影響煤層氣水平井井壁穩定性的地質因素分析

楊 健倪元勇王生維秦 義劉 偉胡 奇（.中國地質大學（武漢），湖北武漢 007；2.國家知識產權局專利局機械部，北京 00088；.華北油田公司鉆采部，河北任丘 062550；.華北油田公司采油工程研究院，河北任丘 062550）

引用格式：楊健，倪元勇，王生維，等.影響煤層氣水平井井壁穩定性的地質因素分析［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：5-9.

影響煤層氣水平井井壁穩定性的地質因素分析

楊 健1，2倪元勇3王生維1秦 義4劉 偉1胡 奇1（1.中國地質大學（武漢），湖北武漢 430074；2.國家知識產權局專利局機械部，北京 100088；3.華北油田公司鉆采部，河北任丘 062550；4.華北油田公司采油工程研究院，河北任丘 062550）

引用格式：楊健，倪元勇，王生維，等.影響煤層氣水平井井壁穩定性的地質因素分析［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：5-9.

摘要：通過煤礦井下實測，直觀描述了煤層水平孔的失穩、垮塌特征，統計分析了煤層水平孔穩定性與埋深、煤堅固性之間的關系，并應用晉城地區現有煤層氣水平井的實際排采數據進行了對比分析。認識到影響煤層氣水平井井壁穩定性的主要地質因素是：小微構造、地應力、埋藏深度，其中小微構造導致水平井眼易穿過構造軟煤區，地應力、埋藏深度會增加井壁的受力導致井壁失穩垮塌。研究結果為從地質方面預防井壁失穩提供了理論依據。

關健詞：煤層氣水平井；失穩垮塌；小微構造；埋藏深度；地應力

煤層氣多分支水平井技術是一種集鉆井、完井和增產措施于一體的先進技術［1］，能夠克服晉城地區煤儲層裂隙不發育、滲透性低，地勢險峻，井場建設困難等缺陷［2］。2004年以來晉城地區已投產86口水平井，但高產井只占約20%。分析鉆井史資料認為井壁垮塌、堵塞是制約煤層水平井高產的瓶頸問題。

關于煤層氣水平井穩定性問題，國內學者做了許多理論研究。張哲，唐春安（2006）等分析了井眼周圍裂紋萌生、擴展及應力遷移、釋放［3］。鮮保安等（2007）利用斷裂力學研究了煤層的井壁穩定， 把井壁附近裂紋簡化為小孔， 分析了小孔附近裂紋的應力集中［4］。屈平，申瑞臣等（2009）分析了節理煤層的井壁失穩機理，建立了節理煤層井壁穩定評價模型［5］。屈平，申瑞臣（2011）等利用三維離散元分析煤層氣水平井，進行了井壁穩定數值模擬，提出了內外雙層建模技術［6］。前人做了深入的理論分析，并企圖建立盡量接近于真實工況的精確數學模型。但煤層是深埋地下的脆弱巖體，物理性質復雜，數學模型不足以做出全面的描述。因此應該深入礦井觀測煤層水平孔失穩特征，并從地質的角度分析該問題，對煤層氣水平井優化布井提出指導。

1　煤層水平孔穩定性典型實例

1.1 穩定型

觀測點埋深300 m，構造簡單，處于寬緩的向斜核部，煤層傾角2~3°。地應力特征為SH＞Sv＞Sh，側壓比1.23~1.53，SH方向為NWW284.4°。鉆孔位于堅硬的原生結構煤層，宏觀煤巖類型為半亮煤，煤階屬無煙煤，煤堅固性系數f為1.2~1.4。該水平孔使用?76 mm鉆頭鉆成，觀察時剛鉆成7 d。

水平孔孔口為規則的圓形（圖1a），孔徑約80 mm。鉆孔內部孔壁堅固、平整，無裂隙、垮塌等失穩現象，但遺留有少量鉆屑。

1.2 “橫向擠扁”型

觀測點埋深310 m，構造背景簡單，煤層呈傾角3~4°的單斜。地應力特征與穩定型相同。鉆孔位于原生結構煤層中，宏觀煤巖類型為半暗－半亮煤，煤階屬無煙煤，堅固性系數f為1.0~1.2。該水平孔使用鉆頭?96 mm鉆成，已鉆成479 d。

孔口呈橢圓形（圖1c），垂向孔徑為82 mm，水平方向孔徑75 mm。對比96 mm的鉆頭直徑，可知其明顯縮徑。鉆孔頂部可見擠壓裂隙（圖1c），一條主裂隙沿軸向上延伸，周邊分布許多細小裂隙，孔底也分布有擠壓裂隙。孔壁粗糙呈毛刺狀，有細粒狀、微小塊狀垮塌物，淤塞較嚴重。

1.3 “縱向擠扁”型

觀測點埋深480 m，構造較簡單，煤層為傾角8~10°的單斜。地應力特征為Sv＞SH＞Sh，側壓比0.52~0.60，SH方向為NNE21°~ NNE36°。為原生結構煤，煤階屬貧瘦煤，宏觀煤巖類型屬半亮煤，煤堅固性系數f為0.8~1.0。水平孔使用?94 mm鉆頭，已鉆成511 d。

水平孔口呈橢圓形，垂向孔徑82 mm，水平孔徑88 mm，從形態上看有“縱向壓扁”的特點（圖1e）。井筒內壁的左右兩側多分布裂隙（圖1f），裂隙交錯使局部呈破碎狀，導致部分煤塊垮落。

1.4 全面垮塌型

觀測點煤層埋深為265 m，構造簡單，為一個寬緩的向斜的核部，煤層傾角3~4°。地應力特征與穩定型相同。鉆孔位于煤層與底板接觸位置，煤體結構為粉狀構造軟煤，層厚20 cm左右，煤階屬無煙煤，堅固性系數f≈0.2。該水平孔使用?76 mm鉆頭鉆成，剛鉆成1 d。水平孔縮徑明顯（圖1b），孔徑40 mm左右，在縱向和側向上均被“壓扁”，大致呈不規則的四邊形，孔壁煤質軟、呈粉狀，內部有垮落的粉狀—結塊狀軟煤。

圖1　 不同穩定程度煤層水平孔實例觀測

2　觀測實例的統計分析

圖2總結了大寧、寺河、沁城、余吾等4座煤礦的15個觀測實例的穩定性特征，縱坐標為實測孔徑與鉆頭直徑之比，用來表示孔壁穩定性。100%表示井壁無變化，十分穩定；0%表示井眼完全堵死。圖中橫坐標表示埋藏深度。散點圖中用不同符號表示不同的煤體堅固性值域區間。

圖2可以得出煤層埋深、煤堅固性（f值）對井壁穩定性的影響：（1）煤體堅固性相近時，井壁穩定性隨埋藏深度的加大而變差；（2）堅固性越差（f值越低）煤層水平孔穩定性隨之變差。因此，煤堅固性、煤層埋藏深度對水平井壁穩定性都有顯著影響，其中煤堅固性對井壁穩定性的影響程度要遠大于煤層埋藏深度。此外散點圖中的線性關系不明顯，說明很可能還存在其他的影響因素。

通過對比新、老鉆孔的井壁穩定性，發現在地質背景與煤堅固性相近的情況下，新鉆成鉆孔的穩定性明顯高于鉆成時間較久的鉆孔，這說明井壁失穩有蠕變特征，即雖然鉆孔在剛鉆成時是穩定的，但在長時間的應力作用下孔壁會輕微縮徑、垮塌。

圖2　 埋深、煤堅固性對井壁穩定性的影響程度統計分析

3　地質因素對煤層氣水平井產能影響

3.1 煤層埋深對產氣能力的影響

統計樊莊、鄭莊區塊56口水平井平均日產氣量與煤層埋深的關系（圖3），可知在埋深200~400 m區間內，62.5%的井日產量大于10 000 m3；在埋深400~600 m的區間內， 約19.2%的井日產量大于10 000 m3，約19.2%的井產量在5 000~10 000 m3，約61.6%的井小于5 000 m3；在埋深大于600 m的情況下，日產量普遍在2 000 m3以下。但整體上，產氣量隨埋深無線性變化規律。

綜合煤礦井下觀測可以得出：（1）隨埋深增加，井壁所受應力值增強，井壁垮塌堵塞井眼，導致產氣量下降；（2）埋深與產氣量無線性變化規律，因此認為埋深不是唯一的控制因素，其他地質因素對產氣量有較強影響。

圖3　 樊莊、鄭莊區塊56口水平井平均日產氣量與埋深關系

3.2 煤層小微構造對產氣能力的影響

（1）簡單構造。圖4a為FZP11-1井典型分支井眼L2（L1）的軌跡剖面圖。黑色粗線條表示煤層，黃色線條為母井眼L1軌跡，藍色線條為L2（L1）井眼軌跡。煤層構造簡單，呈簡單的單斜，傾角變化為下傾2.6°→下傾6.8°→下傾4.1°→上傾2.6°，無斷層。

結合煤礦觀察可以預測：井眼軌跡前80%分布在堅硬的煤層中部，井壁穩定，能穩定產出煤層氣。末端向斜處井眼靠近底板，該位置易產生構造軟煤，井壁易失穩，產氣能力差。

圖4b為FZP11-1水平井排采曲線，可以看出該井產氣量高，最高日產氣34 779 m3，平均日產氣量13 116.78 m3，總產氣量16 960 045 m3，已經排采1 293 d，仍能保持10 000 m3/d的日產氣能力。這主要是由于煤層構造簡單，而且井眼多分布在堅實的煤層中部，遠離構造軟煤，為煤層氣的產出提供了較大的解吸面積。

（2）復雜小微褶曲構造。圖4c為FZP11-2井典型分支井眼L1（M1）的軌跡剖面圖。黑色粗線條表示煤層，黃色線條為母井眼M1的軌跡，藍色線條為L1（M1）井眼軌跡。煤層構造較復雜，起伏變化頻繁，傾角變化為下傾6.9°→上傾2.1°→下傾7.5°→上傾4.5°→下傾2.9°→上傾3.4°，末端有1條斷距3 m左右的正斷層。

結合煤礦觀察可以預測：由于煤層起伏變化頻繁，井眼在褶曲部位往往會靠近頂底板，這些部位易產生構造軟煤，導致井壁穩定性差，降低產量。

圖4d為FZP11-2水平井的排采曲線，可以看出日產氣量比同井組的11-1井少很多，最高日產氣3 700 m3，平均日產氣量245.13 m3，總產氣量316 956 m3。該井還有穩產時間短的特點，1 000~3 000 m3左右的日產量僅維持了200多天。

分析井眼認為低產原因是：①主井眼（M1）的初始段就處于褶曲構造發育區，分布在了向斜底部、背斜頂部等煤體堅固性差的區域，導致塌孔并阻斷與分支井眼的連通；②井眼段受煤層小微構造的限制呈“U”形，曲折的鉆孔一方面導致水的流動沖蝕破壞井壁穩定性，另一方面“U”形管效應導致煤層水堵塞了煤層氣的運移通道。

（3）小微斷層構造。圖4e為FZP03-1井典型分支井眼L1（M1）的軌跡剖面圖。黑色粗線條表示煤層，藍色線條為L1（M1）井眼軌跡。煤層構造較復雜，傾角較大，分布有5條正斷層，斷距1~4 m。

結合煤礦觀察可以預測：煤層受斷層破壞嚴重，井眼穿過斷層面、頂底板附近等煤體堅固性較差區域時極易垮塌、堵塞井眼，導致產量低。

圖4f為FZP03-1水平井排采曲線圖，可以看出受到斷層的影響，該井的產氣量很低，最高日產氣量1 600 m3，平均日產氣量186.02m3。同樣由于斷層連通頂底板含水層的原因，該井產水量很大最高日產水78.8 m3，平均日產氣量僅34m3。

圖4　 水平井眼小微構造背景與排采曲線對比

3.3 地應力方向對產氣能力的影響

在相似的埋深、小微構造下，井眼的分支方向不同也會導致產能的差異。如圖5所示，PZP01井組4口水平井構造背景相似，都由背斜的核部向翼部延伸，埋深為540~590 m。 但4口井日均產氣量差別很大，近南北向分布的FZP01-1、FZP01-2產量較高，分別為6 149.89 m3/d和2 776.83 m3/d。近東西向分布的FZP01-3、FZP01-4產量較低，分別為1 018.57 m3/d和524.04 m3/d。這與井眼分支方向與地應力方向的配置關系有關［8-10］。

4　結論

（1）井壁失穩的表現形式為：原生結構煤中鉆孔失穩主要為在應力集中區出現裂紋，并伴有輕微縮徑、垮落。構造軟煤中的鉆孔縮徑程度十分嚴重，孔壁全面垮塌。

（2）地應力側壓比小于1.0（Sv＞SH）時，井壁左右兩側容易受到擠壓破壞呈“縱向壓扁”的形態；地應力側壓比大于1.0（SH＞Sv）時，井壁頂底容易受到擠壓破壞呈“橫向擠扁”的形態。

圖5　 FZP01井組井眼分支平面圖

（3）煤層氣井壁失穩有蠕變現象，相近的地質背景下，較新的水平孔壁穩定性要遠遠大于較老的水平孔。

（4）煤層小微構造（褶曲、斷層）、埋藏深度和地應力是影響煤層氣水平井井壁穩定性的主要地質因素。首先，褶曲構造背景下的煤層空間起伏變化多，而導致水平井鉆進過程中容易鉆出煤層，穿越頂底板附近的軟煤層，從而引起井壁垮塌堵塞。 第二，受煤層褶曲構造的限制水平井眼易呈“U”形，曲折的鉆孔一方面導致水的流動沖蝕破壞井壁穩定性，另一方面煤層水會在井眼中出現“U”形管效應導致煤層水堵塞了煤層氣的運移通道。第三，多分支水平井的井眼穿越小微斷層構造時，容易導致井眼溝通頂底板含水層，導致產水量劇增，而產氣量很低。第四，隨埋深增加地應力值增強，井壁容易垮塌，且最大主應力方向的變化也會影響井壁穩定性。

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（修改稿收到日期 2015-07-11）

〔編輯 薛改珍〕

Analysis of geologic factors affecting wellbore stability of CBM horizontal wells

YANG Jian1,2, NI Yuanyong3, WANG Shengwei1, QIN Yi4, LIU Wei1, HU Qi1
（1. China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
2. Machinery Department of Patent Bureau, State Intellectual Property Office, Beijing 100088, China;
3. Drilling & Production Department of Huabei Oilfield Company, CNPC, Renqiu 062550, China;
4. Research Institute of Oil Production Technology, Huabei Oilfield Company, Renqiu 062550, China）

Abstract:This paper intuitively describes the features of instability and collapse of coalbed horizontal wells by downhole measurement, analyzes the relation between the coalbed horizontal well stability and burial depth and coal sturdiness, and compares and analyzes the actual drainage data of the available CBM horizontal wells in Jincheng District. This paper identifies the main geologic factors affecting the CBM horizontal well stability as below: small and micro structures, ground stress and burial depth. The small and micro structures cause the horizontal hole to easily penetrate the soft coalbed, and ground stress and burial depth may increase the stress on the well wall and hence cause wellbore instability and collapse. The conclusions in this paper provide theoretical basis for preventing wellbore instability from geology.

Key words:CBM horizontal well; instability and collapse; small and micro structure; burial depth; ground stress

作者簡介：楊健，1987年生。2013年畢業于中國地質大學（武漢），現從事石油天然氣鉆探、開采方向的專利審查工作。電話：15300076166。E-mail：cug1613@126.com。

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）“煤層氣開發多分支水平井控制機理”（編號：2009CB219608）資助。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.002

文章編號：1000 – 7393（2015）05 – 0005 – 05

文獻標識碼：A

中圖分類號：TE21