煤體結(jié)構(gòu)組合對煤層氣井井徑影響研究

煤體結(jié)構(gòu)組合對煤層氣井井徑影響研究

煤體結(jié)構(gòu)組合影響井徑擴(kuò)大的因素分析煤氣田開發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。在勘探和開發(fā)的鏈接中，任何工程都是對煤層產(chǎn)量的“雙刃劍”。井壓設(shè)計(jì)作為整個開發(fā)鏈的中間環(huán)節(jié)，其重要性顯而易見。鉆井過程中鉆井液易污染煤儲層,這使廣大煤層氣工作者從鉆井過程儲層保護(hù)角度考慮研發(fā)了欠平衡鉆井技術(shù),大大縮短了鉆井周期,節(jié)省了鉆井成本,但在出水量較大的地層中其應(yīng)用受到了一定的限制。沁水盆地南部勘探開發(fā)實(shí)踐表明:低密度、低失水、低固相含量的鉆井液施工效果較好,并得到推廣應(yīng)用。針對一口煤層氣垂直井而言,煤體結(jié)構(gòu)的不同影響到鉆井過程儲層保護(hù)的鉆進(jìn)參數(shù)的選取,這可能引起煤層段的嚴(yán)重?cái)U(kuò)徑并造成固井過程對儲層更大的傷害。探求不同煤體結(jié)構(gòu)組合的井徑擴(kuò)大時(shí)鉆進(jìn)主控因素是防止井徑擴(kuò)大的根本。本文通過測井資料結(jié)合鉆井取芯對恩村井田不同煤體結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行劃分,剖析不同煤體結(jié)構(gòu)組合下井徑擴(kuò)大的鉆進(jìn)主控因素,給出不同煤體結(jié)構(gòu)組合的鉆進(jìn)參數(shù),以便指導(dǎo)該區(qū)不同煤體結(jié)構(gòu)組合下鉆井工藝選擇。1巖性結(jié)構(gòu)及構(gòu)造特性焦作礦區(qū)位于太行山南麓,東起趙固勘探區(qū)東界一1煤層露頭,西至焦作柏山,與濟(jì)源礦區(qū)接壤;北起太行山南麓一1煤層露頭,南抵武陟古隆起,以盤古寺大斷層為界。礦區(qū)整體為一傾向南東的單斜構(gòu)造,鳳凰嶺斷層和峪河斷層將本區(qū)分為南、中、北3個構(gòu)造斷塊,本文研究工作主要集中在礦區(qū)南部的恩村井田。恩村井田南部為盤古寺斷層,西部至九里山斷層,北部為鳳凰嶺斷層,向東部埋深逐漸增加到2000m以上,總體上為一近東西向的向斜(圖1)。構(gòu)造形態(tài)經(jīng)歷了多次聯(lián)合作用,致使該區(qū)構(gòu)造線展布受到干擾,力學(xué)性質(zhì)也經(jīng)幾番變化,不同程度地反映了它的復(fù)雜性和多樣性。焦作礦區(qū)構(gòu)造輪廓如圖1所示。2鉆進(jìn)參數(shù)組合影響研究區(qū)成煤后構(gòu)造運(yùn)動的多期性及復(fù)雜性造成該區(qū)煤體破壞程度、裂隙發(fā)育程度的復(fù)雜性,決定了采用幾乎相同的鉆進(jìn)參數(shù)組合進(jìn)行鉆進(jìn),煤層段遭受不同程度的剪切破壞、沖刷、坍塌,從而引起井徑擴(kuò)大程度也不同。為了更好地對井徑擴(kuò)徑的嚴(yán)重程度進(jìn)行分類及分析研究井徑擴(kuò)大的主控因素,對研究區(qū)各煤層氣井煤儲層的煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分顯得非常必要。2.1煤體結(jié)構(gòu)劃分煤體結(jié)構(gòu)的分類方法很多,瓦斯地質(zhì)學(xué)中根據(jù)煤體的破壞程度把煤體結(jié)構(gòu)劃分為原生結(jié)構(gòu)煤(I類)、碎裂煤(II類)、碎粒煤(III類)和糜棱煤(IV類)4種。大量實(shí)驗(yàn)研究表明:對同一地區(qū)而言,隨著煤體破壞程度的增加,煤的孔隙度增加、強(qiáng)度降低、導(dǎo)電性變好,在測井曲線上表現(xiàn)為視電阻率幅值降低、視密度減小、煤體彈性波傳播速度減慢,因此,根據(jù)測井曲線結(jié)合鉆井取芯對比,可對研究區(qū)煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。基本思想為:(1)以測井曲線中的補(bǔ)償密度異常半幅點(diǎn)、自然伽馬異常半幅點(diǎn)、深側(cè)向電阻率異常根部突變點(diǎn)三者結(jié)合來判識煤層厚度;(2)對研究區(qū)各井煤層段以0.5m統(tǒng)計(jì)聲波時(shí)差值和補(bǔ)償密度值;(3)根據(jù)研究區(qū)鉆井取芯觀察描述與測井聲波時(shí)差對照,兼顧補(bǔ)償密度數(shù)據(jù),劃分出不同煤體結(jié)構(gòu)的聲波時(shí)差響應(yīng)值段;圖2為煤層氣井不同煤體結(jié)構(gòu)部分取芯照。2.2煤體結(jié)構(gòu)組合根據(jù)聲波時(shí)差值可得出各井0.5m厚度內(nèi)的煤體破壞程度。對于III類和IV類煤而言,測井曲線的聲波時(shí)差值界限不明顯,且對一口井而言,若這兩類煤存在,則經(jīng)常是混雜存在,因此,本文把這兩類煤劃歸到一起進(jìn)行分析。根據(jù)取芯與測井曲線對比,得出研究區(qū)I類、II類、III類和IV類煤對應(yīng)的聲波時(shí)差區(qū)間,統(tǒng)計(jì)出各井對應(yīng)的煤體結(jié)構(gòu)厚度。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,當(dāng)某類煤厚度小于0.6m時(shí)對井徑的影響不大。因此,若一口井中以III類和IV類煤為主,I類煤厚度占總厚度<25%,且厚度大于0.6m時(shí),則命名為含I類煤的III類、IV類煤;含量為25%～50%,則命名為I類、III類、IV類煤;含量為50%～75%,則命名為III類、IV類、I類煤;含量>75%,則命名為含III類、IV類煤的I類煤。因研究區(qū)煤層段均使用?215.9mm鉆頭鉆進(jìn),結(jié)合該區(qū)井徑情況,把井徑擴(kuò)徑嚴(yán)重程度劃分為4類,即220～250mm為正常;250～310mm為輕微擴(kuò)徑;310～410mm為較嚴(yán)重?cái)U(kuò)徑;>410mm為嚴(yán)重?cái)U(kuò)徑。恩村井田煤層氣各井煤體結(jié)構(gòu)組合及井徑擴(kuò)徑程度見表1。從表1可看出,井徑正常的煤層氣井僅2口、輕微擴(kuò)徑的井有3口、較嚴(yán)重?cái)U(kuò)徑的井有5口、嚴(yán)重?cái)U(kuò)徑的井有5口。煤體結(jié)構(gòu)組合為I類煤的井徑正常;煤體結(jié)構(gòu)組合為II類煤的井徑擴(kuò)徑輕微;煤體結(jié)構(gòu)組合有III類、IV類煤參與的井徑擴(kuò)徑較嚴(yán)重或嚴(yán)重。3井徑擴(kuò)徑的原因在煤層中進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí),鉆進(jìn)參數(shù)主要有:鉆壓、排量、轉(zhuǎn)速、鉆井液密度等。造成井徑擴(kuò)徑的原因無非是煤層破裂或煤層坍塌掉塊兩種情況。不同煤體結(jié)構(gòu)組合下井徑擴(kuò)徑的主控因素不同,分述之。3.1特定井底、下井內(nèi)油、煤巖體接枝壓對于垂直井而言,井徑擴(kuò)徑一般都是井壁的剪切破壞而發(fā)生坍塌或掉塊。I類煤巖內(nèi)生裂隙相對發(fā)育,而外生裂隙和繼承性裂隙相對不發(fā)育,因此可把此類煤巖體近似看作均質(zhì)巖體。根據(jù)彈性力學(xué)理論可知:煤層氣垂直井井壁上的切向應(yīng)力可表示為[1618]式中σθ—切向應(yīng)力,MPa;σH—最大水平主應(yīng)力,MPa;σh—最小水平主應(yīng)力,MPa;θ—井眼周圍某點(diǎn)徑向與最大水平主應(yīng)力方向的夾角,(°);pi—井內(nèi)液柱壓力,MPa。根據(jù)式(1)可知,當(dāng)cosθ=–1,即與最小水平主應(yīng)力方向平行時(shí),切向應(yīng)力最大,此時(shí)煤巖體容易發(fā)生坍塌掉塊,造成井徑擴(kuò)大;當(dāng)cosθ=1,即與最大水平主應(yīng)力方向平行時(shí),此時(shí)切向應(yīng)力表現(xiàn)為拉張應(yīng)力,使煤巖張裂,鉆井液漏失于煤巖中,造成煤儲層污染。煤巖體在此類煤中發(fā)生破裂的條件可表示為式中pf—煤巖破裂壓力,MPa;St—煤巖抗張強(qiáng)度,MPa。煤巖體在此類煤中發(fā)生坍塌掉塊的條件可表示為式中,pft—煤巖掉塊壓力,MPa。在不考慮起下鉆壓力波動時(shí),鉆井液密度在一定程度上控制著井底壓力與地層壓力差,進(jìn)而決定了煤層段的破裂與坍塌。鉆進(jìn)過程中只要鉆壓大于門限鉆壓,且鉆進(jìn)工具允許,就可加快此類煤的鉆進(jìn)速度。亦即鉆壓和轉(zhuǎn)速的大小會影響鉆具的磨損程度及鉆進(jìn)速度,對井徑的擴(kuò)徑影響較小。綜上可知:煤層幾乎全為I類煤時(shí),鉆井液密度過大可能造成煤巖的破裂,使鉆井液發(fā)生滲漏,污染儲層;鉆井液密度過小,可能引起煤巖剝落掉塊,引起井徑擴(kuò)大。此類煤中鉆井液密度的大小是井徑擴(kuò)大與否的主控要素。3.2煤巖體破裂機(jī)理II類煤巖多組互相交切的裂隙的存在增加了此類煤鉆進(jìn)時(shí)煤巖破裂或坍塌的復(fù)雜性。此類煤中裂隙相對發(fā)育。設(shè)最大水平主應(yīng)力與煤儲層天然裂隙面夾角為α,則裂隙面上的正應(yīng)力為式中σn—裂隙面上的正應(yīng)力,MPa;α—天然裂隙面與最大水平主應(yīng)力夾角,(°)。根據(jù)式(1)和(4)可知,若煤巖體發(fā)生破裂,首先將沿著裂隙面破裂。井徑擴(kuò)大不僅受鉆井液密度大小影響,而且受到天然裂隙方向與最大水平主應(yīng)力方向關(guān)系影響。II類煤裂隙比較發(fā)育,使煤體強(qiáng)度降低,對鉆井液密度要求相對苛刻,鉆井過程中鉆井液密度很難控制得非常合理,若此時(shí)排量較大,可能導(dǎo)致煤層段沿著裂隙發(fā)育處剝落,但因煤體強(qiáng)度較大,可能造成局部范圍內(nèi)擴(kuò)徑。因此,II類煤中,天然裂隙方向與最大水平主應(yīng)力方向的關(guān)系及裂隙發(fā)育程度導(dǎo)致煤體強(qiáng)度降低,對鉆井液密度要求更苛刻。3.3儲層激化群落III類、IV類煤原生裂隙中分不出層理,次生裂隙稠密,裂隙間距變密,煤松軟,用較小的力可將煤研成小碎塊或粉狀。因煤體強(qiáng)度較低,且多數(shù)以碎塊或粉狀堆積著,儲層激動大小對III類、IV類煤井徑擴(kuò)大嚴(yán)重程度密切相關(guān)。鉆進(jìn)過程中,一般采用過平衡鉆進(jìn),因煤體幾乎以碎塊或粉狀堆積,鉆井液很容易滲入煤層,引起儲層污染;因煤體強(qiáng)度較低,不管鉆井液密度大小如何,都不能保證井徑不擴(kuò)大。若鉆進(jìn)過程中排量過大,對煤壁沖刷嚴(yán)重,很容易使煤體破碎成小碎塊,造成井徑擴(kuò)大。因此,有III類、IV類煤參與的煤層段控制鉆進(jìn)過程中的排量大小是防止井徑擴(kuò)大的關(guān)鍵。3.4基于不同巖石結(jié)構(gòu)的孔三維優(yōu)化通過恩村井田不同煤體結(jié)構(gòu)組合下的井徑鉆進(jìn)主控因素分析,鉆進(jìn)參