烏魯木齊礦區大傾角地層煤層氣鉆井井壁穩定性研究

劉蒙蒙

(新疆維吾爾自治區煤田地質局一五六煤田地質勘探隊，新疆 830009)

通過礦區鉆井事故統計分析，獲取礦區不穩定地層分布情況，同時依據鉆井、壓裂等施工效果分析礦區地層壓力、漏失壓力、坍塌壓力與破裂壓力，得出安全的鉆井液密度窗口，進行煤巖理化分析，找出煤層井壁不穩定的原因，最終得出井壁失穩機理，指導鉆井液體系的優選、井身結構的優化。

1 影響井壁穩定性的因素分析

1.1 礦區以往井內事故情況

分析以往鉆井事故資料可清楚地了解地層復雜情況，從而指導鉆井液體系優選以及套管的下入層次與下入深度。

共統計了礦區97口井，其中8口井發生嚴重井下事故，事故率8.20%，因目的煤層井壁坍塌掉塊發生卡鉆、埋鉆事故有6口井，需從鉆井工藝與鉆井液方面著手解決。2口井在目的煤層以上井段發生鉆井事故，事故率2.06%，事故率較低。需著重對目的煤層段進行分析研究，進行煤巖理化性能分析，找準事故原因。以往鉆井事故統計見表1。

表1 鉆井事故分析表

其中：4號事故井因構造煤局部存在，煤層破碎，煤層坍塌，煤層井徑擴大率嚴重超標，形成“大肚子”，導致目的煤層頂板附近井壁無支撐呈棱角突出，易受鉆具擾動、鉆井液沖刷等影響，導致掉塊，頂板掉塊為粉砂巖，硬度高，導致鉆具卡死。本井同井臺共施工4口井，其中一口水平井，附近施工6口井均不同程度出現煤層掉塊情況，因此判斷因鉆井液在目的煤層護壁效果差導致煤層掉塊。

3號事故井因鉆井液比重低、性能差， 41號煤層出現掉塊，導致卡鉆，由于煤巖較軟，掉塊情況不太嚴重，經過活動鉆具解卡。1號事故井鉆井隊由于鉆井施工組織不得力，鉆井液性能差，鉆井浸泡長達1個月，上部井壁經長期浸泡，導致失穩坍塌卡鉆。8號井在北單斜構造位置，煤層頂板泥巖段長，鉆井液失水大，鉆時過快，未及時短提導致縮徑卡鉆，卡鉆后司鉆強拔致使完全卡死。

目的煤層井段卡鉆均為單一個案，不具代表性，主要影響因素為鉆井隊技術水平。大部分為目的煤層發生坍塌掉塊引起井下事故。因此通過分析以往鉆井事故情況，目的煤層以上井段井壁穩定性較好，目的煤層段井壁穩定性較差。

1.2 地層與地下壓力特性

通過分析礦區地層與巖性情況，除第四系地層膠結差不穩定外，其他地層均為砂巖和煤層，地層穩定，不存在復雜地層，有利于井壁穩定，可減少套管層次。根據已施工鉆井資料顯示，第四系與煤層相較于其他巖層孔隙壓力較低，因此在井身結構優化，在滿足煤層與第四系壓力的情況下，即可滿足順利完井要求。

1.2.1 地層壓力

依據以往地質工程資料礦區內無異常高壓地層，地層壓力梯度6.41×10-3～9.64×10-3MPa/m,不存在井涌井噴風險。

1.2.2 地層漏失壓力

礦區已鉆井資料顯示，阜康礦區共發生鉆井液漏失井2口，烏魯木齊礦區發生鉆井液漏失井14口，烏魯木齊礦區固井水泥漿漏失1口井。表層100m以淺漏失16口井，穩定基巖段與含煤層段漏失2口井。漏失情況見表2。

表2 井漏情況分析表

根據以往井漏情況分析表層100m以淺，因鉆遇采空區與采空影響帶或礫石層而發生井漏的井15口，進入穩定基巖段后發生井漏的井2口。其中2號井目的煤層段漏失的主要原因為本井位于已開發井的泄壓區，導致目的煤層段發生井漏，10號井因構造因素導致目的煤層通過斷層與含水層溝通，當井筒內壓力大于含水層壓力時發生井漏。因此礦區基巖井段發生鉆井液漏失1口，固井水泥漿發生漏失1口井均為局部特殊情況，不代表本區整體井下壓力情況。

從壓裂施工可知在注前置液階段類似鉆井漏失試驗，分析壓裂結束后的壓降數據，可綜合判斷工作區整體漏失壓力在靜液柱壓力+10MPa以上，即安全鉆井液密度最大值為2.0g/cm3，部分井漏失壓力接近破裂壓力，礦區最小漏失壓力梯度為0.02MPa/m。以1000m井深為例，鉆井液密度在1.05～1.15g/cm3，鉆井液柱最大壓力11.5 MPa+1.1MPa。固井水泥漿密度在1.60～1.89g/cm3之間，水泥返高在儲層以上300m，固井作業儲層壓力為鉆井液柱壓力+2.4MPa，因此鉆完井作業過程的所有壓力均小于儲層漏失壓力。

1.2.3 地層坍塌壓力

礦區進行了低密度鉆井液試驗，鉆井液為微泡泥漿，密度1.0～1.08g/cm3，失水5mL，粘度40～50s，共試驗5口井，煤層均出現不同程度的垮塌。為保證鉆井安全與井壁穩定，后將鉆井液調制常規低固相，密度調整為1.10～1.15g/cm3，井壁不再發生坍塌掉塊情況。依據礦區內鉆井資料推測平衡地層坍塌壓力的安全鉆井液密度下限為1.08g/cm3左右。以1000m井深為例，地層坍塌壓力為10.5MPa。

1.2.4 地層破裂壓力

礦區共計進行了70口井壓裂施工，破裂壓力15～30MPa；地層破裂壓力遠大于鉆井液柱壓力，鉆完井過程不存在壓裂地層風險。

2 煤巖理化性能分析

井壁穩定性除了受地層壓力特性影響外，鉆井液與地層的配伍性對井壁穩定性也有較大影響。

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衍射，實驗結果見表3。

表3 煤巖的XRD分析表

由表3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%之間。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在50%～60%之間，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

實驗根據中國石油天然氣行業標準SY/T 5613—2000進行。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℃±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4。

表4 煤巖的水化分散情況

由表4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5。

表5 煤巖的水化膨脹情況

由表5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。

2.4 井壁失穩機理分析結果

通過對礦區地層巖性、鉆井資料與地層壓力特性分析，結果表明井壁不穩定主要表現在目的煤層。

通過對6組煤巖的XRD分析顯示煤巖中含有一定量的高嶺石，高嶺石易產生微粒的運移，堵塞孔道，從而降低地層滲透率；另外煤巖中含有部分有機物，這些有機物可溶解于鉆井液，使得煤巖不穩定，造成煤巖垮塌。通過對12組煤巖的水化分散和膨脹性實驗，顯示煤巖不易水化分散和膨脹。實驗分析結果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。

3 結論

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，礦區的煤巖有一定的水化性，但水化能力不強，煤巖遇水會產生一些膨脹，造成井壁不穩。

(3)由鉆井情況分析、注入壓降參數和壓裂曲線得出礦區內鉆井施工安全鉆井液密度窗口為1.08g/cm3～2.0g/cm3。

(4)根據煤層井壁失穩機理建議選擇配伍性較好的高效低傷害鉆井液體系或無固相鉆井液體系。

(5)為降低煤層氣井勘探開發成本，根據井壁穩定性研究結果，礦區具備簡化井身結構的地質條件，建議對水平井井身結構進行合理優化，可進行二開井身結構試驗，減少套管層次，舍去技術套管，預計單井鉆井工程成本可降低70萬元左右。