鄂爾多斯盆地深煤層水平井井壁失穩機理及應對措施

中圖分類號：TE254 文獻標志碼：A 文章編號：1000-7393（2025）-02-0144-07

摘要：鄂爾多斯盆地深煤層水平井鉆井過程中易發生井壁坍塌等復雜事故，制約了鉆井提速，增加了鉆井施工難度。以井壁坍塌井為實例，對煤層割理及裂縫、力學特征進行了分析，研究表明：煤巖儲層割理及裂縫發育、裂隙較小，但連通性強，鉆井液易侵入；煤巖與煤層夾矸力學特征差異明顯，煤巖一旦破碎，對夾矸的支撐就會大幅度降低，從而加劇夾矸垮塌，鉆井液的固壁性和封堵性對預防煤層坍塌至關重要；并由2口典型井的測井解釋對比印證了這一結論。優選了具有“核膜”結構的聚合物型納米封堵防塌劑，以“硬暫堵 + 軟封堵”為核心封堵理念，構建了一套深煤層防塌鉆井液體系。室內實驗表明，基槳中加入 4% 納米封堵防塌劑后，中壓濾失量從 27mL 降至 12mL ，深煤層防塌鉆井液浸泡后的巖心抗壓強度相比基漿提高了 55.8% 。鉆井液體系現場試驗井順利完鉆，未發生卡鉆等事故。該研究為鄂爾多斯盆地深層煤層氣的高效、安全開發提供了技術支持。

Abstract：Inesponse totecomplexaccidentssuchaswelloreclapse thatarepronetofrequentlyoccurduringtedrilingpoce ofdeepcoalsamhorzontalwelsinte Ordos Basin，whichconstrains tedrillngspedandinreases thedificultydrilling operations.Basedonthecasestudiesofcollapsedwels，thanalysisofcoalcleats，fractures，andmechanicalproperties，etc.was carriedout，ichveals thatteatsdfractuesdevelopntofoaloksevosreallbutstroglyoeedbling thedrilling fluidsivasion.Tediffrenceinmechanical propertiesbetweencoalockandcoalseamgangueissignificant，andthe coalfragmentationdramaticallducessupportfopartigs，intensifingtheircolapse.Tus，the wallstrengthningadpgging capabilityofdrilingfluidarecrucialforcoalseamcollpse preventin，whichhasbeesupportedbyhecomparisonoflogging interpretationsfrom twotypicalwells.Adeepcoalseamanti-collasedillingfluidsystem wasdevelopedbyoptimiingthenano polymersealingagentwitha\"nuclear membrane-like\"structureas theanti colapseagent，basedonthecoresealingconceptof \"rigid temporary plugging + flexible sealing\". Laboratory experiments have shown that after adding 4% nano anti-collapse plugging agent to thebase slurry，the medium filtration lossdecreased from 27mL to 12mL ，and the compressive strength of the rock core soaked in deep coal seam anti-collapse drilling fluid increased by 55.8% compared to the base slurry. The field trials in test wellswas successfullycompletedwithoutanyincidentssuchaspipestickig.This researchprovidestechnicalsupportfor theeficientandsafe development of coalbed methane in the Ordos Basin.

Key words： Ordos Basin; deep coal seam; horizontal well; drilling fluid; wellbore instability; anti-collapse

0 引言

鄂爾多斯盆地煤儲層埋藏較深，煤層頂底板發育碳質泥巖，煤層中發育不同程度的夾矸，煤層在鉆井過程中易發生掉塊、坍塌等復雜情況[1-2]。井下事故的發生是制約鉆井提速的首要因素，并會顯著增加鉆井施工難度及風險[3-4]。統計兩個典型區塊的160口深煤層水平井表明，起下鉆阻卡（ 57.72% 與井壁坍塌（ 18.79% 是最主要的鉆井復雜情況[5-6]，二者主因均為煤層掉塊。根據坍塌井振動篩的巖屑返出情況，煤層和煤矸石均出現大小不一的掉塊，說明兩種巖層均發生了一定程度的垮塌掉塊。但煤層掉塊易破碎，返出掉塊較小，對工程影響較小；煤矸石較硬，返出掉塊較大，對工程風險影響大［7-8]。對比典型坍塌井和鄰井的各項鉆井液性能，鉆井液基礎性能差異并不大，從表象上看，鉆井液的封堵性和防塌性能不足是造成卡鉆的主要原因[9-10]。但目前針對鄂爾多斯盆地深煤層坍塌原因的研究較少，主要依靠煤巖抑制性和巖屑回收率等評價手段判斷，針對性較差，對坍塌原因分析也不夠全面［I1]。同時，在鉆井液防塌技術方面主要采用傳統的抑制黏土水化膨脹，依靠瀝青類等防塌劑增強封堵性等措施，針對性不強［12」

為厘清深煤層水平井井壁坍塌原因，本文利用掃描電鏡、CT成像等手段對煤層微觀特征進行分析，結合力學特征分析、測井解釋等手段開展了坍塌機理分析。以“核膜”結構的聚合物型納米防塌劑的“硬暫堵 + 軟封堵”為核心理念，開展了深煤層防塌鉆井液體系研究。

1 坍塌機理分析

1.1煤層割理及裂縫特征分析

1.1.1 煤層巖心掃描電鏡分析

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對深煤層巖心的割理及裂縫的發育情況進行觀測。測試結果如圖1所示，煤巖面割理和端割理發育，發育河流狀和網絡狀形態裂縫，裂隙寬度 0.2～1μm ，裂隙多呈長、曲、河流狀，發育密集，這表明煤巖存在較多的割理及裂縫。

圖1煤巖割理及裂縫掃描電鏡圖Fig.1Scanning electron microscopy （SEM） of cleats and fissures of coal and rock

1.1.2 煤層巖心CT成像分析

通過XLaB-160M微米級CT成像系統，對鄂爾多斯盆地深煤層巖心的割理和裂隙進行分析。

（1）二維裂隙分析。圖2是煤層巖石裂隙提取平面圖，圖2中灰度值與樣品的密度呈正相關，在CT圖像中白色區域為高密度礦物，黑色區域表示煤基質，選取煤樣中含有原生裂隙的斷面CT掃描圖像進行高斯濾波后，使用ImageJ中的OTSU算法進行閾值分割，用紅色表示裂隙，以便更清晰地分析二維裂隙特征。從圖2中可以看出煤層巖心二維裂隙有如下特征：巖心存在多條裂隙貫穿斷面，存在主裂縫并沿主裂隙網狀擴展微裂隙，裂縫之間連通度高且非均質分布。裂隙的存在大幅度降低了巖石整體強度，增加了井壁坍塌風險。

圖2煤層巖石裂隙提取平面 （切片裂紋分布）Fig.2Plan of rock fissure in coal seam（slicecrackdistribution）

（2）三維裂隙分析。二維裂隙發育情況無法反映三維裂隙空間分布信息，難以直觀、完整地揭示煤樣內部三維裂隙動態演化特征。為更好地研究受載煤樣的裂隙演化過程，表征裂隙的三維形貌，利用VGStudioMAX圖像處理軟件對各掃描階段的CT圖像進行三維數字重建。煤樣的三維裂隙如圖3a所示，可以看出煤巖巖心發育大量的天然割理和裂隙，進一步將裂隙提取如圖3b所示，大量裂隙相互貫通，裂隙間連通度較高，進一步對煤巖巖心裂紋占比和裂紋體積進行定量分析，發現煤巖裂縫占比為 0.56% ，裂縫體積約為 2.38×10^-5mm³ 。高度發育且廣泛互通的裂隙體系易于引發毛細管自吸效應，進而削弱井壁巖石的力學強度，近井地帶巖石發生剝落掉塊，最終導致井壁失穩等一系列問題的出現。

圖3煤層巖石CT掃描三維重建模型 Fig.33D reconstruction model of coal seam rock by CT scanning

通過對煤層巖心開展掃描電鏡和CT掃描分析，說明煤巖發育大量的割理和裂縫，且裂縫寬度較小，連通度高。割理和裂縫的存在和分布會影響巖體力學性質，不僅會削弱巖石的整體支撐能力，還會在鉆井過程中導致巖石內部應力集中，致使巖石破裂，增加坍塌風險。

裂縫數量和大小直接關系到巖體強度和穩定性，大量裂縫的存在增加了鉆井液侵入儲層的滲流通道，引起鉆井液濾液侵入，導致近井地帶巖石強度降低，增加了井壁失穩的風險，進而誘發井壁坍塌。

1.2 煤層及夾矸力學特征分析

為探究巖石力學特征對井壁穩定的定量影響，對深煤層巖心和煤層夾矸分別進行了單軸抗壓強度測試。實驗結果如表1所示，煤層巖心單軸抗壓強度普遍分布在 5.63～9.11MPa 之間，煤層巖心破裂后，強度迅速下降，表現出一定的脆性，易造成井壁垮塌；煤層夾矸單軸抗壓強度普遍分布在 18.34～ 21.67MPa 之間，夾矸破碎，強度迅速下降，表現出一定的硬脆性。總體看煤層巖心的抗壓強度明顯低于煤層夾矸，2種巖心的抗壓強度存在一定差距。

表1單軸抗壓強度測試結果 Table1Uniaxial compression test results

高強度的巖石能夠更好地承受井內的壓力和地應力，降低坍塌風險，而低強度巖石則容易在壓力作用下發生破裂，導致井壁失穩。從抗壓強度結果看，煤巖和夾矸均呈現脆性特征，韌性巖石能吸收能量，緩解應力集中，而脆性巖石在受力時容易出現裂紋和破裂，在壓力變化或外力作用下，可能突然失穩，造成井壁崩塌。因此無論是煤巖還是煤層夾矸均是造成坍塌的不穩定因素。

1.3典型井測井解釋對比

為進一步印證煤層及夾矸對坍塌的影響，選取2口典型井的測井解釋進行比對分析。其中L-9-1D井未發生復雜情況且起下鉆阻卡點較少，LC4-12井發生卡鉆事故，且起下鉆阻卡點位和頻次較多。由測井解釋分析，LC4-12井自然伽馬大于80API的煤層厚度為 10.6m ，密度大于 1.5g/cm³ 的煤層厚度為 12.8m ；L-9-1D井自然伽馬大于 80API 的煤層厚度為 2.7m ，密度大于 1.5g/cm³ 的煤層厚度為 2.4m 。總體看，LC4-12井伽馬值高和密度值大的井段長，說明煤層含夾矸較多，優質煤層厚度小；相對于LC4-12井，L-9-1D井伽馬值高和密度值大的井段短，煤層中雖發育夾矸，但大段夾矸較少，優質煤層厚度大。結合兩口井的阻卡情況，煤層夾矸的發育多少及厚度與井壁失穩密切相關。

1.4坍塌原因及技術對策

通過對鄂爾多斯盆地深煤層巖心的割理和裂縫發育情況及其力學特征進行系統分析，煤巖普遍存在割理和裂縫，且具有一定的連通性，這就為鉆井液濾液的侵入提供了滲流通道，導致近井地帶煤巖強度降低，加大了井壁坍塌風險，制約了鉆井提速。此外夾矸與煤巖之間的力學特征差異較大。在鉆進過程夾矸與煤巖受到外部荷載作用時，可能以不同破壞形式失效，煤巖一旦破碎，對夾矸的支撐就會大幅度降低，從而加劇夾矸垮塌，進而致使井壁附近應力重新分布，引發局部失穩。在實際鉆井過程中，鉆井液的固壁性能及化學封堵能力的不足會導致鉆井液濾液沿著裂縫侵入煤巖內部，從而造成近井地帶的含水飽和度升高，進一步降低巖石強度。無論是控制鉆井液對裂縫的侵入還是封堵煤層裂縫，都是降低煤層垮塌的關鍵，為起到這一效果，需要優選能夠對煤層有效封堵，且起到一定膠結作用的防塌劑。

2深煤層防塌鉆井液體系

2.1納米封堵防塌劑的研制及性能評價

2.1.1 納米封堵防塌劑的研制

研制了一種具有“核膜”結構的聚合物型納米封堵防塌劑（圖4），其由苯乙烯、乙酸乙烯酯、丙烯酰胺以及甲基丙烯酸四種單體通過乳液聚合法合成，最終形成了具有核殼結構的乳液聚合物，其具有硬單體成核、軟單體成膜的雙重作用，在鉆井過程中依靠其“軟膜”結構實現成膜覆蓋，封堵更加徹底、有效，而較硬的“硬核”結構則能提供支撐且賦予涂膜較好的抗回黏性及硬度。相較于瀝青類及硅酸鹽類防塌劑，該封堵防塌劑具有有效溫度范圍廣、與其他處理劑配伍性好、可實現廣譜封堵等性能優勢。

圖4納米封堵防塌劑結構式 Fig. 4Structural formula of nano-plugging and anti-collapse agent

2.1.2納米封堵防塌劑粒徑分析

使用激光粒度分析儀對封堵防塌劑的粒徑進行分析，實驗結果如圖5所示，封堵防塌劑粒徑中值為 389.79nm ，表明合成的封堵防塌劑為納米級顆粒，可有效匹配煤巖的割理及裂隙寬度，在鉆井液中使用對煤層易于形成有效封堵。

2.1.3 納米封堵防塌劑降濾失性能

通過測試基漿 4% 膨潤土漿）中加入不同量的納米封堵防塌劑、磺化瀝青、超細鈣以及超細鈣 + 磺化瀝青等4種類型的防塌劑后的API濾失量，以對比降濾失效果。如表2所示，隨著納米封堵防塌劑增加，濾失量不斷降低，在 4% 納米封堵防塌劑加量下，中壓濾失量降低至 12mL ，且通過對比發現納米封堵防塌劑的降濾失性能明顯優于其他種類的防塌劑。

圖5納米封堵防塌劑粒徑分析 Fig.5Particle size analysis of nano blocking and anti collapse agent

表2不同處理劑加量下基漿的API濾失量變化Table2 Variation ofAPI filtrationloss ofbaseslurry withdifferent additive dosages

2.1.4納米封堵防塌劑縫板封堵性能

模擬煤層巖心的裂縫寬度，使用鉆井液封堵性能評價儀，在 3.5MPa 實驗壓差下，測定基漿（含4% 膨潤土漿）加入 4% 納米封堵防塌劑后對不同寬度縫板 （200，500，800，1000nm） 的漏失量，實驗時間為 30min 。實驗結果如表3所示，在縫板達到500nm 時基槳的漏失量明顯增加，而基漿中加入4% 納米封堵防塌劑后，在 800nm 縫板下仍無漏失，在 1000nm 縫板條件下漏失量為 1.2mL （對比單純使用基漿降低了 45.4% 。說明納米封堵防塌劑對煤巖的割理和裂隙具有良好的封堵性能。

2.1.5 納米封堵防塌劑巖心封堵性能

使用煤層巖心對納米封堵防塌劑的封堵性能進一步驗證，使用巖心流動實驗儀，首先測試煤層巖心的初始液測滲透率，然后在 3.5MPa 實驗壓差下，分別使用基漿（含 4% 膨潤土漿）加入 4% 納米封堵防塌劑后對煤層巖心開展驅替實驗（模擬封堵地層過程），實驗時間為 125min ，驅替完成后測試封堵后的巖心液測滲透率，通過前后滲透率變化計算封堵率，從而評價納米封堵防塌劑對巖心的封堵性能，封堵率計算公式為

表3納米封堵防塌劑縫板堵漏實驗Table3FracturePlate SealingTestwithNano-BasedCollapse Prevention Agent

式中： V_f 為封堵率， %;K₀ 為未封堵時的巖心液測滲 透率， 10^-3μm²;K₁ 為封堵后的液測滲透率， 10^-3μm² 0

表4納米封堵防塌劑巖心封堵性能評價 Table 4Evaluation of plugging performance of nano-based anti-collapseagent

實驗結果如表4所示，使用基漿對煤層巖心進行封堵，計算封堵率為 25.8% ；使用基漿 +4% 納米封堵防塌劑對煤層巖心進行封堵，計算封堵率為83.4% ，相較于基漿封堵率大幅提高，說明納米封堵防塌劑對煤層巖心具有良好的封堵效果。

2.2鉆井液體系構建及基本性能評價

基于上述研究，以納米封堵防塌劑為核心處理劑，輔以其他處理劑，針對鄂爾多斯盆地深煤層水平井構建了一套鉆井液配方：清水 +2% 膨潤土 +0.1% NaOH+0.2%Na₂CO₃+2% 聚陰離子纖維素PAC-LV+0.3% 聚丙烯酰胺 +0.2% 增黏提切劑 +2%～4% 納米封堵防塌劑 +3% ，KCl+5% （20號 NaCl+ 石灰石（加重至所需密度）。

參照GB/T16783.1—2014《石油天然氣工業鉆井液現場測試第1部分：水基鉆井液》的測試方法，采用FANN35SA型六速旋轉黏度計、SD4型中壓濾失儀、GGS42-2A型高溫高壓濾失儀、FANN21200型極壓潤滑儀等儀器對老化前后的鉆井液基本性能進行評價，結果如表5所示。老化前鉆井液表觀黏度為 43.5mPa?s ，高溫高壓濾失量為5.6mL；老化后表觀黏度為 42.0mPa?s ，高溫高壓濾失量為 5.9mL 。老化前后鉆井液性能沒有明顯差異，封堵防塌劑與常規水基鉆井液材料的配伍性較好。

表5鉆井液體系基本性能測試

Table 5Basic performance test of drilling fluid system

注：老化條件 70^°C×16h 。

2.3鉆井液體系井壁穩定性能

采用基漿 （4% 膨潤土漿）和深煤層防塌鉆井液分別浸泡煤巖巖心和煤矸石巖心 24h ，烘干后通過單軸抗壓實驗測得其抗壓強度。實驗結果顯示，深煤層防塌鉆井液浸泡后的煤巖巖心抗壓強度為3.41MPa ，相較于基漿浸泡后的 2.2MPa 提升幅度為55.8% ；深煤層防塌鉆井液浸泡后的矸石巖心抗壓強度為 12.4MPa ，相較于基漿浸泡后的 8.6MPa 提升幅度為 44.2% ，鉆井液體系的防塌效果顯著。

2.4鉆井液體系封堵性能

2.4.1鉆井液體系砂盤封堵性能

煤層氣鉆井液在實際鉆井過程中，還會鉆遇煤層頂底板等低滲透性地層，為評價鉆井液體系對低滲透地層的封堵性能，采用滲透率級別為 10×10^-3 μm². 20×10^-3μm² 40×10^-3μm² 的砂盤模擬低滲透率地層，控制壓力梯度從 2MPa 開始每隔 5min 加壓 2MPa ， 30min 時加壓至 12MPa 并保持 20min 測試鉆井液濾失量。從表6可看出， 40×10^-3μm² 砂盤 45min 累計濾失 63.1mL ， 20×10^-3μm² 砂盤45min累計濾失 52.1mL ， 10×10^-3μm² 砂盤 45min 累計濾失 44.6mL ，且升壓至 12MPa 后，濾失量變化不大，表明該鉆井液可有效封堵 40×10^-3μm² 以下孔隙，并可承壓 12MPa 。

2.4.2鉆井液體系對縫板和巖心的封堵性能

為進一步驗證煤層氣鉆井液對煤層裂縫以及煤層巖心的封堵性能，分別開展了本文研究的深煤層防塌鉆井液對不同寬度裂縫以及煤層巖心的封堵性能評價。按照2.1.4的實驗方法，測試 3.5MPa 實驗壓差下，鉆井液體系對不同寬度的縫板（200、500、800，1000nm） 的封堵效果，實驗結果顯示，鉆井液體系封堵 200，500，800nm 縫板時無漏失量，對1000nm的縫板的漏失量僅為 1.0mL ，相較于2.1.4中基漿 +4% 納米封堵防塌劑的封堵性能有了進一步提升；按照2.1.5的實驗方法測試鉆井液體系對煤層巖心封堵前后的滲透率，計算封堵率，實驗結果顯示，封堵前巖心液測滲透率為 0.3217×10^-3μm² ，封堵后巖心液測滲透率為 0.0463×10^-3μm² ，計算封堵率為 85.6% ，相較于2.1.5中基漿 +4% 納米封堵防塌劑的封堵性能有了進一步提升。研究的深煤層防塌鉆井液對煤層巖心以及煤層的割理和裂隙均具有良好的封堵效果。

表6不同滲透率砂盤的濾失量與時間的關系 Table6 The relationship between filtrationlossand time of sand discs with different permeability

2.5 現場試驗效果

納米防塌鉆井液在鄂爾多斯盆地S區塊S1-3-5H并開展先導性試驗。該井為二開水平井，自的層為本溪組 8+9# 煤，水平段長 1 085m ，最大井斜92^° 。二開斜井段采用鹽水聚合物鉆井液體系，水平段入煤前在井槳中加入 3% 納米封堵防塌劑以提升防塌能力，鉆進過程中以膠液的形式補充和保持防塌劑加量，水平段鉆井期間封堵防塌劑質量含量保持在 3% 以上。水平段4次鉆出煤層，鉆遇煤層頂板，煤層段3次鉆遇大段煤層夾矸，鉆進期間從振動篩返出巖屑看，未出現大塊煤巖或夾矸掉塊，僅出現少量煤層掉塊，起下鉆阻卡點僅2個，拉順井壁后下套管順利通過，未發生卡鉆等嚴重事故。通過保證納米封堵防塌劑的含量和維護時機，鉆井液表現出良好的煤層防塌效果。

3結論

（1）鄂爾多斯盆地深煤層割理及裂隙發育，鉆井液濾液易侵入造成近井巖石強度弱化，煤層夾矸與煤層力學特征差異大，鉆井液的封堵性能對二者影響大。煤層裂隙發育、煤-矸力學差異及鉆井液封堵性能協同影響是該區塊煤層井壁失穩的原因。

（2）基于“硬暫堵 + 軟封堵”理念開發了“核膜”結構的聚合物型納米封堵防塌劑，以其為核心主劑構建了深煤層防塌鉆井液體系，實現了對煤層納米級裂縫的有效封堵，提升了煤層的穩定性能。

（3）研究的深煤層防塌鉆井液在現場試驗中雖多次鉆遇煤矸石和頂底板等復雜地層，但未發生事故復雜情況，表現出良好的封堵防塌效果，解決了常規鉆井液封堵和防塌效果不足的難題。

（4）本文的研究未覆蓋極端地應力下封堵防塌劑的長期穩定性及復雜夾矸分布的針對性優化，但提出的機理分析方法和防塌技術可為高裂隙煤層、頁巖氣等類似地質條件的鉆井工程提供理論支撐。

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（收稿日期：2024-10-12；修回日期：2025-02-10）

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