煤巖理化性能及井壁穩定研究

鄧雪峰

摘 要：在鉆井過程中，煤巖的穩定性直接影響鉆井的安全和穩定，影響后期的固井質量。而煤層氣鉆井又是一種易垮易塌地層，屬于較復雜地層的種類。要解決井壁失穩問題必須先了解煤巖理化性能與井壁失穩機理。本次研究對白楊河礦區進行了泥煤巖水化分散和水化膨脹實驗，試驗結果將有助于我們對白楊河礦區煤巖理化性能有進一步認識，對鉆井液優選也具有指導意義。

關鍵詞：煤層氣鉆井；煤巖理化性能；井壁失穩；水化分散；水化膨脹

中圖分類號：TE254 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）11-0213-02

1 前言

煤巖與常規石油天然氣儲層巖石在形成原因、化學組成、物理性質、孔隙裂縫結構等方面有顯著的不同，煤層氣在煤巖中的形成儲存機制、產出方式方面與常規石油天然氣的產出方式差別更大。目前，我國煤層氣鉆井缺乏針對煤層氣儲層特性的技術和標準，大多沿用石油天然氣鉆井技術和標準。另一方面，我國煤層地質條件與美國等其他國家相比，有自己的特點，如我國煤層氣儲層滲透率普遍小、地質構造更顯復雜等，即便不考慮技術保密原因，直接采用他國技術應用于我國煤層氣勘探開發，其針對性與適用性也缺乏科學依據。以上兩方面因素顯然與我國有效開發煤層氣資源的要求不適應，因此，應該以煤層氣儲層特征研究與儲層損害機理研究為出發點，以保護好煤層氣儲層為目的，在鉆井工藝設計、完井技術選用、開采方式選擇、各階段技術參數優化等諸多方面提出保護煤層氣儲層的技術與標準，只有這樣才有利于保護好煤層氣儲層，提高我國煤層氣勘探開發效益。

煤層氣是以吸附狀態賦存在煤層中。煤層既是生氣源巖又是儲集巖，為特低孔特低滲的雙孔隙儲層，具有抗張強度小、楊氏模量低、體積壓縮系數大的特點。它的特殊儲層性和巖石物理性質使其與常規油氣儲層具有顯著的差異。

2 煤巖理化性能分析

2.1 煤巖的XRD分析

取少量煤塊于研缽中研磨，過篩取200-300目之間的粉末，在10～80℃下進行XRD衍謝，實驗部分樣品結果見圖1、圖2和表1。

由實驗結果可知，該煤塊主要成分為粘土礦物（35%～47%），主要以高嶺石為主，石英含量波動加大，最高的石英含量煤樣A502-4為14.1%，其它的煤樣石英含量在3%～5%。有由于煤含有大量的有機物質，因此XRD測不出來有機質含量，通過衡量計算，有機質總量含量較高為50%～60%，因有高嶺石存在，故該煤塊易產生微粒的運移，堵塞孔道，降低地層滲透率，同時該物質對酸敏感。

2.2 煤巖水化分散實驗

本實驗根據中國石油天然氣行業標準SY/T 5613- 2000進行。大致步驟為：將巖心表層被鉆井液污染的部分刮去，放在通風的室內風干。在干凈的塑料板或鋼板上將巖心擊碎，用孔眼邊長分別為3.2mm和2.0rnm的雙層分樣篩篩析。收集通過孔眼邊長為3.2mm篩，但未通過孔眼邊長為2.0mm篩的巖心顆粒500g，存于廣口瓶中備用（貼好標簽）。

稱取50.0g（精確至0.1g）巖心顆粒，裝入盛有350mL蒸餾水的高溫罐中，蓋緊。將裝好試樣的高溫罐放入80℃±3℃的鉆井液滾子爐中，滾動16h。恒溫滾動16h后，取出高溫罐，冷至室溫。將罐內的液體和巖樣全部傾倒在孔眼邊長為0.42mm的分樣篩上，在盛自來水的槽中濕式篩洗1min。將篩余巖樣放入105℃士3℃的鼓風恒溫干燥箱中烘干4h。取出冷卻，并在空氣中靜置24h，然后進行稱量（精確至0.1g）。實驗結果見表2。

由表2可知，通過六組12個實驗測定了煤巖的回收率都在90%左右，說明該區塊的煤巖有一定的水化性，但水化能力不強。

2.3 煤巖水化膨脹實驗

將煤巖研磨成粉末，在105℃下烘干備用，按中國石油天然氣行業標準SY/T5971-94評價該煤巖的水化膨脹性，實驗結果見表3。

由表3可知，煤巖的膨脹率為35%左右，有一定的膨脹性，說明該煤巖遇水會產生一些膨脹，造成井壁不穩。

3 井壁失穩機理分析結果

通過對煤巖的XRD分析發現煤巖中含有大量的高嶺石，高嶺石是一種易產生微粒的運移，堵塞孔道，降低地層滲透率的物質；另外煤巖中含有部分有機物，這些有機物可能溶解在鉆井液中，使得煤巖不穩定，造成煤巖垮塌。通過對煤巖的水化分散和膨脹性實驗發現，煤巖不易水化分散和膨脹。通過上述說明井壁失穩主要是由于高嶺石的運移和有機物的溶解造成的。

通過對煤巖的理化性能及井壁失穩機理分析，得到如下結論：

（1）煤巖含有一定量的粘土礦物（主要是高嶺石）、二氧化硅，含有大量的有機質，因此其易于運移，對酸敏感，煤巖的應力敏感性強；（2）通過水化分散、水化膨脹實驗可知，該區塊的煤巖有一定的水化性，但水化能力不強。該區塊煤巖遇水會產生一些膨脹，造成井壁不穩。

參考文獻

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