煤体结构组合对煤层气井井径影响研究

煤体结构组合对煤层气井井径影响研究

煤体结构组合影响井径扩大的因素分析煤气田开发是一项系统工程。在勘探和开发的链接中，任何工程都是对煤层产量的“双刃剑”。井压设计作为整个开发链的中间环节，其重要性显而易见。钻井过程中钻井液易污染煤储层,这使广大煤层气工作者从钻井过程储层保护角度考虑研发了欠平衡钻井技术,大大缩短了钻井周期,节省了钻井成本,但在出水量较大的地层中其应用受到了一定的限制。沁水盆地南部勘探开发实践表明:低密度、低失水、低固相含量的钻井液施工效果较好,并得到推广应用。针对一口煤层气垂直井而言,煤体结构的不同影响到钻井过程储层保护的钻进参数的选取,这可能引起煤层段的严重扩径并造成固井过程对储层更大的伤害。探求不同煤体结构组合的井径扩大时钻进主控因素是防止井径扩大的根本。本文通过测井资料结合钻井取芯对恩村井田不同煤体结构组合进行划分,剖析不同煤体结构组合下井径扩大的钻进主控因素,给出不同煤体结构组合的钻进参数,以便指导该区不同煤体结构组合下钻井工艺选择。1岩性结构及构造特性焦作矿区位于太行山南麓,东起赵固勘探区东界一1煤层露头,西至焦作柏山,与济源矿区接壤;北起太行山南麓一1煤层露头,南抵武陟古隆起,以盘古寺大断层为界。矿区整体为一倾向南东的单斜构造,凤凰岭断层和峪河断层将本区分为南、中、北3个构造断块,本文研究工作主要集中在矿区南部的恩村井田。恩村井田南部为盘古寺断层,西部至九里山断层,北部为凤凰岭断层,向东部埋深逐渐增加到2000m以上,总体上为一近东西向的向斜(图1)。构造形态经历了多次联合作用,致使该区构造线展布受到干扰,力学性质也经几番变化,不同程度地反映了它的复杂性和多样性。焦作矿区构造轮廓如图1所示。2钻进参数组合影响研究区成煤后构造运动的多期性及复杂性造成该区煤体破坏程度、裂隙发育程度的复杂性,决定了采用几乎相同的钻进参数组合进行钻进,煤层段遭受不同程度的剪切破坏、冲刷、坍塌,从而引起井径扩大程度也不同。为了更好地对井径扩径的严重程度进行分类及分析研究井径扩大的主控因素,对研究区各煤层气井煤储层的煤体结构进行划分显得非常必要。2.1煤体结构划分煤体结构的分类方法很多,瓦斯地质学中根据煤体的破坏程度把煤体结构划分为原生结构煤(I类)、碎裂煤(II类)、碎粒煤(III类)和糜棱煤(IV类)4种。大量实验研究表明:对同一地区而言,随着煤体破坏程度的增加,煤的孔隙度增加、强度降低、导电性变好,在测井曲线上表现为视电阻率幅值降低、视密度减小、煤体弹性波传播速度减慢,因此,根据测井曲线结合钻井取芯对比,可对研究区煤体结构进行划分。基本思想为:(1)以测井曲线中的补偿密度异常半幅点、自然伽马异常半幅点、深侧向电阻率异常根部突变点三者结合来判识煤层厚度;(2)对研究区各井煤层段以0.5m统计声波时差值和补偿密度值;(3)根据研究区钻井取芯观察描述与测井声波时差对照,兼顾补偿密度数据,划分出不同煤体结构的声波时差响应值段;图2为煤层气井不同煤体结构部分取芯照。2.2煤体结构组合根据声波时差值可得出各井0.5m厚度内的煤体破坏程度。对于III类和IV类煤而言,测井曲线的声波时差值界限不明显,且对一口井而言,若这两类煤存在,则经常是混杂存在,因此,本文把这两类煤划归到一起进行分析。根据取芯与测井曲线对比,得出研究区I类、II类、III类和IV类煤对应的声波时差区间,统计出各井对应的煤体结构厚度。根据统计结果,当某类煤厚度小于0.6m时对井径的影响不大。因此,若一口井中以III类和IV类煤为主,I类煤厚度占总厚度<25%,且厚度大于0.6m时,则命名为含I类煤的III类、IV类煤;含量为25%∼50%,则命名为I类、III类、IV类煤;含量为50%∼75%,则命名为III类、IV类、I类煤;含量>75%,则命名为含III类、IV类煤的I类煤。因研究区煤层段均使用ϕ215.9mm钻头钻进,结合该区井径情况,把井径扩径严重程度划分为4类,即220∼250mm为正常;250∼310mm为轻微扩径;310∼410mm为较严重扩径;>410mm为严重扩径。恩村井田煤层气各井煤体结构组合及井径扩径程度见表1。从表1可看出,井径正常的煤层气井仅2口、轻微扩径的井有3口、较严重扩径的井有5口、严重扩径的井有5口。煤体结构组合为I类煤的井径正常;煤体结构组合为II类煤的井径扩径轻微;煤体结构组合有III类、IV类煤参与的井径扩径较严重或严重。3井径扩径的原因在煤层中进行钻进时,钻进参数主要有:钻压、排量、转速、钻井液密度等。造成井径扩径的原因无非是煤层破裂或煤层坍塌掉块两种情况。不同煤体结构组合下井径扩径的主控因素不同,分述之。3.1特定井底、下井内油、煤岩体接枝压对于垂直井而言,井径扩径一般都是井壁的剪切破坏而发生坍塌或掉块。I类煤岩内生裂隙相对发育,而外生裂隙和继承性裂隙相对不发育,因此可把此类煤岩体近似看作均质岩体。根据弹性力学理论可知:煤层气垂直井井壁上的切向应力可表示为[1618]式中σθ—切向应力,MPa;σH—最大水平主应力,MPa;σh—最小水平主应力,MPa;θ—井眼周围某点径向与最大水平主应力方向的夹角,(°);pi—井内液柱压力,MPa。根据式(1)可知,当cosθ=–1,即与最小水平主应力方向平行时,切向应力最大,此时煤岩体容易发生坍塌掉块,造成井径扩大;当cosθ=1,即与最大水平主应力方向平行时,此时切向应力表现为拉张应力,使煤岩张裂,钻井液漏失于煤岩中,造成煤储层污染。煤岩体在此类煤中发生破裂的条件可表示为式中pf—煤岩破裂压力,MPa;St—煤岩抗张强度,MPa。煤岩体在此类煤中发生坍塌掉块的条件可表示为式中,pft—煤岩掉块压力,MPa。在不考虑起下钻压力波动时,钻井液密度在一定程度上控制着井底压力与地层压力差,进而决定了煤层段的破裂与坍塌。钻进过程中只要钻压大于门限钻压,且钻进工具允许,就可加快此类煤的钻进速度。亦即钻压和转速的大小会影响钻具的磨损程度及钻进速度,对井径的扩径影响较小。综上可知:煤层几乎全为I类煤时,钻井液密度过大可能造成煤岩的破裂,使钻井液发生渗漏,污染储层;钻井液密度过小,可能引起煤岩剥落掉块,引起井径扩大。此类煤中钻井液密度的大小是井径扩大与否的主控要素。3.2煤岩体破裂机理II类煤岩多组互相交切的裂隙的存在增加了此类煤钻进时煤岩破裂或坍塌的复杂性。此类煤中裂隙相对发育。设最大水平主应力与煤储层天然裂隙面夹角为α,则裂隙面上的正应力为式中σn—裂隙面上的正应力,MPa;α—天然裂隙面与最大水平主应力夹角,(°)。根据式(1)和(4)可知,若煤岩体发生破裂,首先将沿着裂隙面破裂。井径扩大不仅受钻井液密度大小影响,而且受到天然裂隙方向与最大水平主应力方向关系影响。II类煤裂隙比较发育,使煤体强度降低,对钻井液密度要求相对苛刻,钻井过程中钻井液密度很难控制得非常合理,若此时排量较大,可能导致煤层段沿着裂隙发育处剥落,但因煤体强度较大,可能造成局部范围内扩径。因此,II类煤中,天然裂隙方向与最大水平主应力方向的关系及裂隙发育程度导致煤体强度降低,对钻井液密度要求更苛刻。3.3储层激化群落III类、IV类煤原生裂隙中分不出层理,次生裂隙稠密,裂隙间距变密,煤松软,用较小的力可将煤研成小碎块或粉状。因煤体强度较低,且多数以碎块或粉状堆积着,储层激动大小对III类、IV类煤井径扩大严重程度密切相关。钻进过程中,一般采用过平衡钻进,因煤体几乎以碎块或粉状堆积,钻井液很容易渗入煤层,引起储层污染;因煤体强度较低,不管钻井液密度大小如何,都不能保证井径不扩大。若钻进过程中排量过大,对煤壁冲刷严重,很容易使煤体破碎成小碎块,造成井径扩大。因此,有III类、IV类煤参与的煤层段控制钻进过程中的排量大小是防止井径扩大的关键。3.4基于不同岩石结构的孔三维优化通过恩村井田不同煤体结构组合下的井径钻进主控因素分析,钻进参