主要發(fā)生在過渡帶壓縮不足、過壓、低滲透率的頁巖。坍塌時(shí)鉆井液密度公式如下：

式中：St為地層的拉伸強(qiáng)度(MPa)；H為井深(m)；Pp為地層的孔隙壓力(MPa)；ρp為坍塌處鉆井液密(g/cm3)。

5 鉆井液設(shè)計(jì)考慮

5.1 鉆井液體系的選擇

欠平衡鉆井在鉆井過程中產(chǎn)生負(fù)壓差難以避免，負(fù)壓差可自然產(chǎn)生，也可通過人工方式來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)根據(jù)各種地層壓力、地層條件、生產(chǎn)層條件選擇流體種類。液相體系、充氣液體系、泡沫體系、氣/霧體系是欠平衡鉆井作業(yè)中常用的鉆井液體系。鉆井液體系選擇一般考慮欠平衡鉆井需要的井底壓力。流體的性能必須滿足能搬運(yùn)沙子、保護(hù)井口、使石油和天然氣容易分離的要求。

5.2 鉆井液密度確定

油藏工程公式得到地層壓力的是試油靜壓、鉆桿測(cè)試壓力。dc指數(shù)、聲波時(shí)差等地層壓力的檢測(cè)結(jié)果只能作為參考，因?yàn)閴毫z測(cè)方法的誤差達(dá)10 %，結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出欠平衡要求的負(fù)壓差范圍，除非探井無確切的壓力要求。流體的密度可根據(jù)事先決定的負(fù)壓差進(jìn)行設(shè)計(jì)，流體密度的設(shè)計(jì)必須在井口壓力為零的條件下，這樣正常鉆井中負(fù)壓差才能達(dá)到規(guī)定值。

式 中：Pp為地層 壓 力(MPa )；Pa為 環(huán) 空壓耗(MPa)；H為 井 深(m)；ΔP為 負(fù)壓差(MPa)，取 1 MPa。

式中：Pv為塑性黏度(mPa·s)；Q為排量(L/s)；Li為第i段段長(zhǎng)(m)；Dhi為第i段井眼直徑或套管內(nèi)徑(mm)；Di為第i段鉆柱(鉆桿或鉆鋌)外徑(mm)。

湍流狀態(tài)下環(huán)狀壓力損失的計(jì)算式，鉆井是按照噴射挖掘的最大位水力或沖擊力原理設(shè)計(jì)的，以滿足清理巖屑要求為原則。當(dāng)流動(dòng)狀態(tài)為層流時(shí)，按式(26)計(jì)算：

式中：Lp為鉆桿長(zhǎng)度(m)；γp為屈服值(Pa)。

5.3 鉆井液其他因素的考慮

欠平衡鉆井液除了要重點(diǎn)考慮滿足設(shè)計(jì)要求的壓力系數(shù)之外，還需要對(duì)其他一些因素加以考慮，主要有以下四方面：

(1)石油、天然氣、水的三相流體從地層流入井中，與循環(huán)的挖掘流體接觸?？紤]地層水與鉆井液濾液產(chǎn)生結(jié)垢和沉降物會(huì)影響生產(chǎn)，因此需要高黏度的穩(wěn)定乳液，表面活性劑抑制乳化時(shí)要防止鉆井液漏失到地層中造成潤濕性影響。

(2)地層流體對(duì)鉆井液的稀釋。循環(huán)鉆井液可能被地層流體稀釋，使鉆井液受到污染。針對(duì)這種情況，應(yīng)對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)出物進(jìn)行濁點(diǎn)測(cè)量，以確定是否會(huì)影響泵和井下馬達(dá)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并保證兩者接觸時(shí)不發(fā)生析蠟。

(3)鹽水與循環(huán)鉆井液中如果含有氧，流體會(huì)腐蝕井筒，用氮?dú)饣蚩諝馇菲胶忏@井，氣中含有硫化氫，腐蝕會(huì)加重。

(4)鉆井液的黏度。當(dāng)鉆井過程中出現(xiàn)問題，失去了欠平衡條件，基礎(chǔ)泥漿中含有的高黏度物質(zhì)會(huì)慢慢侵入地層，因此在欠平衡的鉆井中，不應(yīng)考慮使用高黏度的流體。在低滲透率被水浸濕的儲(chǔ)存層進(jìn)行欠平衡的鉆井時(shí)，地層的毛細(xì)管壓力可能會(huì)引起地層的損傷。

6 結(jié)語

利用欠平衡鉆井技術(shù)有效地對(duì)煤層氣進(jìn)行開發(fā)，針對(duì)煤層井壁穩(wěn)定和儲(chǔ)存保護(hù)存在的問題，根據(jù)文中資料調(diào)研和問題分析得出以下結(jié)論：

(1)常規(guī)煤層氣開發(fā)技術(shù)具局限性，因?yàn)橹袊簩託獠靥攸c(diǎn)是低滲低壓，儲(chǔ)層物性不好會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層低滲透、煤層氣難解吸、游離氣流動(dòng)不足等問題。需要采用非常規(guī)的鉆井完井技術(shù)，而欠平衡鉆井技術(shù)便是其中一種較好的鉆井技術(shù)，能較好地保護(hù)煤氣儲(chǔ)層，為加速經(jīng)濟(jì)鉆進(jìn)提供有力支持。

(2)煤層具有很強(qiáng)的應(yīng)力敏感性。煤層壓力的增加會(huì)導(dǎo)致滲透率的大幅下降，滲透性損傷是不可逆的，最終對(duì)煤層氣的生產(chǎn)能力產(chǎn)生重大影響。了解應(yīng)力的煤層靈敏度有助于制定合理的開發(fā)計(jì)劃。

(3)要保證在煤氣層鉆井過程中井壁穩(wěn)定，需要先研究煤層巖石力學(xué)特征，再根據(jù)文中計(jì)算公式計(jì)算預(yù)測(cè)獲得煤層鉆井過程中的三壓力剖面，從而選擇合理的鉆井液密度并設(shè)計(jì)欠平衡鉆井的欠壓值。

(4)在煤氣層鉆井中，鉆井液的配方應(yīng)當(dāng)起到有效的防塌作用。煤層氣欠平衡鉆井液的技術(shù)關(guān)鍵在于基液的選擇，應(yīng)全面考慮氣體層的特性、操作和經(jīng)濟(jì)因素。