煤層氣欠平衡鉆井中井壁穩定性分析

李一勐，毛磊

(1.中海油田服務股份有限公司鉆井事業部湛江作業公司，廣東 湛江 524000； 2.中海油田服務股份有限公司鉆井事業部深圳作業公司，廣東 深圳 518000)

1 研究目的和意義

隨著全球石油和天然氣資源枯竭，人們環保意識不斷提高，清潔能源不斷被開發，煤層氣的勘探、開發和利用已從自然能源中脫穎而出。煤層氣的開發與利用能改善瓦斯事故的防范水平和安全效果，有效減少溫室氣體的排放[1]。

目前欠平衡鉆井技術是一種在國際上已經成熟的鉆井新技術。在國際能源日趨緊張的形勢下，采用欠平衡技術開發煤層氣鉆取目的層，可有效保護氣層、環境和增產，并改善鉆孔速度、延長鉆頭壽命、避免循環喪失、減少壓差卡鉆[2]。

欠平衡技術對儲層保護有積極作用，可為國民經濟發展提供巨大推動力。但在煤層氣開采中面臨諸多問題，國內外都還沒能有效解決。其中在煤層鉆進中多采用的欠平衡技術，也還有不少難點等待突破。本文旨在分析和總結其中的難點問題。

2 欠平衡鉆井技術的發展現狀

欠平衡鉆井(UBD)，又稱負壓鉆井，是指控制地層流體進入井底，當底部孔的壓力低于地層壓力時循環到地表的挖掘技術。它包括以下兩個方面：首先，循環介質的等效循環密度應低于井環鉆井層間隙水壓等效密度(儲水層)，其差為欠壓值。其次，地層流體必須以受控方式流入井中，循環到地表，然后才能分離。

欠平衡鉆井在勘探與開發中的作用主要有：(1)在油氣勘探中，可發現低壓、復雜的巖層、水敏感性、破碎和其他類型問題與保護蓄水池。在油氣勘探中，這是儲水層識別技術[3]；(2)在油氣勘探中，不均衡的鉆探技術能有效保護復雜的巖層，提高單井產量，降低開發成本。因此，對于油氣開發來說，它是一種儲層保護技術；(3)欠平衡鉆井技術屬于二次井控技術、還包括儲層保護鉆井技術、涉及防漏技術和提高機械鉆速的工藝。它能提高鉆頭鉆速，解決泄漏問題和減少壓差卡鉆。

在20世紀70年代，各國應用該技術打開儲層增產[4]，1980年后,由于石油和天然氣的勘探和開發已經從常規壓力、中高滲均質砂巖等良好的探礦及開發條件，過渡至非傳統石油及天然氣等惡劣的勘探開發條件，欠平衡鉆井已經成為新的發展方向，井口控制系統、氣體注入系統、分離系統、監測系統、軟件系統等逐步被開發，充氣液和輕泥漿欠平衡水平井也大力發展[5]。但總體上對于欠平衡鉆井技術的應用和研究國內與國外還存在著較大差距。

3 煤層氣欠平衡鉆井技術

在地質變化和地熱影響下，在煤層的孔隙和裂隙中煤層氣是吸附狀態[6]。砂巖、碳酸鹽巖和煤儲層特征對比度如表1所示。

表1 砂巖、碳酸鹽巖和煤儲層特征對比度

4 煤層氣欠平衡鉆井中的主要問題

4.1 煤層井壁失穩

(1)煤巖的細微結構：該結構指煤巖裂縫結構。裂縫的加大和位移也會給煤層井穩定性造成較深影響。

(2)力學特性：井的穩定性會受到機械特性的直接影響。煤巖碳含量為70%～80%時抗壓強度最小。

(3)化學特性：煤巖主要受儲層破碎的構造和無機鹽、粘土礦物影響，當儲層發生接縫或微小龜裂時，會放大毛細管現象，孔隙比表面積增大。

4.2 井壁坍塌壓力的計算

4.2.1 巖石的強度條件

如圖1所示，σ1和剪切面法向夾角等于β，法向正應力為σ，剪應力為τo。巖石還有剪切面上的內摩擦阻力μσ，具體公式：

圖1 巖石剪切破壞

式中：μ為巖石的內摩擦系數；φ為巖石的內摩擦角。

式(1)是常用的庫侖—摩爾強度，它是通過兩個以上不同圍壓的三軸壓縮強度試驗確定。

如圖2所示，式(1)可用主應力σ1和σ3改寫為：

圖2 用主應力表示的強度曲線

式中：σc為單軸抗壓強度，或

當巖石有間隙水壓Pp時，有效應力可表示如下:

巖石是否破壞需要看粘聚力和內摩擦角，這是表征兩個重要參數。從式(7)能看出：庫侖—摩爾準則中沒有考慮中間主應力的影響，三維準則極少使用。另一個強度準則：

4.2.2 井壁坍塌處的應力

隨θ角的變化曲線，在θ=90o和θ=270o處，σθ值最大。由于頁巖滲透率極低，挖掘流體性能良好時，可忽略挖掘流體向地層的滲透，頁巖井可視為不滲透性井。井壁坍塌處應力公式為：

4.2.3 用庫侖—摩爾強度準則計算坍塌壓力

井壁坍塌處式(13)的σ是θ最大有效主應力，σr是最小有效主應力，代入庫侖—摩爾強度條件式，井壁穩定的鉆井液密度公式為：C為巖石的粘聚力(MPa)；H為應力非線性修正系數；

式中：ρm為鉆井液密度(g/cm3)；H為井深(m)；σh1、σh2為分別水平地應力(MPa)。

因為鉆井液密度的設計要顧及裸眼井段大部分地層穩定性的需要，對于少數強度低要求高密度鉆井液來保持穩定性的地層，若情況不是很嚴重，也只好讓其有些剝落掉塊[6]。在設定δ=0后，代人庫侖—摩爾準則，其結果為：

4.2.4 用德魯克—普拉格準則計算坍塌壓力

將式(13)的σθ和σr代入德魯克—普拉格準則式(8)，得到地層坍塌壓力的當量鉆井液密度計算公式為：

式中：R、Kf分別為地層強度參數。

4.2.5 井壁巖石的拉伸崩落

井口崩塌的另一個原因是井口內挖掘流體柱的壓力低于低滲透率層的間隙水壓，導致井口巖石被拉扯坍塌。這主要發生在過渡帶壓縮不足、過壓、低滲透率的頁巖。坍塌時鉆井液密度公式如下：

式中：St為地層的拉伸強度(MPa)；H為井深(m)；Pp為地層的孔隙壓力(MPa)；ρp為坍塌處鉆井液密(g/cm3)。

5 鉆井液設計考慮

5.1 鉆井液體系的選擇

欠平衡鉆井在鉆井過程中產生負壓差難以避免，負壓差可自然產生，也可通過人工方式來實現，應根據各種地層壓力、地層條件、生產層條件選擇流體種類。液相體系、充氣液體系、泡沫體系、氣/霧體系是欠平衡鉆井作業中常用的鉆井液體系。鉆井液體系選擇一般考慮欠平衡鉆井需要的井底壓力。流體的性能必須滿足能搬運沙子、保護井口、使石油和天然氣容易分離的要求。

5.2 鉆井液密度確定

油藏工程公式得到地層壓力的是試油靜壓、鉆桿測試壓力。dc指數、聲波時差等地層壓力的檢測結果只能作為參考，因為壓力檢測方法的誤差達10 %，結果遠遠超出欠平衡要求的負壓差范圍，除非探井無確切的壓力要求。流體的密度可根據事先決定的負壓差進行設計，流體密度的設計必須在井口壓力為零的條件下，這樣正常鉆井中負壓差才能達到規定值。

式 中：Pp為地層 壓 力(MPa )；Pa為 環 空壓耗(MPa)；H為 井 深(m)；ΔP為 負壓差(MPa)，取 1 MPa。

式中：Pv為塑性黏度(mPa·s)；Q為排量(L/s)；Li為第i段段長(m)；Dhi為第i段井眼直徑或套管內徑(mm)；Di為第i段鉆柱(鉆桿或鉆鋌)外徑(mm)。

湍流狀態下環狀壓力損失的計算式，鉆井是按照噴射挖掘的最大位水力或沖擊力原理設計的，以滿足清理巖屑要求為原則。當流動狀態為層流時，按式(26)計算：

式中：Lp為鉆桿長度(m)；γp為屈服值(Pa)。

5.3 鉆井液其他因素的考慮

欠平衡鉆井液除了要重點考慮滿足設計要求的壓力系數之外，還需要對其他一些因素加以考慮，主要有以下四方面：

(1)石油、天然氣、水的三相流體從地層流入井中，與循環的挖掘流體接觸。考慮地層水與鉆井液濾液產生結垢和沉降物會影響生產，因此需要高黏度的穩定乳液，表面活性劑抑制乳化時要防止鉆井液漏失到地層中造成潤濕性影響。

(2)地層流體對鉆井液的稀釋。循環鉆井液可能被地層流體稀釋，使鉆井液受到污染。針對這種情況，應對儲層產出物進行濁點測量，以確定是否會影響泵和井下馬達的正常運轉，并保證兩者接觸時不發生析蠟。

(3)鹽水與循環鉆井液中如果含有氧，流體會腐蝕井筒，用氮氣或空氣欠平衡鉆井，氣中含有硫化氫，腐蝕會加重。

(4)鉆井液的黏度。當鉆井過程中出現問題，失去了欠平衡條件，基礎泥漿中含有的高黏度物質會慢慢侵入地層，因此在欠平衡的鉆井中，不應考慮使用高黏度的流體。在低滲透率被水浸濕的儲存層進行欠平衡的鉆井時，地層的毛細管壓力可能會引起地層的損傷。

6 結語

利用欠平衡鉆井技術有效地對煤層氣進行開發，針對煤層井壁穩定和儲存保護存在的問題，根據文中資料調研和問題分析得出以下結論：

(1)常規煤層氣開發技術具局限性，因為中國煤層氣藏特點是低滲低壓，儲層物性不好會導致儲層低滲透、煤層氣難解吸、游離氣流動不足等問題。需要采用非常規的鉆井完井技術，而欠平衡鉆井技術便是其中一種較好的鉆井技術，能較好地保護煤氣儲層，為加速經濟鉆進提供有力支持。

(2)煤層具有很強的應力敏感性。煤層壓力的增加會導致滲透率的大幅下降，滲透性損傷是不可逆的，最終對煤層氣的生產能力產生重大影響。了解應力的煤層靈敏度有助于制定合理的開發計劃。

(3)要保證在煤氣層鉆井過程中井壁穩定，需要先研究煤層巖石力學特征，再根據文中計算公式計算預測獲得煤層鉆井過程中的三壓力剖面，從而選擇合理的鉆井液密度并設計欠平衡鉆井的欠壓值。

(4)在煤氣層鉆井中，鉆井液的配方應當起到有效的防塌作用。煤層氣欠平衡鉆井液的技術關鍵在于基液的選擇，應全面考慮氣體層的特性、操作和經濟因素。