塔里木盆地深部煤層失穩(wěn)機理及防塌鉆井液技術(shù)

李 恒，何世明，湯 明，李 寧，楊 沛，張 震

塔里木盆地深部煤層失穩(wěn)機理及防塌鉆井液技術(shù)

李 恒1，何世明1，湯 明1，李 寧2，楊 沛2，張 震2

(1. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2. 塔里木油田公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841008)

針對塔里木盆地深部煤層鉆井過程中鉆井液漏失和井壁垮塌等井下復(fù)雜問題，采用鏡質(zhì)體反射率分析、X射線衍射、掃描電鏡等方法測試了煤的微觀結(jié)構(gòu)和理化性能。明確了煤層的失穩(wěn)機理：煤中固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均超過60%，鏡質(zhì)體反射率大于1.0%，煤化程度高、性脆、易破碎；黏土礦物總的體積分?jǐn)?shù)低于25%，黏土中不含強水敏性礦物蒙脫石；煤層割理呈網(wǎng)狀分布，其寬度主要集中在1~10 μm，易漏失。綜合判定煤層失穩(wěn)類型為力學(xué)失穩(wěn)。以煤層微觀結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，結(jié)合鉆井液材料粒度分布，優(yōu)選瀝青類封堵劑，設(shè)計出適用于煤層的瀝青質(zhì)聚磺防塌鉆井液體系，其性能測試結(jié)果表明：瀝青質(zhì)聚磺防塌鉆井液濾失量低、泥餅薄，能有效封堵煤的絕大部分割理，減少鉆井液侵入量，防止煤層垮塌。研究成果一定程度上為塔里木盆地深部煤層的安全高效鉆井提供技術(shù)保障。

煤層；井壁失穩(wěn)機理；封堵性能；防塌鉆井液

我國煤層普遍埋藏較深，1 000 m以內(nèi)煤層氣資源量占比不到50%[1-2]。對煤層氣的開發(fā)利用，可以減輕常規(guī)油氣開發(fā)的壓力[3-5]。與常規(guī)儲層相比，煤層的彈性模量大、機械強度低、微裂縫和割理發(fā)育，煤體堅硬，質(zhì)地脆，在煤層鉆進過程中極易出現(xiàn)井下垮塌、卡鉆等復(fù)雜事故[6-10]。

塔里木盆地侏羅系地層埋深超過4 000 m，鉆進過程中易出現(xiàn)井壁垮塌和鉆井液漏失等井下復(fù)雜情況。為提高該地區(qū)鉆井工程的安全性和經(jīng)濟性，筆者以塔里木盆地侏羅系主要煤層為研究對象，分析了煤的礦物組成和物理化學(xué)性能，確定了煤層段井壁失穩(wěn)機理。以煤的微觀結(jié)構(gòu)為主要目標(biāo)，結(jié)合鉆井液添加劑粒度分布情況，從理論上分析防塌鉆井液可行性，實驗優(yōu)選封堵防塌劑類型及加量，設(shè)計可用于該地區(qū)煤層段的防塌鉆井液體系，以期為塔里木盆地深部煤層鉆井提供技術(shù)支撐。

1 塔里木盆地深部煤層井下復(fù)雜情況

塔里木盆地某油田區(qū)塊2012—2016年完鉆井中，7口井有自然伽馬和電導(dǎo)率測井資料，每口井均鉆遇煤層。對鉆遇的煤層進行統(tǒng)計，煤層主要分布在侏羅系克孜努爾組和陽霞組，埋深超過4 000 m，共發(fā)育煤層21層，總厚達390 m，其中克孜努爾組發(fā)育煤層14層，總厚度191 m，陽霞組發(fā)育煤層7層，總厚度約199 m。根據(jù)測井曲線得到煤層段井徑擴大率(表1)，對煤層井壁失穩(wěn)情況進行統(tǒng)計。從表1看出，煤層平均井徑擴大率小于15%(XY1降外)，整體屬于輕度到中等坍塌；最大井徑擴大率均超過15%，普遍超過30%，最高達到68.3%，且均發(fā)生在煤層段，煤層段井徑擴大嚴(yán)重，引發(fā)泥巖和砂巖夾層發(fā)生垮塌，導(dǎo)致煤層失穩(wěn)。

表1 侏羅系煤層段井徑擴大率統(tǒng)計表

根據(jù)井史資料，對侏羅系煤層井下復(fù)雜情況進行整理，7口井中，除X11井外，其余6口井均發(fā)生卡鉆或鉆井液漏失等問題(表2)。從表2看出，井下問題主要是卡鉆和鉆井液漏失。其中X1和X12井煤層段發(fā)生卡鉆事故，卡鉆損失時間共291 h，卡鉆主要原因是煤層段擴徑和井壁垮塌。X13、X14、XY1和Y4井煤層段均出現(xiàn)鉆井液漏失，漏失量總計1 977 m3，其中，單口井最大漏失量達到1 263 m3，漏失原因主要為鉆遇裂縫發(fā)育的煤層，鉆井液沿裂縫漏失進入地層。

表2 侏羅系煤層段復(fù)雜情況統(tǒng)計表

塔里木盆地油田區(qū)深部煤層井下復(fù)雜情況具有以下特點：①井壁失穩(wěn)主要表現(xiàn)為井徑擴大和井壁垮塌；②煤層段整體為中等垮塌，部分層段垮塌嚴(yán)重，初步判斷有割理和裂縫存在，膠結(jié)強度低；③煤層段存在嚴(yán)重鉆井液漏失，初步判斷煤層割理系統(tǒng)較為發(fā)育。煤層段井下復(fù)雜情況嚴(yán)重影響了鉆井工程的順利進行，有必要對其失穩(wěn)機理及防塌防漏對策進行研究。

2 煤層失穩(wěn)影響因素及失穩(wěn)機理分析

2.1 煤的鏡質(zhì)體反射率與顯微組分

煤的鏡質(zhì)體反射率反映出煤的變質(zhì)程度，煤的顯微組成對其裂隙發(fā)育程度、孔滲特性和煤巖力學(xué)強度有一定的影響[11-13]。對不同深度的煤進行鏡質(zhì)體反射率和顯微組分測定，并對結(jié)果進行了分析。

2.1.1 工業(yè)分析和煤的鏡質(zhì)體反射率

針對侏羅系煤層不同深度的煤進行工業(yè)分析和煤巖檢測，從測定結(jié)果中選取規(guī)律較為明顯的6個樣品數(shù)據(jù)(表3)進行分析。從表3可以看出，煤的固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，平均超過60%；鏡質(zhì)體最大反射率為1.0%~1.6%，最高達到1.6%。可以判斷侏羅系煤為中等變質(zhì)程度的煙煤[14-15]。同時從表3看出，侏羅系煤隨埋深的增加，鏡質(zhì)體反射率增大，煤化程度增加。煤化程度越高，煤體越易破碎，在井下受到鉆具碰撞和沖擊后，極易發(fā)生破碎和井壁垮塌。

2.1.2 煤巖顯微組成

煤巖顯微組分在一定程度上影響煤巖的孔滲特性：鏡質(zhì)組含量越高，煤巖裂隙越發(fā)育，滲透性越好[15-16]。從煤巖顯微組分分析結(jié)果(表3)可以看出，侏羅系煤層煤巖總有機顯微組分體積分?jǐn)?shù)高，均超過70%，最大值88.1%。煤巖顯微組成以鏡質(zhì)組為主，鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)均超過50%，且煤巖類型主要以半亮煤為主，煤體裂隙發(fā)育，孔滲性較好。

表3 煤的工業(yè)分析及煤巖檢測結(jié)果

2.2 煤的巖石礦物組成分析

利用X’ Pert Pro X射線衍射儀分析了塔里木盆地侏羅系煤和泥巖的礦物成分。

對7口井煤樣中礦物進行成分分析，每口井選取數(shù)值接近平均值一個點(表4)。從表4可以看出，鉆孔中的陽霞組巖石礦物組成以石英和黏土礦物為主，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大超過50%，X11井4 458 m處煤中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到57.5%；煤中的黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近25%；除了石英和黏土礦物外，井下煤中還含有不同量的鉀長石、斜長石、方解石和白云石等礦物。井下煤中的黏土礦物以高嶺石和伊利石為主，兩種礦物總質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過70%，發(fā)育伊/蒙混層；所有測試樣品均不含蒙脫石。陽霞組露頭煤中全巖礦物以石英為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80%以上；與井下煤樣相比，露頭煤中的黏土礦物含量明顯降低，且不含重晶石。露頭煤中的黏土礦物以高嶺石為主，發(fā)育伊/蒙混層，且不含蒙脫石等強水化膨脹型黏土。

表4 塔里木盆地侏羅系陽霞組煤中礦物組成分析結(jié)果

對每口井侏羅系泥巖進行全巖礦物組成分析，結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，泥巖礦物以石英和黏土礦物為主，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)在35%以上，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過40%，X11井4 638 m泥巖黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到55.1%。黏土礦物主要為伊利石，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在40%以上，其次為高嶺石和綠泥石；伊/蒙混層含量較少，不含蒙脫石。

通過表4與表5的對比看出，侏羅系煤中和泥巖的礦物成分都以石英和黏土礦物為主，但泥巖的黏土礦物含量明顯高于煤中的黏土礦物含量。煤中和泥巖的黏土礦物均以伊利石和高嶺石為主，伊/蒙混層含量相近，層間比相似，均不含強水敏性礦物蒙脫石。

表5 塔里木盆地侏羅系泥巖礦物組成測試結(jié)果

2.3 煤體結(jié)構(gòu)

2.3.1 煤巖宏觀結(jié)構(gòu)

通過對現(xiàn)場露頭煤樣取樣觀察分析，該地區(qū)煤的表面有光澤，宏觀煤巖類型以半亮煤為主，含有少量暗煤。煤中割理系統(tǒng)非常發(fā)育，且煤中不同組分中裂隙發(fā)育程度不同。從煤層斷面圖(圖1)可以看出煤的的割理產(chǎn)狀，在斷面上部，端割理密度大，將煤層組分分割為較大的塊體；在斷面中部，可以看到明顯的面割理，且面割理延伸長，可貫穿整個巖體，但巖體中部割理不發(fā)育，煤巖組分完整；在斷面下部，割理系統(tǒng)非常發(fā)育，面割理與端割理相互交叉連通，呈網(wǎng)狀分布，將煤巖組分切割為很小的塊體。

圖1 煤巖斷面示意圖

2.3.2 煤巖微觀結(jié)構(gòu)

利用掃描電子顯微鏡(ESEM)觀察煤樣微觀裂隙發(fā)育情況，如圖2所示。從圖2可以看出，煤中微裂縫發(fā)育，面割理較端割理更寬、延伸更長，兩組割理相互交錯切割，呈網(wǎng)狀分布。

對電子顯微鏡觀測的微裂縫進行統(tǒng)計，結(jié)果如表6所示。從表6中看出，煤的微裂縫中，寬度小于1 μm的微裂縫占比僅為3.8%；寬度大于10 μm的微裂縫占比為5.8%。微裂縫寬度主要分布在1~10 μm，占比90.4%，其中寬度在1~3 μm的微裂縫最多，占總裂縫數(shù)量的69.2%。表明煤巖微裂縫主要為微米級，也為鉆井液封堵劑的選擇提供了依據(jù)。

圖2 煤的掃描電鏡圖

表6 煤巖巖屑電鏡掃描微裂縫統(tǒng)計

綜合煤巖檢測結(jié)果表明，煤的變質(zhì)程度高，質(zhì)脆，易破碎，鉆具碰撞、鉆井液沖刷等會導(dǎo)致井壁巖石破壞，引起井壁垮塌；煤中含少量黏土礦物，入井流體與弱水化黏土反應(yīng)，增加了裂隙流體壓力，削弱了煤巖體之間的聯(lián)結(jié)力；煤中發(fā)育大量割理和微裂縫，鉆井液易侵入微裂縫，增強裂縫面之間的潤滑性，引起煤體強度減弱，導(dǎo)致井壁垮塌[17]?？傮w判斷，煤的弱水化、弱膠結(jié)，鉆井液易侵入煤層，增強了割理面的潤滑性，煤體更易沿割理面發(fā)生破壞，煤層失穩(wěn)以力學(xué)失穩(wěn)為主。為防止煤層失穩(wěn)，施工過程中應(yīng)增強鉆井液封堵性能、減少鉆井液濾失量。

3 防塌鉆井液及性能

根據(jù)塔里木盆地侏羅系煤層鉆井井壁失穩(wěn)機理，從加強封堵、提升抑制性能角度出發(fā)，制定了防塌鉆井液對策，擬采用瀝青質(zhì)高效封堵防塌劑天然瀝青干粉和SY-A01乳化瀝青，建立適合侏羅系煤層段鉆井的瀝青質(zhì)聚磺防塌鉆井液體系。

3.1 防塌鉆井液體系及常規(guī)性能

瀝青質(zhì)聚磺防塌鉆井液體系組成：4.0%膨潤土粉+1.0%CMC+0.2%JNP+0.2%NaOH+2.5%SMP-3+1.0%Redu+2.0%天然瀝青干粉+1.0%SY-A01。

原X13井漿配方：2.5%膨潤土粉+0.3%Na2CO3+ 0.5%NaOH+0.2%JXC+0.5%BZ-BYJ-1+0.5%JMP-1+0.5%MYK-4+0.1%MMH+2%BZ-REDUL-1+2%SMP-3+4%BZ-YFT+3%BZYRH+10%BZ-WYJ1+2%BZ-DFT+5%KCl。

由瀝青質(zhì)聚磺防塌鉆井液體系在110℃、16 h老化前后流變性能和濾失性測定結(jié)果(表7)可知，與原X13井漿相比，防塌鉆井液老化前后性能相近，穩(wěn)定性好；從表7中看出，高溫高壓條件下的濾失量為3.9 mL，僅比API條件下的濾失量3.4 mL略高，且兩種條件下的濾失量均遠低于原X13井漿的濾失量，表明瀝青類封堵防塌劑升溫軟化后聚集，并在泥餅中成膜，能有效減少濾液侵入地層。該防塌鉆井液的黏度、切力更高，有利于滿足攜巖需要，濾失量顯著降低、泥餅薄，既能減少鉆井液侵入地層，也能有效保護井壁。

表7 瀝青質(zhì)聚磺防塌鉆井液流變性能

3.2 抑制水化分散性能評價

對蒸餾水、柴油、原X13井井漿、瀝青質(zhì)聚磺防塌鉆井液進行滾動回收率測試(圖3)。由圖3看出，蒸餾水和柴油的滾動回收率分別為78%和83%，原X13井漿和防塌鉆井液的滾動回收率均高于蒸餾水和柴油，其中原X13井漿回收率為90%，防塌鉆井液回收率高達97%。

圖3 瀝青質(zhì)防塌鉆井液抑制水化分散性能

通過對比看出，巖屑在蒸餾水中滾動回收率較低，原因之一，煤巖在滾動過程中受到?jīng)_刷和碰撞，導(dǎo)致碎裂；其二，煤體具有水化分散能力，遇水容易水化分散，從而削弱顆粒間的聯(lián)結(jié)力，導(dǎo)致巖體破碎。

本次防塌鉆井液中含有瀝青顆粒，會吸附在煤體表面，包裹巖屑，故能顯著提高煤巖滾動回收率，更好地抑制黏土礦物水化分散，能有效預(yù)防煤層井壁巖石因沖刷引起的碎裂和水化分散引起的崩落，從而預(yù)防煤層垮塌。

3.3 封堵性能評價

3.3.1 封堵材料優(yōu)選

基于煤親油的特點，優(yōu)先考慮采用可軟化變形的瀝青類防塌劑作為封堵材料，優(yōu)選出天然瀝青干粉和SY-A01乳化瀝青作為主防塌劑。天然瀝青干粉和SY-A01乳化瀝青的粒度測試結(jié)果如圖4所示，天然瀝青干粉的粒徑范圍為1.73~451.56 μm，集中在10.10~62.07 μm；SY-A01乳化瀝青的粒徑范圍為3.41~1 019.52 μm，集中在22.80~317.29 μm，兩種瀝青復(fù)配后能夠填充煤中絕大部分裂縫。另外，由于瀝青和煤均具親油性，瀝青易在煤表面形成致密的封堵層，如圖5所示，進一步增強鉆井液的封堵能力。

3.3.2 封堵性能分析

對經(jīng)過防塌鉆井液封堵前后的煤體表面進行對比觀察，如圖5所示，展示了瀝青質(zhì)防塌鉆井液的封堵效果及針對不同寬度微裂縫的封堵機理。對寬度較大的裂縫，封堵劑顆粒會擠入裂縫中，對裂縫進行填充，再經(jīng)過升溫軟化，利用煤的親油性能，封堵劑顆粒吸附在裂縫面上，增大接觸面積，增強封堵效果。

圖4 封堵劑粒度測試結(jié)果

圖5 防塌鉆井液封堵前后的煤巖表面

對寬度較小的微裂縫進行封堵時，首先，瀝青顆粒為軟性顆粒，在井下升溫軟化變形后，粒徑較小的瀝青顆粒通過吸附流動可進入裂縫；其次，瀝青封堵劑顆粒附著在煤體表面，經(jīng)過升溫軟化延展后，在微裂縫表面形成致密的封堵層，對裂縫進行有效封堵，將鉆井濾液阻隔在外，防止鉆井液濾液侵入。

采用氮氣作為滲流流體，對封堵前后的煤樣進行滲透率()測試，滲透率測試結(jié)果如表8所示。從表8看出，經(jīng)過原X13井井漿和防塌鉆井液封堵處理后的煤心滲透率均有下降，表明兩種實驗流體均能對煤中裂縫進行封堵。經(jīng)過防塌鉆井液封堵處理后的煤心滲透率下降率能達到93.5%，表明該體系鉆井液對煤中割理和微裂縫具有很好的封堵效果，能顯著降低煤體滲透率，減少鉆井液漏失侵入地層，預(yù)防井壁垮塌。

表8 巖心封堵前后滲透率測試結(jié)果

針對塔里木盆地侏羅系煤層的失穩(wěn)特點，優(yōu)選高效瀝青質(zhì)封堵劑天然瀝青干粉和SY-A01乳化瀝青，建立的瀝青質(zhì)聚磺防塌鉆井液流變性能好、抑制水化能力強、封堵性能優(yōu)，對該區(qū)塊煤層具有很強的針對性，有利于降低井壁垮塌和鉆井液漏失等井下事故生率。

4 結(jié)論

a.塔里木盆地油田區(qū)侏羅系煤層失穩(wěn)情況主要為井徑擴大和井壁垮塌，部分層段井壁垮塌嚴(yán)重導(dǎo)致卡鉆；煤層段普遍存在嚴(yán)重鉆井液漏失現(xiàn)象。

b.塔里木盆地侏羅系煤層煤化程度中–高級，固定碳含量高，鏡質(zhì)組含量高，煤親油、性脆、易破碎，井下工具碰撞和鉆井液沖刷會引起井壁垮塌。

c.煤層段泥巖的礦物組成以黏土礦物為主，煤中礦物組成以石英為主，均不含強水敏性礦物蒙脫石；煤的割理和微裂縫呈網(wǎng)狀發(fā)育，入井流體易沿裂縫侵入煤層，引起裂隙流體壓力增加，并降低巖石摩擦系數(shù)，削弱顆粒間的聯(lián)結(jié)力；同時入井流體會引起煤層局部弱水化反應(yīng)，導(dǎo)致剝落掉塊，引發(fā)井壁垮塌。綜合判斷，煤層井壁失穩(wěn)以力學(xué)失穩(wěn)為主。預(yù)防煤層失穩(wěn)的措施需以增強鉆井液封堵性能、減少鉆井液濾失為主。

d.瀝青質(zhì)聚磺防塌鉆井液體系黏度、切力適中，濾失量低，泥餅??；老化前后性能相近，穩(wěn)定性高；具有較強的抑制水化分散能力，有利于井壁穩(wěn)定。

e. 瀝青質(zhì)聚磺防塌鉆井液體系優(yōu)選瀝青類封堵劑天然瀝青干粉和SY-A01乳化瀝青進行復(fù)配，能填充封堵煤中絕大部分割理，同時瀝青易在煤體表面形成致密封堵層，進一步增強鉆井液的封堵能力。研究成果可為塔里木盆地深部煤系的安全高效快速鉆井提供技術(shù)保障。

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Instability mechanism and anti-sloughing drilling fluid technique for deep coal seam of Tarim basin

LI Heng1, HE Shiming1, TANG Ming1, LI Ning2, YANG Pei2, ZHANG Zhen2

(1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. Research Institute of Petroleum Engineering, Tarim Oilfield Company, Korla 841008, China)

In view of the complicated problems of drilling fluid leakage and hole collapse during the drilling of deep coalbed in Tarim basin, the microstructure and physical and chemical properties of coal were tested by vitrinite reflectance analysis, X ray diffraction and scanning electron microscope, and the mechanism of coal seam instability was confirmed. The fixed carbon content of the coal exceeds 60%, the vitrinite reflectance is greater than 1.1%, and coal have high degree of coalification, is brittle and easy to break. The total amount of clay mineral is less than 25%, and there is no strong water-sensitive mineral montmorillonite in clay. The cleat of coal is reticulated, whose width is mainly concentrated in 1–10 μm, easy to leak off. The instability type of coal and rocks was judged comprehensively as mechanical instability. Taking the microstructure of coal as the object and combining with the size distribution of drilling fluid materials, the asphaltic blocking agent was optimized and the asphaltic polysulfonate anti-collapse drilling fluid for coal seam was designed. Its performance test shows that the asphaltic polysulfonate anti-collapse drilling fluid has low filtration loss and thin mud cake, can effectively block most of coal cleats, reduce drilling fluid invasion, and prevent coal seam collapse. The research results can provide technical support for safe and efficient drilling in the deep coal seam in Tarim basin.

coal seam; mechanism of the wall instability; blockage performance; anti-collapse drilling fluid

TE254

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.032

1001-1986(2019)04-0212-07

2018-07-11

國家自然科學(xué)基金項目(51774247，51574202)；西南石油大學(xué)科研“起航計劃”項目(2017QHZ001)

National Natural Science Foundation of China(51774247，51574202)；The Scientific Research Starting Project of SWPU(2017QHZ001)

李恒，1992年生，男，四川眉山人，碩士，從事井壁穩(wěn)定性研究. E-mail：308042208@qq.com

何世明，1966年生，男，重慶人，博士，教授，從事鉆井工藝研究. E-mail：hesming@sina.com

李恒，何世明，湯明，等. 塔里木盆地深部煤層失穩(wěn)機理及防塌鉆井液技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：212–218.

LI Heng，HE Shiming，TANG Ming，et al. Instability mechanism and anti-sloughing drilling fluid technique for deep coal seam of Tarim basin[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：212–218.

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)