煤层段钻进时的井壁失稳机理及其对策

煤层段钻进时的井壁失稳机理及其对策

煤层段钻进过程中极易发生井壁失稳的状况。本文从煤基岩的力学及物理化学性质入手，分析了煤层段井壁失稳的机理，采用Hoek-Brown公式来模拟煤岩的非连续性，并对煤层段的坍塌密度进行了实例计算，利用Ansys软件对计算结果进行了验证，研究表明采用Hoek-Brown强度准则计算煤层段的坍塌压力当量密度是安全有效的，在仅考虑力学作用的前提下，煤层不会发生崩落坍塌的状况。最后，总结了煤层段钻进时的技术对策。

标签：煤层井壁稳定性Hoek-Brown强度准则

1引言

目前我国所钻遇的井壁不稳定地层主要为易水化膨胀的泥页岩地层和破碎性地层。其中破碎性地层如煤层的井壁稳定性问题一直困扰着钻井工程，严重地阻碍了石油勘探开发的发展进程。钻井作业过程中煤岩坍塌可能带来两个方面的危害：（1）影响钻井安全，造成起下钻遇阻、遇卡、憋泵等事故和井下复杂情况，降低钻井速度和效率;（2）井眼直径严重扩大，井身质量差，在煤岩局部形成“大肚子”和“糖葫芦”井眼。同时由于环空间隙的剧烈变化，钻井液的上返速度差异大，严重影响带砂效率，水泥浆顶替返速达不到要求，难以保证固井质量。本文拟从煤岩的力学特性和物理化学性质入手，分析煤层段井壁失稳的机理，结合前人的研究基础给出确定了煤层段钻井液密度窗口的方法，最后提出了相应的工艺技术对策，优选了适合煤层段的钻井液体系及配方。

2煤岩的物理化学性质

煤岩含炭量较高，质轻易脆，且自身发育大量的天然裂隙、割理，相互垂直的面割理和端割理将煤基岩块分割成一个个斜方体（如图1所示）。割理以及裂隙的存在使得煤岩的力学行为表现出非连续性，其力学性质同砂泥岩也存在着较大差异[1]，见表1。

由表1不难看出煤岩的机械力学参数与常规砂岩储层有很大差别，泊松比大于砂岩，但煤岩的弹性模量却小于砂岩。White[3]的研究结果表明，煤岩的强度与含碳量有关。当含碳量为70%～80%时，煤岩的抗压强度达到最小;当含碳量大于80%时抗压强度随着含碳量的增大而增大;相应地，当含碳量小于70%时，抗压强度随着含碳量的减小而增大。此外煤岩周围的炭质泥岩具有很强的亲水性;且煤岩占主导的内生裂隙多被黏土矿物充填，电子显微镜观察[3]发现黏土矿物多为细分散状，斑点状或是浸染状产出，局部为团块状。

3煤层段井壁失稳机理

煤岩由于比表面极大而具有强烈的吸水性，煤岩周围的炭质泥岩同样具有很强的亲水性，水化后对煤岩层施加膨胀应力;且煤岩占主导的内生裂隙多被黏土

矿物充填，液体的侵入造成黏土水化，产生的内张力从很小的煤碎裂体内部进一步瓦解煤体的完整性，裂缝间的胶结被破坏，煤岩强度下降，内外力作用打破煤岩地层中近似平衡的稳定状态，煤层出现破碎掉块。煤层下泥页岩坍塌后，煤层因失去支撑而加剧其坍塌;同样，煤层的坍塌也促进了其上部泥页岩的坍塌，形成恶性循环。煤层出现破碎掉块。裂隙在滤液的侵入作用下的扩展和滑移同样也对煤层的井壁稳定性有很大的影响。

4煤层段安全钻井液密度窗口确定

由于煤岩具有高度的非连续特征，因此以连续介质理论为基础的井壁稳定性计算模型难以准确描述煤层周围的应力和应变情况，无法准确地确定煤层的坍塌压力。很多实例表明，在煤层段钻进时采用连续介质模型计算的钻井液密度，仍然出现了大面积井壁垮塌的现象。非连续性在数学、力学上都是挑战，因此如何解决非连续问题是理论界研究的重点，目前最常用的方法主要有两种：（1）采用Hoek-Brown公式来模拟煤岩的非连续性;（2）利用离散元或者断裂力学来研究煤岩的非连续性。

通常，安全钻井液密度的上、下限是根据某一井段地层自上而下的坍塌压力、破裂压力和地层孔隙压力确定的，安全钻井液密度上限等于这一段地层各深度处破裂压力的最小值，而安全钻井液密度下限等于这一段地层各深度处坍塌压力和孔隙压力的最大值。

5煤层段钻进时的技术对策

5.1 钻井液性能要求

依据煤层段的力学及物理化学特征，开展了大量的煤层段钻井液处理剂和体系的优选的调研工作，发现煤层段的钻井液需具备以下要求：（1）合理的钻井液密度。（2）钻井液应具有强封堵能力及优良的造壁性。（3）控制钻井液排量及优化钻井液流变参数。若钻井液排量大、粘度及切力低，在井眼内易形成紊流，对井壁的冲刷作用增强，从而造成煤层坍塌，同时导致钻井液携砂能力减弱;若粘度及切力太高，活动钻具或起下钻时井内压力波动增大，容易引起井壁煤块的松动，同样不利于井壁稳定。合理的流变性既能满足携砂要求又能减少对井壁稳定产生的不利影响。（4）钻井液应具有良好的抑制性。

5.2现场钻井工艺措施

在进入煤层之前，需要将钻井液体系调整为煤系地层的防塌钻井液体系，一次性加足各类材料，避免在煤层段钻进时大幅度调整钻井液性能;煤层段钻进时应甩掉稳定器及其他特殊工具，采用光钻铤钻具组合;采用适当钻压和转速（50～60r/ min），减少钻具旋转对井壁的冲击破坏;控制钻井液排量和流变性，适当降低排量并换较大的水眼，减轻射流对井壁的冲蚀作用，同时避免紊流对井壁的冲刷;严格控制起下钻速度以减轻波动压力对井壁的影响;严格控制钻速。

6结论

（1）煤岩强度低，质脆，发育有正交的割理组合及天然的裂隙。在钻头破碎、钻井液冲蚀、钻具碰撞等外力作用下，极易破碎坍塌;极发育的裂缝和孔洞使煤体比表面积特别大，毛细管作用突出，易吸附水，钻井液滤液进入煤层后，降低胶结力，引起煤体的水化膨胀，溶解裂缝间的胶结物，使煤层失去支撑，强度下降，常造成煤层剥落坍塌。

（2）煤层属于破碎性岩体，常规的Mohr-Coulomb强度准则无法准确地求取煤层段的坍塌压力，而Hoek-Brown公式可以用于模拟煤岩的非连续性，实例计算结果表明采用Hoek-Brown计算模型求取的钻井液密度是安全有效的。

（3）针对煤层裂隙、割理的特征，在钾基聚合物钻井液体系的基础上加入一定量的沥青材料，可以增强钻井液的封堵性能，以满足煤层段井壁稳定的需要。

参考文献

[1]严俊涛，孟英峰，李皋，等. 泥煤互层段井壁稳定分析新方法[J]. 钻采工艺，2012，35（4）：19-21.

[2]White C，Adrian P，Ivan C，et al. Aphron-based drilling fluid：Novel technology for drilling depleted formations in the North Sea[C]//SPE/IADC Drilling Conference. 2003.

[3]郝琦. 煤的显微孔隙形态特征及其成因探讨[J]. 煤炭学报，1987，12（4）：51-57.