卸壓煤層氣地面井的破壞方式探討

盧軍靈 李淑暢

(晉煤集團沁水藍焰煤層氣有限責任公司, 山西 048006)

卸壓煤層氣地面直井開發技術就是通過保護層的開采卸壓效應使得上覆巖層發生移動變形, 進而使鄰近煤層出現大量裂隙而產生明顯的“卸壓增透增流”效應, 從而實現煤層氣的大流量抽采, 因此卸壓煤層氣地面直井抽采將是煤層氣開發的一個重要發展方向。但是, 卸壓煤層氣開發實踐中的井孔穩定性問題極為突出, 煤層氣井在短期抽采后便失穩破壞而產氣中斷, 所以卸壓煤層氣地面井的井孔穩定性問題亟待解決, 而研究煤層氣井的破壞方式是基礎, 其對卸壓抽采煤層氣抽采的井位部署和井身結構優化有著重要的意義, 而探討這些問題的出發點是研究上覆巖層的移動變形特征。

1 卸壓開采覆巖移動變形特征

1．1 卸壓開采上覆巖層的“三帶”分布

煤層開采后, 其上覆巖層要發生移動和變形。經長期觀測證實： 覆巖的移動變形具有明顯的分帶性, 其分布特征與地質、采礦等條件有關。在采用走向長壁全部垮落法開采緩傾斜中厚煤層時, 只要采深達到一定深度, 覆巖的破壞和移動便可出現三個具有代表性的部分, 自下而上分別稱為： 冒落帶、裂隙帶和彎曲帶, 一般將這三個部分簡稱為“三帶”(如圖1) 。

圖1 覆巖破壞移動分帶示意圖

1．2 卸壓開采上覆巖層的移動形式

巖體受采動影響以前都經過多次反復的地質作用, 形成了由結構體和結構面構成的地質體。根據觀測和研究的成果分析, 在整個巖層移動的過程中, 開采煤層上覆巖層移動的形式概括為以下幾種：

(1) 彎曲： 這是巖層移動變形的主要形式。當地下煤層采出后, 上覆巖層中的各個分層即開始沿巖層層面的法線方向, 向采空區依次彎曲。如果巖層在彎曲過程中所產生的拉伸變形超過了該種巖石的抗拉強度極限, 則巖層內將出現裂隙乃至斷裂而使巖層失去連續性, 但巖層仍保持其層狀形式。

(2) 冒落： 是指巖體從整體巖層中分離并成塊狀破碎而垮落下來, 冒落是彎曲形式的發展。此時, 巖層不再保持其原來的層狀形式。這是巖層移動過程中最劇烈的移動形式, 它通常只發生在采空區直接頂板巖層中。直接頂板巖層垮落后, 由于破碎而使其體積增大, 充填采空區并促使其上部的巖層移動減弱。

(3) 離層： 采空區上覆巖層由于豎向移動變形的大小和速度不同而使巖層面之間或層理面之間產生的開裂現象稱為離層, 離層的發生主要是由于頂板以上拉應力達到層間聯結強度所致, 也可由拉剪作用形成不規則的離層, 規模較大的離層是由于采動影響程度較大和巖層的抗彎強度不同而產生的。

(4) 層間錯動： 這種移動方式是傾斜巖層或是巖層彎曲后在重力產生的沿層面下滑力的作用下,或者由于移動過程中相鄰巖層水平移動的大小或方向不同而使層面或層間軟弱帶兩側的巖層產生相對滑移而造成, 這類破壞主要發生在不同巖層交界處或軟弱面, 而且和巖層傾角關系密切, 巖層傾角越大其沿層面的滑移越明顯。

上述破壞形式的出現是由巖體本身的結構特征、物理力學性質和采動影響程度等共同決定, 從力學機理上可歸結為四種常見的破壞機制即： 張破壞、剪破壞、結構體滾動和結構體沿結構面滑動。

2 卸壓煤層氣地面井的受力情況

地面鉆井是在井眼中下入各級套管并用水泥環封閉套管與井壁間的空間而形成, 地面鉆井的破壞實質上是套管的損壞。卸壓煤層氣地面井套管失穩破壞的直接原因是煤層開采引起的巖層移動變形,所以卸壓煤層氣地面井的受力主要是巖層移動變形施加于鉆井套管上的外載力。因此, 依據巖層移動變形特征知, 卸壓煤層氣地面井所受的基本外載力有軸向拉 (壓) 力、徑向外擠壓力、層間滑移剪切力以及它們的共同作用力。

(1) 軸向拉 (壓) 力

煤層氣地面井的軸向拉力主要是由套管的自重和巖層移動變形引起的松散層疏水壓實、厚堅硬巖層下部離層引起, 其中最重要的是離層形成的拉伸應力。

套管受自重的拉伸力在所有油氣井都存在, 自重引起軸向拉力是由下而上逐漸增大, 在井口處,套管軸向拉力最大, 其計算如下式：

式中 q——套管名義單位平均重量 (包括接箍在內) , kg/m;

L——套管長度, m;

T——井口處套管軸向拉力, kg。

考慮浮力時, 套管柱在泥漿中的重量計算如下式：

式中 γm——泥漿密度, g/cm3;

γs——套管鋼材密度, g/cm3;

Tb——套管在泥漿中的重量, kg。

松散層的疏水固結沉降理論上會對鉆井套管產生軸向壓力。在厚松散層發育區, 煤層開采引起的巖層移動溝通了地層水力聯系, 致使松散層中的水沿著導水裂隙排出。隨著大量松散層中水的流失,松散層中的有效應力增大, 松散層趨于壓實, 由于套管固結在井筒中, 所以, 套管隨固井水泥環一起變形。由于鋼的強度高, 因而上覆巖層負荷集中于套管上, 引起套管軸向壓縮應力, 并且松散層壓實的程度越大則鉆井套管受到的壓力就越大。如果施加于套管上的壓力超過了套管的極限強度, 套管就會發生彎曲變形或者脆性破裂, 但是這種情況在實際中很少發生, 目前套管基本上能夠抵抗軸向壓縮變形。

巖層離層的發生使得鉆井套管受軸向拉伸力的作用。離層是采動覆巖移動變形的主要形式, 是由于巖層的豎向變形和速度差異而產生, 主要發生于上下巖層巖性及厚度差異較大的地層之間, 而且二者巖性和厚度差異越大則離層越明顯, 套管所受的拉伸力就越大, 套損的可能性就越大 (如圖2) 。

圖2 卸壓開采覆巖離層與套管縮徑變形

(2) 徑向擠壓力

徑向擠壓力主要是由于強大的地層流體壓力和易流變的泥巖、鹽巖在地應力作用下蠕變產生的,常規油氣井套管很大一部分是受徑向擠壓力而破壞的, 這種徑向擠壓破壞主要發生于地應力較大的深部地層, 而且這種力隨著時間的增加逐漸增大。卸壓煤層氣地面井的深度普遍較淺, 因而煤層氣地面井不像石油天然氣井那樣會受到較大的擠壓力, 雖然巖層移動的結構體滾動和轉動也可以形成徑向擠壓力, 但是這種擠壓力仍然較小, 而且也不普遍。所以徑向擠壓力不是卸壓煤層氣地面井的主要破壞力。

(3) 層間滑移剪切力

層間滑移剪切力主要是受卸壓開采的層間滑移造成, 層間滑移是巖層移動的主要形式, 因而套管受層間滑移剪切破壞也最普遍。層間滑移剪切力對卸壓煤層氣地面井的破壞是最重要的, 受層間滑移剪切力破壞較嚴重的淮南礦區有90%以上的井孔因此破壞; 另外其對井孔的破壞程度最嚴重, 受該力破壞的井孔大多被直接錯斷而停止產氣。

(4) 雙軸共同作用力

煤層開采造成的巖層移動變形很復雜, 所以施加于套管上的載荷不可能為單一的軸向拉力、徑向擠壓力或者剪切力, 往往是諸多力共同作用的情況較多。雙軸作用力是指套管在受軸向力的同時,套管還受徑向上的擠壓力或者剪切力的作用。研究表明,當有軸向載荷作用時,套管的抗擠抗剪強度大幅下降,所以這種雙軸作用力對套管損壞影響很大。

3 卸壓煤層氣地面井破壞方式

常規油氣田開發中套管破壞主要是由于地應力作用或是注水使泥巖段膨脹、蠕變而擠毀、剪毀套管, 或是套管受化學、生物腐蝕作用受損, 煤層氣地面直井的破壞可部分借鑒常規油氣井的套損經驗, 但是兩者在破壞主因上存在較大的差異, 煤層氣地面直井由于受到煤層采動引起的巖層移動的影響, 套管的破壞方式主要體現在力學因素的損壞,套管的受力情況諸如以上所分析, 因而與之對應卸壓煤層氣地面井的破壞方式有下面四種：

(1) 軸向拉伸力引起的變形破壞, 這種破壞方式主要是由巖層采動的離層造成, 其破壞形態主要是縮徑變形 (圖3) 。

(2) 徑向擠壓力引起的變形破壞, 破壞形態主要是橢圓形變形、徑向凹陷變形和彎曲變形。這種破壞方式目前不是卸壓煤層氣地面井的主要破壞方式, 可以暫時不做重點考慮, 但是以后隨著煤層氣井向深部發展, 徑向擠壓力破壞將會轉變成煤層氣井破壞的主要方式 (見圖4、圖5、圖6) 。

圖3 套管縮徑變形

圖4 套管橢圓形變形

圖5 套管彎曲變形

(3) 層間剪切力引起的變形和錯斷破壞, 這是受上覆巖層的層間滑動造成, 破壞力較弱則為彎曲變形破壞, 若破壞力較強則發生錯斷破壞 (圖7) 。

(4) 雙軸作用下的錯斷破壞, 在軸向拉力的作用下套管的抗擠抗剪強度下降, 所以導致套管主要發生錯斷破壞。

圖6 套管徑向凹陷變形

圖7 套管錯斷 (據劉合, 2003)

上述四種破壞方式中, 對煤層氣井影響最大的是軸向拉伸破壞和徑向剪切破壞, 以及二者的共同作用, 同時, 也可看出卸壓煤層氣地面井套管的破壞形態主要是錯斷和變形兩種, 并以錯斷為主。套管錯斷對煤層氣井的影響不必多說, 而對于套管變形, 由于一定程度的變形對氣井影響并不大, 所以煤層氣井可以允許小幅度變形, 但是套管的變形是隨著煤層的采動不斷地變化的, 隨著采動的進行,套管的輕微變形可能逐漸演變為嚴重變形而影響產氣。另外, 值得注意的是套管變形若是發生在套管接頭處, 會使套管產生密封性破壞, 可能導致水或者泥砂進入井孔堵孔而停止產氣, 所以變形也應該引起足夠的重視。

卸壓煤層氣地面井的破壞除受軸向力、層間剪切力以及雙軸作用力外, 也會像常規油氣井那樣受到化學腐蝕作用和機械磨損作用, 但是相對于煤層開采造成的巖層及應力的劇烈調整對井孔的影響而言太小, 可以不作為重點研究對象。

4 結論

(1) 受煤層采動影響, 上覆巖層移動變形形式主要表現為彎曲、冒落、離層、層間滑移。

(2) 依據巖層移動變形特征, 卸壓煤層氣地面井所受的基本外載力有軸向拉 (壓) 力、徑向外擠壓力、層間滑移剪切力以及它們的共同作用力。

(3) 根據卸壓煤層氣井的受力情況知其破壞方式有： 軸向拉伸變形破壞、徑向擠壓變形破壞、層間剪切變形和錯斷破壞、以及雙軸共同作用下的錯斷破壞, 其中徑向擠壓變形破壞目前不是卸壓煤層氣地面井的主要破壞方式, 可以暫不做考慮。

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