不同煤体结构组合下井径扩径的钻进主控因素

钳撑虫崴缸　西南石油大学学报（自然科学版）　２０１１年１２月第３３卷第６期　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｒ０Ｉ．３３　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２０１１　编辑部网址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｗｐｕｘｂ．ｔｏｍ　文章编号：１６７４—５０８６（２０１１）０６—０１３５—０５　中图分类号：ＴＥ２５４；Ｐ６１８　ＤＯＩ：１０．３８６３￣．ｉｓｓｎ．１６７４—５０８６．２０１１．０６．０２７　文献标识码：Ａ　不同煤体结构组合下井径扩径的钻进主控因素水　倪小明ｌ，　，石书灿　１．山西晋城无烟煤矿业集团公司，山西晋城０４８００６；２．河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作４５４０００；　３．中国石化中原油田企业管理处，河南濮阳４５７００１　摘要：煤层气井钻井时井径扩径严重程度直接关系到固井对煤储层的污染程度，最终影响煤层气井的产能；不同煤体　结构组合决定了井径扩径的钻进主控因素不同。根据焦作矿区恩村井田不同煤体结构的测井响应曲线结合钻井取芯资　料，得到不同煤体结构的声波时差值域；统计了各煤层气井不同煤体结构的厚度，划分出各煤层气井不同煤体结构组合及　井径扩径严重程度；根据目前的主要钻进参数，系统剖析了不同煤体结构组合条件下的井径扩径的钻进主控因素。分析　表明：煤体结构以Ｉ类煤为主时，钻井液密度对井径影响最大；煤体结构以ＩＩ类煤为主时，钻井液密度、天然裂隙发育与　最大水平主应力方向的关系对井径影响较大；煤体结构组合中有ＩＩＩ类和Ｉｖ类煤参与时，排量大小对井径的影响最大。　关键词：煤体结构；井径扩径；钻井液；钻进参数；煤层气　网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／５１．１７１８．ＴＥ。２０１１】１２９．０８３８．０１５．ｈｔｍｌ　倪小明，石书灿．不同煤体结构组合下井径扩径的钻进主控因素［Ｊ］．西南石油大学学报：自然科学版，２０１１，３３（６）：１３５—１３９．　引　言　煤层气地面开发是一项系统工程，勘探开发环　节中任何一项工程对煤层气产能而言都是一把“双　刃剑”，钻完井工程作为整个开发链条的中间环节，　其重要性不言而喻。钻井过程中钻井液易污染煤储　层，这使广大煤层气工作者从钻井过程储层保护角　度考虑研发了欠平衡钻井技术［卜　１，大大缩短了钻　井周期，节省了钻井成本，但在出水量较大的地层　中其应用受到了一定的限制［　。沁水盆地南部勘探　开发实践表明：低密度、低失水、低固相含量的钻井　液施工效果较好，并得到推广应用Ｉｓ＿８］。　针对一口煤层气垂直井而言，煤体结构的不同　影响到钻井过程储层保护的钻进参数的选取，这可　能引起煤层段的严重扩径并造成固井过程对储层更　大的伤害。探求不同煤体结构组合的井径扩大时钻　进主控因素是防止井径扩大的根本。本文通过测井　资料结合钻井取芯对恩村井田不同煤体结构组合进　行划分，剖析不同煤体结构组合下井径扩大的钻进　主控因素，给出不同煤体结构组合的钻进参数，以　便指导该区不同煤体结构组合下钻井工艺选择。　１焦作矿区恩村井田地质概况　焦作矿区位于太行山南麓，东起赵固勘探区东　界一１煤层露头，西至焦作柏山，与济源矿区接壤；　北起太行山南麓一１煤层露头，南抵武陟古隆起，　以盘古寺大断层为界。矿区整体为一倾向南东的单　斜构造，凤凰岭断层和峪河断层将本区分为南、中、　北３个构造断块，本文研究工作主要集中在矿区南　部的恩村井田。恩村井田南部为盘古寺断层，西部　至九里山断层，北部为凤凰岭断层，向东部埋深逐　渐增加到２　０００　ｍ以上，总体上为一近东西向的向　斜（图１）。构造形态经历了多次联合作用，致使该　区构造线展布受到干扰，力学性质也经几番变化，　不同程度地反映了它的复杂性和多样性。焦作矿区　构造轮廓如图Ｉ所示。　收稿日期：２０１０—０２—２５　网络出版时间：２０１１－１１—２９　基金项目：国家自然科学基金项目（４０９０２０４４）；中国博士后科学基金项目（２０１００４８０８４８）；河南理工大学博士基金项目（Ｂ２００９—５１）。　作者简介：倪小明（１　１９

７９一），男（汉族），山西临汾人，副教授，博士后，主要从事瓦斯地质与煤层气勘探开发方面的研究。　第６期　倪小明，等：不同煤体结构组合下井径扩径的钻进主控因素　１３７　２．２不同煤体结构组合划分　根据声波时差值可得出各井０．５　ｍ厚度内的煤　体破坏程度。对于ＩＩＩ类和ＩＶ类煤而言，测井曲线　的声波时差值界限不明显，且对一口井而言，若这　两类煤存在，则经常是混杂存在，因此，本文把这两　类煤划归到一起进行分析。　根据取芯与测井曲线对比，得出研究区Ｉ类、　ＩＩ类、ＩＩＩ类和Ｉｖ类煤对应的声波时差区间，统计　出各井对应的煤体结构厚度。根据统计结果，当　某类煤厚度小于０．６　ｍ时对井径的影响不大。因　此，若一口井中以ＩＩＩ类和ＩＶ类煤为主，Ｉ类煤厚　度占总厚度＜２５％，且厚度大于０．６　ｍ时，则命名为　含Ｉ类煤的ＩＩＩ类、ＩＶ类煤；含量为２５％～５０％，则命　名为Ｉ类、ＩＩＩ类、ＩＶ类煤；含量为５０％￣７５％，则命　名为ＩＩＩ类、Ｉｖ类、Ｉ类煤；含量＞７５％，则命名为含　ＩＩＩ类、Ｉｖ类煤的Ｉ类煤。因研究区煤层段均使用　２１５．９　ｍｍ钻头钻进，结合该区井径情况，把井径　扩径严重程度划分为４类，即２２０　２５０ｍｍ为正常；　２５０～３１０　ｎａＡＴＩ为轻微扩径；３１０～４１０　ｍｍ为较严重扩　径；＞４１０　ｍｍ为严重扩径。　恩村井田煤层气各井煤体结构组合及井径扩径　程度见表１。　表１　恩村井田煤层气各井煤体结构组合及井径扩径程度一览表　Ｔａｂ．１　Ｔｈｅ　ｌｉｓｔ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｃａｌｉｐｅｒ　ｅｘｐａｎｄｉｎｇ　ｉｎ　Ｅｎｃｕｎ　ｍｉｎｅ　ｆｉｅｌｄ　

从表１可看出，井径正常的煤层气井仅２口、轻　微扩径的井有３口、较严重扩径的井有５口、严重　扩径的井有５口。煤体结构组合为Ｉ类煤的井径正　常；煤体结构组合为ＩＩ类煤的井径扩径轻微；煤体　结构组合有ＩＩＩ类、ＩＶ类煤参与的井径扩径较严重　或严重　３井径扩径的钻进主控因素　分述之。　３．１煤层几乎全为Ｉ类煤　对于垂直井而言，井径扩径一般都是井壁的剪　切破坏而发生坍塌或掉块。Ｉ类煤岩内生裂隙相对　发育，而外生裂隙和继承性裂隙相对不发育，因此　可把此类煤岩体近似看作均质岩体。根据弹性力学　理论可知：煤层气垂直井井壁上的切向应力可表示　为［１６—１８］　Ｏ＂０＝（Ｏ＂Ｈ＋Ｏ＂ｈ）一２（Ｏ＇ｕ—Ｏ＂ｈ）ＣＯＳ　２０一Ｐｉ　（１）　在煤层中进行钻进时，钻进参数主要有：钻　式中　压、排量、转速、钻井液密度等。造成井径扩径的　日一切向应力，ＭＰａ；　原因无非是煤层破裂或煤层坍塌掉块两种情况。　Ｈ一最大水平主应力，ＭＰａ；　不同煤体结构组合下井径扩径的主控因素不同，　一最小水平主应力，ＭＰａ；

　１　３８　西南石油大学学报（自然科学版）　２０１１年　一井眼周围某点径向与最大水平主应力方向　的夹角，（ｏ）；　ｐｉ一井内液柱压力，ＭＰａ。　根据式（１）可知，当ＣＯＳ　０＝－一１，即与最小水平主　应力方向平行时，切向应力最大，此时煤岩体容易　发生坍塌掉块，造成井径扩大；当ＣＯＳ　０＝－１，即与最　大水平主应力方向平行时，此时切向应力表现为拉　张应力，使煤岩张裂，钻井液漏失于煤岩中，造成煤　储层污染。　煤岩体在此类煤中发生破裂的条件可表示为　Ｐｆ＝３ｏ－Ｈ一０ｒｈ—ｐｉ＋Ｓｔ　（２）　式中　煤岩破裂压力，ＭＰａ；　一煤岩抗张强度，ＭＰａ。　煤岩体在此类煤中发生坍塌掉块的条件可表　示为　ｐｆｔ＝３０－ｂ—Ｏ－Ｈ—Ｐｉ＋Ｓｔ　（３）　式中，ｐｆ【一煤岩掉块压力，ＭＰａ。　在不考虑起下钻压力波动时，钻井液密度在一　定程度上控制着井底压力与地层压力差，进而决定　了煤层段的破裂与坍塌。　钻进过程中只要钻压大于门限钻压，且钻进工　具允许，就可加快此类煤的钻进速度。亦即钻压和　转速的大小会影响钻具的磨损程度及钻进速度，对　井径的扩径影响较小。　综上可知：煤层几乎全为Ｉ类煤时，钻井液密度　过大可能造成煤岩的破裂，使钻井液发生渗漏，污　染储层；钻井液密度过小，可能引起煤岩剥落掉块，　引起井径扩大。此类煤中钻井液密度的大小是井径　扩大与否的主控要素。　３．２煤层几乎全为ＩＩ类煤　ＩＩ类煤岩多组互相交切的裂隙的存在增加了此　类煤钻进时煤岩破裂或坍塌的复杂性。此类煤中裂　隙相对发育。设最大水平主应力与煤储层天然裂隙　面夹角为　，则裂隙面上的正应力为［１９］　ｃｒｎ＝（Ｏ＂ｈ＋ｃｒＩ－ｉ）／２一［（　．Ｈ一０＂ｈ）ＣＯＳ２　】／２　【４）　式中　一裂隙面上的正应力，ＭＰａ；　天然裂隙面与最大水平主应力夹角，（ｏ）。　根据式（１）和（４）可知，若煤岩体发生破裂，首　先将沿着裂隙面破裂。井径扩大不仅受钻井液密度　大小影响，而且受到天然裂隙方向与最大水平主应　力方向关系影响。　ＩＩ类煤裂隙比较发育，使煤体强度降低，对钻　井液密度要求相对苛刻，钻井过程中钻井液密度很　难控制得非常合理，若此时排量较大，可能导致煤　层段沿着裂隙发育处剥落，但因煤体强度较大，可　能造成局部范围内扩径。　因此，ＩＩ类煤中，天然裂隙方向与最大水平主应　力方向的关系及裂隙发育程度导致煤体强度降低，　对钻井液密度要求更苛刻。　３．３有ＩＩＩ类、Ｉｖ类煤参与的煤层　ＩＩＩ类、ＩＶ类煤原生裂隙中分不出层理，次生裂　隙稠密，裂隙间距变密，煤松软，用较小的力可将煤　研成小碎块或粉状。因煤体强度较低，且多数以碎　块或粉状堆积着，储层激动大小对ＩＩＩ类、Ⅳ类煤井　径扩大严重程度密切相关。　钻进过程中，一般采用过平衡钻进，因煤体几乎　以碎块或粉状堆积，钻井液很容易渗入煤层，引起储　层污染；因煤体强度较低，不管钻井液密度大小如何，　都不能保证井径不扩大。若钻进过程中排量过大，对　煤壁冲刷严重，很容易使煤体破碎成小碎块，造成井　径扩大。因此，有ＩＩＩ类、ＩＶ类煤参与的煤层段控制　钻进过程中的排量大小是防止井径扩大的关键。　３．４不同煤体结构组合的钻进参数优化　通过恩村井田不同煤体结构组合下的井径钻进　主控因素分析，钻进参数优化结果见表２。　表２恩村井田不同煤体结构组合下钻进参数优化表　Ｔａｂ．２　Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｌｉｓｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ　ａｂｏｕｔ　ｃｏａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　Ｅｎｃｕｎ　ｍｉｎｅ

　第６期　倪小明，等：不同煤体结构组合下井径扩径的钻进主控因素　１３９　４结　语　（１）根据测井响应曲线结合钻井取芯资料，能　较准确地划分出煤体结构。　（２）煤层几乎全为Ｉ类煤时，钻井液密度的大小　对井径影响最大；煤层几乎全为ＩＩ类煤时，钻井液　密度、天然裂隙发育方向与最大水平主应力方向关　系对井径影响最　；煤体结构组合有ＩＩＩ类、ＩＶ类煤　参与时，排量大小对井径影响最大。　参考文献　［１］鲜保安，蒋卫东，杨程富，等．欠平衡钻井技术在保护　煤层气储层中的应用［Ｊ］．天然气工业，２００８，２８（３）：　５９－６０．　［２］黄志强，蒋光忠，郑双进，等．煤层气储层保护钻井关　键技术研究［ｎ石油天然气学报（江汉石油学院学报），　２０１０，３２（６）：１１６—１１８．　［３］鲜保安，孙平，王一兵，等．煤层气水平井欠平衡钻井　技术研究与应用［Ｊ］＿中国煤层气，２００８，５（１）：５－８．　［４］程益华，刘晓明，田晓龙，等．煤层甲烷气井中煤层的　破坏及其后果［Ｊ］．国外油田工程，２００６，２２（４）：１９—２５．　［５］孙建平．煤层气井钻井液特点的探讨［Ｊ］＿中国煤田地　质，２００３，１５（４）：６１—６２，７１．　［６】乔磊，申瑞臣，黄洪春，等．沁水盆地南部低成本煤层　气钻井完井技术［Ｊ］．石油勘探与开发，２００８，３５（４）：　４８２－４８６．　［７】吴天毅，陈宝义．山西沁水盆地煤层气定向井钻井工　艺［Ｊ］＿吉林地质，２００８，２７（１）：３３－３４．　李云峰．沁水盆地煤层气参数井钻井工艺［Ｊ】．探矿工　程（岩土钻掘工程），２００６（９）：５５—５７．　倪小明，陈鹏，李广生，等．恩村井田煤体结构与煤层　气垂直井产能关系［Ｊ］＿天然气地球科学，２０１０，２１（３）：　５０８－５　１２．　苏现波，林晓英．煤层气地质学（Ｍ］．北京：煤炭工业出　版社，２００９．　傅雪海，姜波，秦勇，等．用测井曲线划分煤体结　构和预测煤储层渗透率［Ｊ】．测井技术，２００３，２７（２）：　１４０－１４３．　龙王寅，朱文伟，徐静，等．利用测井曲线判识煤体结　构探讨【Ｊ］＿中国煤田地质，１９９９，１１（３）：６４—６６，６９．　汤友谊，孙四清，田高岭．测井曲线计算机识别构造软　煤的研究［Ｊ】．煤炭学报，２００５，３０（３）：２９３—２９６．　刘效贤，李承华．测井评价煤层气储层的方法探讨［Ｊ］＿　中国煤炭地质，２００８，２０（１２）：卜３．　杨东根，范宜仁，邓少贵，等．利用测井资料评价煤层　煤质及含气量的方法研究——以和顺地区为例［Ｊ］．勘　探地球物理进展，２０１０，３３（４）：２６２—２６５．　郑国宝，成恒棠．掘进工作面瓦斯压力场与应力场的　分布关系［Ｊ］＿中州煤炭，２０１０（１）：８６—８７．　李克向．实用完井工程［Ｍ］．北京：石油工业出版社，　２００２．　楼一珊，金业权．岩石力学与石油工程［Ｍ］．北京：石油　工业出版社，２００６．　焦作矿业学院瓦斯地质研究室．瓦斯地质概论［Ｍ］．北　京：煤炭工业出版社，１９９０．　（编辑：张云云）　编辑部网址：ｈｔｔｐ：Ｉｌｗｗｗ．ｓｗｐｕｘｂ．ｃｏｍ　踟　叫　¨　列　刀　刚　ｎ　ｎ　ｌ＝　ｌ＝　ｌ＝　ｌ＝｜　ｌ＝　ｌ＝　ｎ