煤巖理化性能及井壁穩(wěn)定研究

鄧雪峰

摘 要：在鉆井過程中，煤巖的穩(wěn)定性直接影響鉆井的安全和穩(wěn)定，影響后期的固井質(zhì)量。而煤層氣鉆井又是一種易垮易塌地層，屬于較復(fù)雜地層的種類。要解決井壁失穩(wěn)問題必須先了解煤巖理化性能與井壁失穩(wěn)機(jī)理。本次研究對(duì)白楊河礦區(qū)進(jìn)行了泥煤巖水化分散和水化膨脹實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果將有助于我們對(duì)白楊河礦區(qū)煤巖理化性能有進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，對(duì)鉆井液優(yōu)選也具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：煤層氣鉆井；煤巖理化性能；井壁失穩(wěn)；水化分散；水化膨脹

中圖分類號(hào)：TE254 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）11-0213-02

1 前言

煤巖與常規(guī)石油天然氣儲(chǔ)層巖石在形成原因、化學(xué)組成、物理性質(zhì)、孔隙裂縫結(jié)構(gòu)等方面有顯著的不同，煤層氣在煤巖中的形成儲(chǔ)存機(jī)制、產(chǎn)出方式方面與常規(guī)石油天然氣的產(chǎn)出方式差別更大。目前，我國(guó)煤層氣鉆井缺乏針對(duì)煤層氣儲(chǔ)層特性的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，大多沿用石油天然氣鉆井技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，我國(guó)煤層地質(zhì)條件與美國(guó)等其他國(guó)家相比，有自己的特點(diǎn)，如我國(guó)煤層氣儲(chǔ)層滲透率普遍小、地質(zhì)構(gòu)造更顯復(fù)雜等，即便不考慮技術(shù)保密原因，直接采用他國(guó)技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)，其針對(duì)性與適用性也缺乏科學(xué)依據(jù)。以上兩方面因素顯然與我國(guó)有效開發(fā)煤層氣資源的要求不適應(yīng)，因此，應(yīng)該以煤層氣儲(chǔ)層特征研究與儲(chǔ)層損害機(jī)理研究為出發(fā)點(diǎn)，以保護(hù)好煤層氣儲(chǔ)層為目的，在鉆井工藝設(shè)計(jì)、完井技術(shù)選用、開采方式選擇、各階段技術(shù)參數(shù)優(yōu)化等諸多方面提出保護(hù)煤層氣儲(chǔ)層的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，只有這樣才有利于保護(hù)好煤層氣儲(chǔ)層，提高我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)效益。

煤層氣是以吸附狀態(tài)賦存在煤層中。煤層既是生氣源巖又是儲(chǔ)集巖，為特低孔特低滲的雙孔隙儲(chǔ)層，具有抗張強(qiáng)度小、楊氏模量低、體積壓縮系數(shù)大的特點(diǎn)。它的特殊儲(chǔ)層性和巖石物理性質(zhì)使其與常規(guī)油氣儲(chǔ)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(jìn)行XRD衍謝，實(shí)驗(yàn)部分樣品結(jié)果見圖1、圖2和表1。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dòng)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(jī)物質(zhì)，因此XRD測(cè)不出來有機(jī)質(zhì)含量，通過衡量計(jì)算，有機(jī)質(zhì)總量含量較高為50%～60%，因有高嶺石存在，故該煤塊易產(chǎn)生微粒的運(yùn)移，堵塞孔道，降低地層滲透率，同時(shí)該物質(zhì)對(duì)酸敏感。

2.2 煤巖水化分散實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5613- 2000進(jìn)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(fēng)的室內(nèi)風(fēng)干。在干凈的塑料板或鋼板上將巖心擊碎，用孔眼邊長(zhǎng)分別為3.2mm和2.0rnm的雙層分樣篩篩析。收集通過孔眼邊長(zhǎng)為3.2mm篩，但未通過孔眼邊長(zhǎng)為2.0mm篩的巖心顆粒500g，存于廣口瓶中備用（貼好標(biāo)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(dòng)16h。恒溫滾動(dòng)16h后，取出高溫罐，冷至室溫。將罐內(nèi)的液體和巖樣全部?jī)A倒在孔眼邊長(zhǎng)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(fēng)恒溫干燥箱中烘干4h。取出冷卻，并在空氣中靜置24h，然后進(jìn)行稱量（精確至0.1g）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知，通過六組12個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了煤巖的回收率都在90%左右，說明該區(qū)塊的煤巖有一定的水化性，但水化能力不強(qiáng)。

2.3 煤巖水化膨脹實(shí)驗(yàn)

將煤巖研磨成粉末，在105℃下烘干備用，按中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5971-94評(píng)價(jià)該煤巖的水化膨脹性，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(huì)產(chǎn)生一些膨脹，造成井壁不穩(wěn)。

3 井壁失穩(wěn)機(jī)理分析結(jié)果

通過對(duì)煤巖的XRD分析發(fā)現(xiàn)煤巖中含有大量的高嶺石，高嶺石是一種易產(chǎn)生微粒的運(yùn)移，堵塞孔道，降低地層滲透率的物質(zhì)；另外煤巖中含有部分有機(jī)物，這些有機(jī)物可能溶解在鉆井液中，使得煤巖不穩(wěn)定，造成煤巖垮塌。通過對(duì)煤巖的水化分散和膨脹性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煤巖不易水化分散和膨脹。通過上述說明井壁失穩(wěn)主要是由于高嶺石的運(yùn)移和有機(jī)物的溶解造成的。

通過對(duì)煤巖的理化性能及井壁失穩(wěn)機(jī)理分析，得到如下結(jié)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(jī)質(zhì)，因此其易于運(yùn)移，對(duì)酸敏感，煤巖的應(yīng)力敏感性強(qiáng)；（2）通過水化分散、水化膨脹實(shí)驗(yàn)可知，該區(qū)塊的煤巖有一定的水化性，但水化能力不強(qiáng)。該區(qū)塊煤巖遇水會(huì)產(chǎn)生一些膨脹，造成井壁不穩(wěn)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃維安，邱正松，王彥祺，馬永樂，江林，鐘漢毅，白雪飛.煤層氣儲(chǔ)層損害機(jī)理與保護(hù)鉆井液的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37（10）：1717-1721.

[2]劉敬平，孫金聲.頁巖氣藏地層井壁水化失穩(wěn)機(jī)理與抑制方法[J].鉆井液與完井液.2016，33（3）：25-29.

[3]王麗，張蓬洲.煤的XRD的結(jié)構(gòu)分析[J].煤炭轉(zhuǎn)化，1997，（1）：50-53.