山西煤层气区块三压力剖面预分析研究 煤矿管理专业VIP

山西煤层气区块三压力剖面预测1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司300452，天津摘要：相较于普通的储层而言，煤岩极为特殊，不仅存在割理发育现象，而且强度相对较低，当进行钻井时，将会频繁出现井壁坍塌事故。除此之外，煤岩本身的结构，并不有利于煤井井壁含有的稳定性，因此，研究煤层的三压力剖面。根据井壁周围的围岩应力以及井壁应力分布特征确定修正系数，通过实验确定煤层岩石力学参数，建立地层孔隙压力，坍塌压力，破裂压力模型确定三压力剖面。研究结果表明，孔隙压力和坍塌压力正常，破裂压力因不同层系波动较大，因此，在钻井过程应该适当控制钻井液密度，避免压破地层。关键词：煤层气；破裂压力;坍塌压力；三压力剖面；岩石力学强度实验PredictionofThreePressureProfilesinShanxiCoalbedMethaneBlock1.CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCo.,Tianjin300452,ChinaABSTRACT:Comparedwithconventionalreservoirs,coalreservoirsarecharacterizedbylowstrengthandwellcleavagestructure,andboreholewallinstabilityisseriousduringdrilling.Atthesametime,theparticularityofcoalandrockstructurealsoincreasesthedifficultyofstudyingthemechanismofboreholewallinstabilityofCBMwells.Therefore,thestudyofthreepressureprofilesofcoalseamsisnecessary.Accordingtothesurroundingrockstressaroundthewellboreandthedistributioncharacteristicsofthewellborestress,thecorrectioncoefficientisdetermined.Therockmechanicsparametersofcoalseamaredeterminedbyexperiments.Theporepressure,collapsepressureandfracturepressuremodelsareestablishedtodeterminethethreepressureprofiles.Theresultsshowthattheporepressureandcollapsepressurearenormal,andthefracturepressurefluctuatesgreatlyduetodifferentformations.Therefore,thedensityofdrillingfluidshouldbeproperlycontrolledinthedrillingprocesstoavoidfracturingformation.Keywords:coalbedmethane;fracturepressure;collapsepressure;threepressureprofiles;rockmechanicalstrengthtest0.引言煤岩含有较低的强度，质脆，通常伴随着不同程度的裂隙发育，很容易破碎形成坍塌。其本质隶属于非连续介质的范畴，故此，既定单一的连续介质力学模型，无法对其进行更深层次的细致分析。一般情况下，某些含煤地层的相关工程，不可能具备良好的地质条件，当进行钻进时，很容易发生井塌、起下钻遇阻等多种障碍。这些障碍极大的推迟了预先设定的工作进度，并无法保障工程的整体安全性能。例如：西方发达国家美国的Arkoma盆地，就选择通过水平井开发煤层气，然而，当进行钻井时，尤其当选择欠平衡钻处理压力衰竭煤层的过程中，频繁遇到井壁坍塌［6］。学者李士斌［1］，曾经通过断裂力学方法，基于煤层气井近井壁位置表现的裂纹，很可能会经受地应力与裂纹应力两者之间的协同作用，而构建出针对性的稳定评价模型;学者屈平［2－3］，曾经通过强度准则，研究出能够正确判定裂纹扩展破坏的重要依据，并据此针对节理煤层井壁，构建出相应的稳定评价模型。学者陈勉［4］，曾经通过利用非连续介质力学方法，成功构建出煤层在坍塌情况下的压力分析模型，同时推论出由于地应力等多元化因素，而形成的坍塌压力或者破裂压力等相关方程;学者刘升贵［5］，曾经基于有限元软件，针对煤层气水平分支井，在进行排采时所表现出的井壁失稳基本特征，开展了相对细致的分析，有利于后续固井的推进;学者包凯［6］，曾经基于离散元软件，针对破碎性煤层段井壁所具备的安全稳定性能，开展了详细的数值模拟分析，并深入研究了在多样化钻井方式条件下，煤层井壁含有的良好稳定性;学者尹虎［7］，曾经基于离散元软件，成功构建出完善的煤层直井模型，并通过实时调整井底压力的相关参数，再辅以全面的分析，得到井壁在8种不同的应力条件下，所表现出的失效情况，随后据此构建出科学前沿的井眼煤岩离散单元安全系数法，该方法能够针对煤层井壁所表现出的稳定性，进行细致的评价[13]。传统的研究手段，大多基于理论分析及其数值模拟等两大角度出发，针对煤岩井壁含有的良好稳定性，进行更加深入的研究。对于常见的数值模拟方式而言，如果基于有限元软件等普通软件进行分析，将无法精确判断出割理相对于煤岩力学行为而造成的实际影响。在此情况下，离散单元法的作用就相对直观，该方法的面向对象通常为非连续岩体，能够实时模拟出煤岩割理，可能会对井壁含有的稳定性，所造成的实际影响。对于大多数学者而言，都更加倾向于将离散元数值模拟软件，运用到煤岩井壁是否含有良好稳定性的相关研究当中，却忽视了煤岩宏微观结构的细致描述，并且尚未全面考虑到煤岩所涉及的诸多力学参数。实际上，通过一系列实验，能够实时掌握煤岩中存在的微细观结构及其多样化煤岩力学参数，唯有如此，才能通过这些数值，精确模拟出煤层气井壁所含有的稳定性。本文主要通过某地区煤岩为例，并将室内试验作为辅助测试手段，针对该区域内煤岩存在的宏微观结构及其多样化力学参数，进行深入的细致研究。此外，采用离散元软件，通过选择数值模拟的研究方式，针对井底压力以及割理间距等方面，相对于煤层井壁含有的稳定性，而造成的实际影响，开展进一步的研究。1.井壁应力分析当进行钻井时，若想切实保障施工过程的安全性与稳定性，则需要选用恰当的泥浆密度。其中，井壁稳定方面的常见问题，主要包含井壁坍塌及其缩径、地层破裂或者压裂两类。故此，定量研究的主要方向，在于实时判定地层是否保持在不坍塌、不压漏的状态，并不得超过钻井液的密度范围，从而有利于后期设计。综上得知，通过选择恰当的泥浆密度，能够有效预防井壁坍塌及其井壁破裂现象。其中，能够对井壁稳定造成直接影响的主要因素，通常为地应力、地层含有的力学性质等。地底深处位置的岩石，通常会受到诸多压力的集中作用，例如：上覆地层压力及其地层孔隙压力等。当井眼尚未被钻时，地下岩层一般能够维持应力平衡，然而，当井眼正式钻出后，由于井内存在的钻井液柱压力，破坏了原有的应力平衡，故此，井眼周边的应力将会被打乱，并进行重新分布。1.1井壁围岩应力一般情况下，井壁岩石受到的应力，主要涉及到周向应力及其剪切应力等，详见图1。如果垂直井表现为=0，则其应力状态应该如下：{σrσz}。详见图2，如果岩石出现剪切破坏状态，则通常满足>σz>σr，这意味着，σz代表中间应力。当针对井眼稳定问题，进行进一步研究时，能够忽略上覆压力σz的实际影响，只需要将其当做平面应变问题进行细致分析即可[14]。图1井壁围岩立体受力状态示意图图2井壁应力计算基本模型示意图σH、σh—代表水平方向上表现出的两个主地应力；Pp—主要代表地层孔隙压力；pI—主要代表井眼中存在的液体压力；rI—主要代表井眼半径基于线性弹性理论，能够得知，如果井壁表现为不可渗透，则通过图2-2中的井眼计算模型，能够得知其相较于井轴r位置，而表现出的的有效应力大致如下：(1-1)在上述公式中：——分别代表径向有效正应力、切向有效正应力、垂向有效正应力及其剪应力；——主要代表上覆压力；——代表水平方向上表现出的两个主地应力；——主要代表地层孔隙压力；——主要代表井眼中存在的液柱压力；——主要代表井眼半径；——主要代表有效应力系数；——主要代表岩石泊松比；1.2井壁应力当处于井壁表面，则需要遵循公式，并能将公式(2-5)进行如下简化：(1-2)值得一提的是：对于公式(1-2)而言，其在进行实际推导时，通常会将井壁围岩定义为线弹性体，然而，泥页岩表现出的弹性模量，一般和围压密切相关，如果围压持续提升，则岩石表现出的弹性模量也将随之增长。根据相关研究，能够得知，两者之间的实时变化，能够通过式(1-3)进行表示。这意味着，井壁岩石的本质并非非线性弹性体。(1-3)在上述公式中：—代表围压；E—代表弹性模量；而参数E和参数n均和岩石密切相关，将实验数据基于曲线回归，就能得知。学者Guenot及其学者Santarelli，曾经进行过真三轴试验，根据实验结果，能够得知，基于线弹性理论，而计算得出的能够确保井壁稳定的最低钻井液密度值，相较于实际数值而言，显得略微偏大。故此，为了切实保障实验结果的合理性，应该注意围岩弹性模量的实时变化，有可能会对井壁应力，造成的实际影响，并及时修正。学者Santarelli，曾经基于均匀水平地应力的实际作用，针对围压井壁应力及其相应的弹性模量，进行了深入的细致计算，并将最小应力，等同于井壁内部的径向应力[15],由此能够得知：(1-4)通过一系列推导，得出已经完成修正的井壁围岩应力及其相关表达式如下：(1-5)在上述公式中，μ—主要代表岩石泊松比--主要代表远场均匀地应力通常情况下，当处于非均匀地应力的作用下，如果充分考虑围压和弹性模量的关联，则将不能求解出井壁围岩应力分布的相关解析式，在此情况下，需要通过在均匀地应力作用下，求解得出围岩应力减少系数，才能对井壁稳定实现修正[16]。其中，均匀地应力计算公式如下：(1-6)将n=0.1，能够得知应力降低系数如下：故此，当处于非均匀地应力的实际作用下，则通常井壁稳定应力的相关计算公式，经过修正应该如下：(1-7)2.地层岩石强度实验1)实验岩心的制备一般情况下，在现场开采的岩心形状各异，无法直接用于实验，故此，需要在实验室中对其进行再加工。本文通过室内岩心柱加工为例，首先，利用金刚石取心钻头，对从现场取回来的岩心表面，截取φ25mm的圆柱形试样，其次，将试样两端磨平，使其长径比保持在1.82.0的范围内。最后，在常温环境下，利用煤油进行循环冷却，保持岩心性质的稳定性。2)实验设备和实验过程在本次试验中，所运用的三轴强度试验装置，主要经由美国MTS企业进行自主研发并投产，其基本结构图，详见图3。在该装置中，主要包含高温高压三轴室，轴向加压系统及其数据采集控制系统等重要组成部分。其中，三轴室的围压应满足200Mpa，温度需保持在200℃，并且可容纳岩样彼此之间的间隙，最佳为50mm。高压釜的作用，在于当进行加载时，能够适当补充系统围压，从而与柱塞上顶力两两相抵，进而时刻保持岩样表现的纵向压强，完全等同于岩样差应力。实际上，三轴室中的围压与轴压，统一通过电液伺服，进行适当的控制加压，而试验中表现出的荷载，则主要通过高压釜中的传感器，进行实时测量。当TESTSTAR自动采集控制系统，接收到诸多数据信号时，将会对其进行储存与处理，并且自动绘制出相对应的应力应变曲线[18]。图3岩石三轴试验装置示意图具体试验过程：将已经完成加工的岩样，正确放置于高压釜内部。将HP3054A数据采集系统保持在运行状态，并实时调整程序；当进行单轴试验的过程中，通过操作液压机，给予试样一定的轴向载荷，及时记录该过程的岩样应力及其应变，直到岩样已经被破坏，才结束加载，此时，相关数据将自动存储至系统；当进行三轴试验的过程中，操作高压泵，促进围压到达指定数值，其次，通过操作液压机，给予试样一定的轴向载荷，及时记录该过程的岩样应力及其应变，直到岩样已经被破坏，才结束加载，此时，相关数据将自动存储至系统[18]。当完成实验时，通过系统绘制出相应的应力—应变曲线，打印结果如下[18]。a).1号位置岩心b).6号位置岩心c).9号位置岩心d).10号位置岩心e).13号位置岩心图4岩心抗压强度试验中的应力-应变曲线3.三压力剖面计算3.1地层孔隙压力计算通过细致处理，能够获得地层声波时差的相关资料，再基于Eaton方法，将能针对地层压力，进行深入计算。该方法的计算模型大致如下：(1-8)在上述公式中，—主要代表井深H位置表现出的地层孔隙压力，单位为；—主要代表在井深H位置表现出的上覆岩层压力梯度，单位为；—主要代表在井深H位置表现出的地层水密度，单位为；—主要代表在井深H位置，当处于正常压实情况下表现出的的声波时差值，单位为；—主要代表在井深H位置表现出的实测声波时差值，单位为；n—代表Eaton指数。基于上述公式，进行试算和细致分析，并结合声波时差测井值，能够得知，煤层气的最佳Eaton指数，其中，将地层水密度设定为＝1.03g/cm3。3.2坍塌压力的计算实际上，岩石剪切破坏的程度，将取决于岩石承受的最大主应力及其最小主应力数值。如果的实际差值相对较大，则意味着井壁很容易发生坍塌。如果基于井壁岩石的受力状态，进行更深层次的细致分析，将能得知，岩石的最大主应力，实质上就是周向应力，同理，岩石的最小主应力，实质上就是径向应力，故此，周向应力减去径向应力的实际数值，将决定岩石是否受到剪切破坏。通常情况下，井壁坍塌失稳，主要出现在的位置，在此位置上，将会达到最大值，其有效应力公式详细如下[17]：(1-9)在上述公式中，依次代表井壁坍塌位置表现出的最大有效主应力及其最小有效主应力，将其代入（2-8）公式，能够求解出维持井壁稳定的最低钻井液密度公式，大致如下[17]：(1-10)在上述公式中，H——代表井深，单位为m；——主要代表钻井液密度，单位为g/cm33.3地层破裂压力计算破裂压力的基本含义为：井眼裸露地层，一般会由于井内泥浆柱的压力，而出现起裂，或者打开既定裂缝的实际压力。该压力产生的主要原因，在于井内泥浆密度相对较大，从而使得井壁岩石承受的周向应力，已经远远高于其自身所能承受的抗拉强度。实际上，破裂压力的参数极为关键，将会影响到钻井液表现出的最大密度[17]。如果井眼表现为平面应变，则基于岩石力学理论，能够得知，当处于非均匀地应力的实际作用条件下，井壁承受破裂压力的基本计算模型，大致如下[17]：；(1-11)在上述公式中：—主要代表地层破裂压力，单位为MPa；—主要代表地层破裂压力梯度，单位为g/cm3；—主要代表构造应力系数；—主要代表地层孔隙压力；—主要代表地层抗拉强度；—主要代表上覆地层压力；—代表泊松比；—主要代表有效应力系数。当进行实际计算的过程中，通常不会考虑到抗拉强度的实际作用。虽然构造应力系数，相对于多样化地质构造而言，不尽相同。然而，统一构造却表现为常数，不会受到深度的影响。事实上，构造应力系数是由现场试验中的破裂压力及其泊松比而得知，通过这两个参数，就能求得构造应力系数[17]。4.三压力剖面建立综上所述，通过种种方法，能够求得地层坍塌压力、地层破裂压力及其相应的地层孔隙压力，此外，还能绘制出相对应的纵向剖面图（图5）[15]。并通过地质录井资料描述了地质剖面资料和岩性描述资料（总体来看，直井孔隙压力、坍塌压力和破裂压力的特点如下：1）孔隙压力为正常压实情况，在0.8左右。2）石千峰组的坍塌压力在0.91～1.02；上石盒子组的坍塌压力在0.92～1.22；下石盒子组的坍塌压力在0.95～1.25；山西组的坍塌压力在1.02～1.50之间。3）石千峰组的破裂压力在1.51～1.58；上石盒子组的破裂压力在1.52～1.62；下石盒子组的破裂压力在1.48～1.68；山西组的破裂压力在1.48～1.69之间。图5TS80-04井地层三压力剖面图5.结论1）为了维持钻井过程中的井壁稳定，通过计算井壁围岩应力分布以及井壁应力分布，确定坍塌压力与破裂压力的修正系数，完善压力预测模型，使三压力剖面预测值与实际更加接近。2)通过岩石力学试验，确定煤岩的岩石力学参数，使之与地层情况相类似，从而进一步优化孔隙压力、坍塌压力和破裂压力的计算值，确定最优钻井液参数。6.参考文献[1]李士斌,李楠,韩凤达.鹤岗煤田煤层气井井壁稳定性研究[J].中国高新技术企业,2012(01):140-142.[2]屈平,申瑞臣.煤层气钻井井壁稳定机理及钻井液密度窗口的确定[J].天然气工业,2010,30(10):64-68+122-123.[3]屈平,申瑞臣,杨恒林,李景翠,董胜伟.节理煤层井壁稳定性的评价模型[J].石油学报,2009,30(03):455-459.[4]陈勉,赵海