卸压煤层气地面井的破坏方式探讨

卢军灵，李淑畅

（晋煤集团沁水蓝焰煤层气有限责任公司，山西 沁水 048200）

卸压煤层气地面井的破坏方式探讨

卢军灵，李淑畅

（晋煤集团沁水蓝焰煤层气有限责任公司，山西 沁水 048200）

在介绍卸压开采引起的上覆岩层的移动变形特征的同时，重点分析了卸压开采上覆岩层的移动形式，以及在此基础上分析了卸压煤层气地面井的受力情况，并根据煤层气井的受力情况进一步探讨了卸压煤层气地面井的主要破坏方式，得出了卸压煤层气地面井所受的基本外载力有轴向拉(压)力、径向外挤压力、层间滑移剪切力以及它们的共同作用力，使得卸压煤层气地面井的破坏方式有轴向拉伸变形破坏、径向挤压变形破坏、层间剪切变形和错断破坏、以及双轴共同作用下的错断破坏。研究结果对卸压煤层气地面井的稳定抽采有着重要的意义。

卸压煤层气；地面井；破坏方式

卸压煤层气地面直井开发技术就是通过保护层的开采卸压效应使得上覆岩层发生移动变形，进而使邻近煤层出现大量裂隙而产生明显的“卸压增透增流”效应，从而实现煤层气的大流量抽采，因此卸压煤层气地面直井抽采将是煤层气开发的一个重要发展方向[1-2]。但是，卸压煤层气开发实践中的井孔稳定性问题极为突出，煤层气井在短期抽采后便失稳破坏而产气中断，所以卸压煤层气地面井的井孔稳定性问题亟待解决，而研究煤层气井的破坏方式是基础，其对卸压抽采煤层气抽采的井位部署和井身结构优化有着重要的意义，而探讨这些问题的出发点是研究上覆岩层的移动变形特征。

1 卸压开采覆岩移动变形特征

1.1 卸压开采上覆岩层的“三带”分布

煤层开采后，其上覆岩层要发生移动和变形。经长期观测证实：覆岩的移动变形具有明显的分带性，其分布特征与地质、采矿等条件有关。在采用走向长壁全部跨落法开采缓倾斜中厚煤层时，只要采深达到一定深度，覆岩的破坏和移动便可出现三个具有代表性的部分，自下而上分别称为：冒落带、裂隙带和弯曲带[3]，一般将这三个部分简称为“三带”，见图1。

（1）冒落带

冒落带又称垮落带，是指脱离母体岩层，失去连续性，呈不规则或似层状巨块向采空区冒落的岩层。根据冒落岩块的堆积形态，将冒落带分为规则冒落带和不规则冒落带。冒落岩块由于碎胀作用，体积较冒落前增大，而且由于其碎胀性而不断填充开采空间，导致冒落带向上发展至一定高度就自动停止。

图1 覆岩破坏移动分带示意图

（2）裂隙带

裂隙带又称为裂缝带或破裂弯曲带。裂隙带是指位于冒落带之上，具有与采空区连通的导水裂隙，但连续性未受破坏的那一部分岩层。裂隙带的裂隙主要有两种：一种是与岩层垂直或斜交的新生张裂隙，主要是岩层向下弯曲受拉而产生，这种裂隙可以部分或全部穿过岩石的分层，但其两侧的岩体基本没有相对位移而保持层状连续性；另一种是沿层面的离层裂隙，它主要是在岩层间力学性质差异较大时，岩层的向下弯曲移动不同步所致。

（3）弯曲带

弯曲带又称为整体移动带，是指裂隙带顶界到地表的全部岩层。弯曲带中的岩层基本呈整体移动，特别是当带内都是软弱岩层或松散层时。在垂直剖面上，弯曲带上下各部分的沉降差值很小，一般很少出现离层，但其下部可能产生少量离层，特别是在软硬岩层交界处离层最易产生，而且这种岩层组合甚至在弯曲带中上部也可能出现离层，但弯曲带中的离层裂隙仅能局部充水而不能导水。

1.2 卸压开采上覆岩层的移动形式

岩体受采动影响前都经过了多次反复的地质作用，形成了由结构体和结构面构成的地质体。根据观测和研究的成果分析，在整个岩层移动的过程中，开采煤层上覆岩层移动的形式可概括为以下几种：

（1）弯曲：这是岩层移动变形的主要形式。当地下煤层采出后，上覆岩层中的各个分层即开始沿岩层层面的法线方向，向采空区依次弯曲。如果岩层在弯曲过程中所产生的拉伸变形超过了该种岩石的抗拉强度极限，则岩层内将出现裂隙乃至断裂而使岩层失去连续性，但岩层仍保持其层状形式。

（2）冒落：岩体从整体岩层中分离并成块状破碎而垮落下来称之为冒落，它是弯曲形式的发展。此时，岩层不再保持其原来的层状形式。冒落是岩层移动过程中最剧烈的移动形式，它通常只发生在采空区直接顶板岩层中。直接顶板岩层垮落后，由于破碎而使其体积增大，充填采空区并促使其上部的岩层移动减弱。

（3）离层：采空区上覆岩层由于竖向移动变形的大小和速度不同而使岩层面之间或层理面之间产生的开裂现象称为离层。离层的发生主要是由于顶板以上拉应力达到层间联结强度所致，也可由拉剪作用形成不规则的离层。规模较大的离层是由于采动影响程度较大和岩层的抗弯强度不同而产生的。

（4）层间错动：这种移动方式是倾斜岩层或是岩层弯曲后在重力产生的沿层面下滑力的作用下，或者由于移动过程中相邻岩层水平移动的大小或方向不同而使层面或层间软弱带两侧的岩层产生相对滑移而造成的。这类破坏主要发生在不同岩层交界处或沿软弱面，而且和岩层倾角关系密切，岩层倾角越大其沿层面的滑移越明显。

这四种破坏形式的出现是由岩体本身的结构特征、物理力学性质和采动影响程度等共同决定的，从力学机理上可归结为四种常见的破坏机制，即：张破坏、剪破坏、结构体滚动和结构体沿结构面滑动。

2 卸压煤层气地面井的受力情况

地面钻井是在井眼中下入各级套管并用水泥环封闭套管与井壁间的空间而形成的，地面钻井的破坏实质上是套管的损坏。卸压煤层气地面井套管失稳破坏的直接原因是煤层开采引起的岩层移动变形，所以卸压煤层气地面井的受力主要是岩层移动变形施加于钻井套管上的外载力。因此，依据岩层移动变形特征知，卸压煤层气地面井所受的基本外载力有轴向拉(压)力、径向外挤压力、层间滑移剪切力以及它们的共同作用力。

（1）轴向拉（压）力：煤层气地面井的轴向拉力主要是由套管的自重和岩层移动变形引起的松散层疏水压实、厚坚硬岩层下部离层引起的，其中最重要的是离层形成的拉伸应力。

套管受自重的拉伸力在所有油气井都存在。自重引起的轴向拉力是由下而上逐渐增大的，在井口处，套管轴向拉力最大，其计算如下式[4]：

式中：q为套管名义单位平均重量(包括接箍在内)，kg/m；L为套管长度，m；T为井口处套管轴向拉力，kg。

考虑浮力时，套管柱在泥浆中的重量计算如下式：

式中：γm为泥浆密度，g/cm3；γs为套管钢材密度，g/cm3；Tb为套管在泥浆中的重量，kg。

松散层的疏水固结沉降，理论上会对钻井套管产生轴向压力。在厚松散层发育区，煤层开采引起的岩层移动沟通了地层水力联系，致使松散层中的水沿着导水裂隙排出。随着大量松散层中水的流失，松散层中的有效应力增大，松散层趋于压实。由于套管固结在井筒中，所以套管随固井水泥环一起变形。由于钢的强度高，因而上覆岩层负荷集中于套管上，引起套管轴向压缩应力，并且松散层压实的程度越大则钻井套管受到的压力就越大，如果施加于套管上的压力超过了套管的极限强度，套管就会发生弯曲变形或者脆性破裂，但是这种情况在实际中很少发生。目前套管基本上能够抵抗轴向压缩变形。

岩层离层的发生使得钻井套管受到了轴向拉伸力的作用。离层是采动覆岩移动变形的主要形式，是由于岩层的竖向变形和速度差异而产生的，主要发生于上下岩层岩性及厚度差异较大的地层之间，而且二者岩性和厚度差异越大则离层越明显，套管所受的拉伸力就越大，套损的可能性就越大[5]，见图 2。

图2 卸压开采覆岩离层与套管缩径变形

（2）径向挤压力：主要是由于强大的地层流体压力和易流变的泥岩、盐岩在地应力作用下蠕变产生的，常规油气井套管很大一部分是受径向挤压力而破坏的。这种径向挤压破坏主要发生于地应力较大的深部地层，而且这种力随着时间的增加逐渐增大。卸压煤层气地面井的深度普遍较浅，因而煤层气地面井不像石油天然气井那样会受到较大的挤压力，虽然岩层移动的结构体滚动和转动也可以形成径向挤压力，但是这种挤压力仍然较小，而且也不普遍，所以径向挤压力不是卸压煤层气地面井的主要破坏力。

（3）层间滑移剪切力：主要是由卸压开采的层间滑移造成的。层间滑移是岩层移动的主要形式，因而套管受层间滑移剪切破坏也最普遍。层间滑移剪切力对卸压煤层气地面井的破坏是最重要的，受层间滑移剪切力破坏较严重的淮南矿区有90%以上的井孔因此被破坏。另外其对井孔的破坏程度最严重，受该力破坏的井孔大多被直接错断而停止产气。

（4）双轴共同作用力：煤层开采造成的岩层移动变形非常复杂，所以施加于套管上的载荷不可能为单一的轴向拉力、径向挤压力或者剪切力，往往是诸多力共同作用的情况较多。双轴作用力是指套管在受轴向力的同时，还受径向上的挤压力或者剪切力的作用。研究表明，当有轴向载荷作用时，套管的抗挤抗剪强度大幅下降[6]，所以这种双轴作用力对套管损坏影响很大。

3 卸压煤层气地面井破坏方式

常规油气田开发中套管破坏主要是由于地应力作用或是注水使泥岩段膨胀、蠕变而挤毁、剪毁套管，或是套管受化学、生物腐蚀作用受损的[7]。煤层气地面直井的破坏可部分借鉴常规油气井的套损经验，但是两者在破坏主因上存在较大的差异。煤层气地面直井由于受到煤层采动引起的岩层移动的影响，套管的破坏方式主要体现在力学因素的损坏，其受力情况诸如以上所分析，因而与之对应卸压煤层气地面井的破坏方式有下面四种：

（1）轴向拉伸力引起的变形破坏：这种破坏方式主要是由岩层采动的离层造成，其破坏形态主要是缩径变形，如图3所示。

（2）径向挤压力引起的变形破坏：破坏形态主要是椭圆形变形、径向凹陷变形和弯曲变形。这种破坏方式目前不是卸压煤层气地面井的主要破坏方式，可以暂时不做重点考虑，但是以后随着煤层气井向深部发展，径向挤压力破坏将会转变成煤层气井破坏的主要方式，如图4-6所示。

（3）层间剪切力引起的变形和错断破坏：这是受上覆岩层的层间滑动造成的，破坏力较弱则为弯曲变形破坏，若破坏力较强则发生错断破坏，见图7。

（4）双轴作用下的错断破坏：在轴向拉力的作用下套管的抗挤抗剪强度下降，所以导致套管主要发生错断破坏。

图6 套管径向凹陷变形（据刘合，2003）

图7 套管错断（据刘合，2003）

上述四种破坏方式中，对煤层气井影响最大的是轴向拉伸破坏和径向剪切破坏，以及二者的共同作用。同时，也可看出卸压煤层气地面井套管的破坏形态主要是错断和变形两种，并以错断为主。套管错断对煤层气井的影响不必多说，而对于套管变形，由于一定程度的变形对气井影响并不大，所以煤层气井可以允许小幅度变形。但是套管的变形是随着煤层的采动不断地变化的，随着采动的进行，套管的轻微变形可能逐渐演变为严重变形而影响产气。另外，值得注意的是套管变形若是发生在套管接头处，会使套管产生密封性破坏，可能导致水或者泥砂进入井孔堵孔而停止产气，所以变形也应该引起足够的重视。

卸压煤层气地面井的破坏除受轴向力、层间剪切力以及双轴作用力外，也会像常规油气井那样受到化学腐蚀作用和机械磨损作用，但是相对于煤层开采造成的岩层及应力的剧烈调整对井孔的影响而言太小，可以不作为重点研究对象。

4 结论

（1）受煤层采动影响，上覆岩层移动变形形式主要表现为弯曲、冒落、离层、层间滑移。

（2）依据岩层移动变形特征，卸压煤层气地面井所受的基本外载力有轴向拉(压)力、径向外挤压力、层间滑移剪切力以及它们的共同作用力。

（3）根据卸压煤层气井的受力情况可知其破坏方式有：轴向拉伸变形破坏、径向挤压变形破坏、层间剪切变形和错断破坏、以及双轴共同作用下的错断破坏，其中径向挤压变形破坏目前不是卸压煤层气地面井的主要破坏方式，可以暂不做考虑。

［1］ 夏红春，程远平，柳继平.远程覆岩卸压变形及其渗透性研究[J].西安科技大学学报，2006，26（1）：10-14.

［2］ Shuxun Sang,Hongjie Xu,Liangcai Fang,Guojun Li,Huazhou Huang.Stress relief coalbed methane drainage by surface vertical wells in china[J].International Journal of Coal Geology,2010,82(3-4):196-203.

［3］ 何国清，杨伦，凌赓娣，等.矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1991.

［4］ 王仲茂，卢万恒，胡江明.油田油水井套管损坏的机理与防治[M].北京：石油工业出版社，1994.

［5］ 孙海涛.采动影响下地面钻井的变形破坏机理研究[D].重庆：重庆大学，2008.

［6］ 郝俊芳，龚伟安.套管强度计算与设计[M].北京：石油工业出版社，1987.

［7］ 宋治.油层套管损坏的原因及预防措施[J].石油钻采工艺，1985（1）：9-22.

Failure M ode of SurfaceW ells of Pressure-relief Coalbed M ethane

LU Jun-ling,LIShu-chang

(Qinshui Lanyan Coalbed Methane Co.,Jincheng Coal Group,Qinshui Shanxi048200)

The paper introduces the deformation characteristics and analyzes the movement of overburden strata caused by pressure-relief mining.According to the working condition of surface well of pressure-relief coalbed methane(CBM)and CBM well,main failuremodes of the surfacewell are discussed.The author concludes that the basic external loads(including axial tension-compression loading,radial external pressure,slide shear stress between two neighboring layers)and their joint interaction causes the failure modes like axial tensile deformation,radial compressive deformation,sheer deformation and fault destruction between layers and fault under the joint action of dual axis.The results are significant for the stable drainage of the surfacewell of pressure-relief CBM.

pressure-relief coalbed methane;surface well;failuremode

TD325；TD54

A

1672-5050（2011）10-0025-04

2011-04-12

卢军灵（1982—），男，河南濮阳人，本科，助理工程师，从事煤层气地面开发技术方面的工作。

刘新光