鉆井液對(duì)煤層氣井壁穩(wěn)定性影響實(shí)驗(yàn)研究

汪偉英 夏 健 陶 杉 田文濤 馬 麗 孫玉英

（1. 長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北荊州 434023；2.華北油田公司采油工藝研究院，河北任丘 062552）

煤層井壁穩(wěn)定性是影響煤層氣井高效開(kāi)采的關(guān)鍵問(wèn)題。井壁穩(wěn)定性主要取決于巖石強(qiáng)度和原地應(yīng)力狀態(tài)［1］。巖石強(qiáng)度不僅與巖石的結(jié)構(gòu)、成分有關(guān)，而且與鉆井液性質(zhì)有著密切的關(guān)系。煤巖是孔隙、裂縫多重介質(zhì)，且節(jié)理微裂縫發(fā)育，當(dāng)鉆開(kāi)煤層時(shí)，鉆井液濾液很容易沿裂縫進(jìn)入，與巖石發(fā)生物理化學(xué)作用，從而改變巖石的強(qiáng)度。山西沁水煤層氣水平井鉆井過(guò)程中，為避免和減少?zèng)_洗液中固相顆粒對(duì)煤層的污染，水平井段使用清水鉆進(jìn)。由于清水和地層水在化學(xué)組成、總礦化度等方面的差異，當(dāng)鉆井液侵入地層后很有可能改變巖石力學(xué)性質(zhì)及受力狀況，使井壁穩(wěn)定性受到影響。本文以山西沁水樊莊煤層氣儲(chǔ)層為例，通過(guò)對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)及理化性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，研究了鉆井液對(duì)煤層井壁穩(wěn)定性的影響。

1 煤層氣儲(chǔ)層巖石組成及理化性能實(shí)驗(yàn)

1.1 煤巖的組成

以山西沁水樊莊寺河礦煤樣為研究對(duì)象，分析了煤巖的顯微組成和黏土礦物。煤巖的顯微組成主要由鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組及少量礦物質(zhì)組成。礦物質(zhì)以黏土礦物為主，含少量碳酸鹽礦。黏土礦物總量為13.25%，其中伊利石相對(duì)含量為29%，高嶺石為19%，綠泥石為11%，伊蒙混層為41%。

1.2 煤巖黏土陽(yáng)離子交換容量

陽(yáng)離子交換即陽(yáng)離子交換性吸附，是黏土的重要特征之一，可以用來(lái)預(yù)測(cè)煤層潛在的水敏性。采用氯化銨—酒精分光光度法測(cè)試了寺河礦煤巖的陽(yáng)離子交換容量［2］，范圍在4.1667~5.5641 mmol/100 g之間。

1.3 煤巖體積膨脹率

煤巖體積膨脹率反映煤巖遇水膨脹的特性。采用NP-01型常溫常壓膨脹量測(cè)定儀，首先測(cè)定膨脹儀空筒的高度H1，稱量10 g已經(jīng)放在電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥好且冷卻到室溫下的煤粉放入空筒，墊上一片濾紙，用5 MPa的壓力壓實(shí)煤粉3 min，并再次測(cè)量裝入煤粉并壓實(shí)后的筒體高度H2。測(cè)定了寺河礦煤樣分別在蒸餾水、煤層水和配置鉆井液的清水中的線性膨脹率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，寺河礦煤巖具有遇水膨脹的特性，在配置鉆井液的清水中膨脹率為10.76%，在去離子水中膨脹率更大。結(jié)合黏土礦物測(cè)定結(jié)果以及陽(yáng)離子交換容量測(cè)定結(jié)果說(shuō)明，寺河礦煤巖在低礦化度水中的膨脹主要是煤巖中黏土礦物的膨脹，在水中加入1%KCl可有效降低煤巖膨脹。

表1 寺河礦3#煤層樣線性膨脹率測(cè)定數(shù)據(jù)

1.4 煤層水及配制鉆井液清水分析

根據(jù)已有的鉆井資料統(tǒng)計(jì)，煤巖中的黏土礦物與鉆井液接觸后水化反應(yīng)作用是引起井壁失穩(wěn)的一個(gè)重要因素［3］。黏土的水化作用與含水量、水中離子類型和濃度以及鉆井液的性質(zhì)等因素有關(guān)。表2是沁水盆地樊莊煤層水和清水分析數(shù)據(jù)，可以看出，樊莊清水礦化度遠(yuǎn)低于煤層水礦化度。

表2 沁水盆地樊莊煤層水及地表水分析數(shù)據(jù)

2 鉆井液對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)影響實(shí)驗(yàn)

2.1 鉆井液浸泡對(duì)煤巖彈性模量的影響

有研究表明，巖石抗壓強(qiáng)度與彈性模量之間存在著某種聯(lián)系。賈德和休伯統(tǒng)計(jì)分析了美國(guó)礦業(yè)局的大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為抗壓強(qiáng)度與彈性模量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為［4］

式中，E為巖石的彈性模量，GPa；σc為巖石的抗壓強(qiáng)度，GPa。

根據(jù)抗壓強(qiáng)度與彈性模量成正比的關(guān)系，可以應(yīng)用巖石彈性模量變化來(lái)反映巖石的強(qiáng)度變化情況。

實(shí)驗(yàn)首先抽空煤巖，用配制鉆井液的清水將煤巖飽和，應(yīng)用高溫高壓三軸巖石強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)裝置，分別進(jìn)行煤巖在清水中浸泡3 h、30 h、52 h、92 h后彈性變形區(qū)域的單軸抗壓實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比煤巖在清水中浸泡不同時(shí)間后的彈性模量值變化情況，分析煤巖在鉆井液中浸泡后的強(qiáng)度變化。本實(shí)驗(yàn)所用煤巖為同一塊巖樣，可以防止由于煤巖個(gè)體差異性所帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差（見(jiàn)圖1）。

圖1 寺河礦煤樣彈性模量與浸泡時(shí)間關(guān)系

由圖1可以看出，當(dāng)配制鉆井液清水與煤巖接觸后，對(duì)煤巖巖石力學(xué)性質(zhì)存在一定影響［5］。隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，煤巖彈性模量逐漸降低。對(duì)比煤巖膨脹率測(cè)定結(jié)果可以認(rèn)為，這種現(xiàn)象是由于低礦化度的鉆井液（清水）與煤巖充分接觸后，煤巖發(fā)生了黏土膨脹和充填礦物溶解。從力學(xué)角度分析，水進(jìn)入煤割理中引起了煤巖內(nèi)聚力的降低。這些原因最終使得煤巖彈性模量降低。

2.2 鉆井液浸泡對(duì)煤巖強(qiáng)度的影響

本實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)在煤層水、地表水、蒸餾水中浸泡24 h的煤樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)（負(fù)荷加載速度0.05 mm/min），研究煤巖在不同性質(zhì)液體作用下強(qiáng)度的變化情況，從而分析鉆井過(guò)程中鉆井液侵入對(duì)煤層井壁穩(wěn)定性的影響。巖樣選用寺河礦的3#煤層煤心（結(jié)果見(jiàn)表3）。

表3 煤巖在不同液體中浸泡后的單軸抗壓強(qiáng)度

由表3可以看出，煤巖在煤層水、地表水、蒸餾水中浸泡相同時(shí)間下，巖石強(qiáng)度依次降低。這一結(jié)果說(shuō)明，煤巖強(qiáng)度與所接觸水的礦化度有關(guān)。水的礦化度越低，浸泡后煤巖強(qiáng)度越低。對(duì)比寺河礦煤巖的礦物組成、陽(yáng)離子交換容量以及黏土膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為，在鉆井液中浸泡后煤巖強(qiáng)度降低的主要原因是煤巖中的黏土礦物與低礦化度的鉆井液接觸后發(fā)生膨脹，引起黏土分散松軟，導(dǎo)致煤巖強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

（1）煤巖中的黏土礦物是煤巖遇水膨脹的主要潛在因素，山西沁水樊莊寺河礦煤樣具有一定程度的水敏性，在清水中有膨脹現(xiàn)象。

（2）煤巖與鉆井液接觸后發(fā)生膨脹是引起煤巖強(qiáng)度降低的重要原因。

（3）山西晉城煤層氣儲(chǔ)層具有低壓、低滲透率、低飽和度的特點(diǎn)，采用欠平衡鉆井或近平衡鉆井可達(dá)到降低鉆井液侵入煤層的目的。

（4）建議對(duì)不同類型煤巖采用不同的鉆井液。對(duì)強(qiáng)度大、膨脹性小、無(wú)水敏傷害的煤巖采用清水鉆井液配合欠平衡鉆井技術(shù)，對(duì)強(qiáng)度大、水敏性弱的煤巖可用煤層氣井采出水或清水+1%KCl溶液作為鉆井液，對(duì)強(qiáng)度小、膨脹性大、水敏傷害程度強(qiáng)的煤巖可采用無(wú)固相聚合物可降解鉆井液。

［1］ 陳天成.坍塌壓力與井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和井壁穩(wěn)定技術(shù)關(guān)系初探［J］.鉆采工藝，2006，29（1）：21-23 .

［2］ SY 5359-91 黏土陽(yáng)離子交換容量及鹽基分量測(cè)定方法［S］.

［3］ 梁大川，蒲曉林，徐興華.煤巖坍塌的特殊性及鉆井液對(duì)策［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，24（6）：29-30 .

［4］ 黃醒春.巖石力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2005-11：15.

［5］ 謝建利.利用超聲波技術(shù)測(cè)定油層巖石力學(xué)參數(shù)的方法［J］.石油鉆采工藝，1994，16（2）：61-66，82 .