煤层坍塌机理与防塌技术分析

煤层坍塌机理与防塌技术分析

摘要：煤岩的应力变化对煤层的影响大、煤岩的弹性模量小、较低的抗拉强度,存在裂隙和巨大的比表面,对机械和物理化学的外力作用敏感。

稳定煤岩井壁从两方面考虑：1.钻井工艺技术措施。2.钻井液技术对策。煤层防塌主要从钻井液方面考虑，所用钻井液体系及性能起着至关重要的作用。

关键词：煤层防塌坍塌井壁稳定钻井液

引言：

由于地层煤层多，下钻需要的划眼的时间长，钻头的使用效果被影响，钻进期间的扭矩不稳定，蹩跳严重，严重影响钻进的时间，影响钻进的速度，多次造成卡钻事故，使得井壁垮塌十分严重。由于煤层的影响，所造成的煤岩坍塌、井漏、煤层气侵等问题，也极大的影响了钻井的速度。正因为煤层对钻井的影响如此严重，所以研究煤层的相关性质及其机理,找出适当的钻井方法及防塌钻井液配方，解决在钻遇煤层时面临的煤层坍塌问题是极其迫切的。

1、煤岩的性能和特征

1.1 煤岩的性能

与常规的砂岩和泥岩相比较，煤岩的弹性模量比较低，具有较高的泊松比，较低的抗压及抗拉强度，脆性比较大，容易破碎，容易受压缩。而且由于煤岩不均质性的结构，原生和次生裂隙非常发育和复杂，均使得煤岩的物理和力学性质具有显著的各向异性特征。

1.2 煤岩的结构构造特征

煤岩的组成、结构特征造成了岩石物质成分的非均质性、物理力学性质的各向异性和构造的不连续性。在同一个煤层中，煤岩的组成成分在不同方向以及不同深度上的差异，表现出其非均质性和各向异性，以及在其生成过程中所形成的明显的层状构造和孔隙结构所体现出的差异。

1.3 煤层井壁稳定的影响因素

（1）煤本身的脆弱性。（2）钻井液中水的影响。（3）混油的影响。（4）煤岩失稳的特殊性。

2、煤岩坍塌的机理分析及影响

2.1 煤岩坍塌的机理

煤岩坍塌的机理有以下几点：

（1）由于煤岩极其发育的节理和裂隙，胶结较疏松，容易破碎，当地层被钻开时，钻井液进入后，产生水力冲击、压力波动及震动等，煤岩之间的胶结力被降低，导致坍塌。（2）由于煤层中含有许多种粘土矿物，造成水化极其不均匀，导致煤层的局部强度有所下降；高温会更一步加剧煤层的水化，使得粘土分散、水化产生内张力，从而导致煤体崩解。（3）泥页岩的膨胀推挤和格档效应。（4）钻井液密度太低，地层坍塌压力不能被液柱压力平衡，容易造成井壁的坍塌。（5）在钻井施工过程中，钻具不是单一的一种运动状态，由于钻具之间的相互碰撞、起钻和下钻操作不平稳时，也会促使地层垮塌。

2.2 煤岩坍塌产生的影响

钻井过程中煤岩坍塌，可能带来以下三个方面的危害。（1）影响钻井过程的安全性，特别是影响取芯作业时的安全和岩芯的质量，会造成起下钻遇到阻碍和卡钻事故，使得钻进速度和效率降低。（2）严重扩大的井眼直径，井身质量比较

差，在煤岩局部形成像“大肚子”形状和“糖葫芦”形状的井眼，同时由于环状间隙的变化，钻井液的返回速度相差比较大，影响携带砂的效率，泥浆顶替返回速度达不到要求，很难保证固井的质量，从而不能保证钻井后期改造煤层的压裂施工要求。（3）由于井眼被扩大的原因，用套管射孔所完成的环空中的水泥环厚度变厚，射孔弹穿透煤层的有效深度被影响，煤层气的增产措施效果不好，预计产量达不到设计的要求。

3、稳定煤岩井壁对策

煤岩是极易破碎，极易坍塌的岩体，井壁容易失去稳定性，煤岩的稳定性会受到以下几个因素的影响：所用钻井液体系及其性能、钻井液的流态和流变性、钻井施工工艺(钻柱组合形式、水力参数等)、钻具的机械碰撞等。其中，起重要作用的是所用钻井液体系及性能，所以，对钻井液的要求有以下几点：（1）钻井液的密度要合理。（2）钻井液应该具有较强的封堵能力和非常好的造壁性能。（3）优化钻井液流变参数。（4）抑制性能良好。（5）润滑性能好。（6）PH值适中。（7）热稳定的性能优良。

4、结论与建议

4.1 结论

（1）由于煤岩吸水后会引起无机盐的溶解和粘土矿物的水化膨胀, 裂缝之间的胶结状态被破坏, 使得煤岩的强度下降很多。（2）煤层具有破碎易塌的特点是因为节理裂隙和割理的作用。当地层被钻开时，由于进入钻井液，产生水力冲击、压力波动及震动等，使得煤岩之间的胶结力降低，从而导致煤岩的坍塌。（3）有时钻井液体系的防塌作用不能发挥出来，如果钻井液密度偏大，会使粘切值偏高，PH值过高。仅仅依靠提高钻井液的密度，不仅不能稳定井壁，反而会增加滤失量，从而导致井漏，并使得被滤液侵入范围增加，甚至会产生新的裂缝，裂缝继续延伸，使得原本破碎的地层会更加不稳定。如果粘切值过高，转动钻具或者起下钻时的波动压力有所增加，也容易松动井壁的煤块，很不利于井壁稳定性。

4.2 建议

经过以上分析，得出以下几点建议：（1）每个井段的煤层都应该严格遵循原则进行钻进，不能仅仅靠提高钻井液的密度来平衡地层的压力。（2）尽量考虑化学封堵的方法，尤其是对(碳质)泥岩夹煤层、砂岩互层地层的封堵是目前比较有用的防塌方法。

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