潘庄区块煤层气井井径扩大主控因素研究

徐涛 倪小明

(1.重庆市能源投资集团科技有限责任公司，重庆 400060;2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454003)

井径扩大会给钻井工作及后续开发增加难度。在进行煤层气井施工过程中，井径扩大会给施工带来较大损失，因为井径扩大一方面造成固井困难，而固井是一次性工程，井径扩大严重时，可能导致该煤层气井报废;另一方面，井径扩大，造成钻井液渗入煤层，使煤储层伤害严重，影响后期压裂施工及产气;固井时可能使井径再次扩大，而且固井水泥可能造成煤储层更大伤害。黄立新从钻井液密度方面探讨了其对井径扩大的影响，并编制了相应的预测井径扩大的方法。施尚明等人利用X-射线衍射、扫描电镜等实验，分析与泥岩层地区不同的砂岩层岩石力学参数的主要影响因素，同时提出预防井径扩大的建议，为高渗砂岩层井径异常扩大的预防提供指导。因此，查明影响煤层气井井径扩大的主控因素对高效开发煤层气具有重大的意义。本文依据潘庄区块3#煤层，从煤层倾角、岩体强度因子、软煤比例及软煤厚度来探讨影响井径扩大的主控因素。

1 研究区煤体结构特征

1.1 研究区煤厚及煤层埋深

本区含煤地层为石炭—二叠系的太原组和山西组，总厚度约127～178 m，平均厚度146 m，含煤21层，总厚度9.9～17.8 m，平均厚度13.4 m，含煤系数9.10%。从测井揭露的资料看，潘庄区块3#煤厚6.02～6.73 m，平均厚度6.18 m，厚度较大。其埋深位于327.42～429.42 m，平均埋深为347.23 m。

1.2 研究区煤体结构的划分

煤层气井钻井过程中井身质量的好坏不仅影响固井质量及排采能力，而且对煤储层本身有着重要的影响。由于煤岩的力学性质一般弱于泥岩、砂岩、灰岩等油气储层，因此，煤层气钻井若完全采用石油钻井方式可能会引起井径的严重扩大或坍塌。因此，研究不同结构的煤体对井径的影响程度对煤层气钻井具有一定的实际价值。

不同煤体结构类型的划分主要是通过煤层测井曲线幅值大小和形态特征对比、数据采集来实现的。因此，利用钻孔测井曲线研究煤体结构时，以不同煤体结构类型的测井曲线反映为依据，由已知到未知，由点到面逐步展开。本文根据视电阻率曲线异常根部突变点参考自然伽玛和密度，对部分煤层气井进行软煤和硬煤测井响应划分，进而得出不同井的软煤比率。

基于上述划分方法，依据潘庄区块各煤层气井测井曲线视电阻率值的相对大小划分出所对应的软煤和硬煤，并计算出软煤所占百分比及井径扩大值。潘庄3#煤层部分煤层气垂直井的软煤所占百分比及井径扩大值见表1和图1。

表1 潘庄区块3#煤层部分煤层气井煤体结构一览表

图1 潘庄区块3#煤层软煤比率等值线图

2 研究区井径扩大主控因素探讨

井径扩大的影响因素很多，包括不同区域、不同地应力和不同的煤层埋藏深度等，各影响因素所起的作用也各不相同。本文主要从煤层倾角、岩体强度因子、软煤比例和软煤厚度几个方面进行研究，以期查明影响井径扩大的主控因素。

2.1 煤层倾角对井径扩大的影响

钻井时，钻头有与煤层接触面积最大的趋势，当煤层为水平煤层时，钻头与水平面垂直;当煤层为倾斜时，钻头有向煤层面垂直的趋势，此时可能造成井径扩大。由于研究区没有实测煤层倾角资料，本文根据各井煤层间距及底板标高间接求取，进一步查明潘庄区块煤层倾角对井径扩大的影响(表2)。应用线性回归方法，对倾角和井径扩大关系进行分析，潘庄区块3#煤层倾角与井径扩大关系见图2。

表2 潘庄区块部分煤层气井煤层倾角及井径扩大关系表

图2 潘庄区块3#煤层倾角与井径扩大关系图

由表2和图2可知，潘庄区块3#煤层的倾角与井径扩大的相关性系数极低，基本上对井径扩大没有影响。究其原因，一方面是因为该区块煤层倾角较小，均在5°以下;另一方面是由于该区煤层埋深浅，煤层在较小的范围内，倾角不会发生较大变化。

2.2 岩体强度因子对井径扩大的影响

岩体强度因子从某种程度反映了煤岩体的强度和煤岩体的变形程度。对于岩体强度因子高值区，刚性岩层发育，煤岩层容易发生脆性变形以断裂为主;对岩体强度因子低值区，塑性岩层发育，岩体变形以韧性为主，往往以形成褶皱和顺煤层剪切或滑动为特征。对于煤体变形而言，在岩体强度因子高值区发育的断裂两侧分布变形程度较高的软煤，但分布范围有限;对于岩体强度因子低值区容易形成顺煤层剪切或滑动，形成大面积分布的软煤。所以，在岩体强度因子低值区容易发生井径扩大。为查明岩体强度因子对井径扩大的影响，对潘庄区块部分煤层气井岩体强度因子进行统计计算(表3)。并应用线性回归方法，对岩体强度因子与井径扩大关系进行分析，潘庄区块3#煤层岩体强度因子与井径扩大关系见图3。

图3 潘庄区块3#煤层岩体强度因子与井径扩大关系图

由表3和图3可知，潘庄区块3#煤层岩体强度因子与井径扩大的相关性系数相对较大，其与井径扩大具有一定的关联性，即随着岩体强度因子的增强，井径扩大随之减小。这主要是由于随着强度因子的增强，煤岩中软煤所占的比例随之减小，井径扩大率也随之降低。

2.3 软煤比例对井径扩大的影响

软煤比例在一定程度上反映了煤体的强度，软煤比例较高的地区，强度较低，在进行钻进的过程中容易发生塌孔，井径容易发生扩大。为查明软煤所占比例对井径扩大的影响，依据资料，对潘庄区块部分煤层气井软煤所占比例进行统计计算，并应用线性回归方法，对软煤所占比例与井径扩大关系(见表4和图4)进行分析。

表4 潘庄区块部分煤层气井软煤所占比例及井径扩大一览表

图4 潘庄区块3#煤层软煤所占比例与井径扩大关系图

由表4和图4可知，潘庄区块3#煤层软煤比例与井径扩大的相关性系数相对较大。并随着软煤所占比例的增多，井径扩大也随之增大。究其原因，一方面软煤比例增多，煤体强度降低;另一方面是当软煤比例较大时，在钻井施工过程中会发生塌孔现象，钻孔井径随之扩大。

2.4 软煤厚度对井径扩大的影响

软煤的强度要比硬煤小，而且随着软煤厚度的增加，煤体的整体强度随之降低。在钻进过程中，软煤厚度越大，发生塌孔的概率越大，井径扩大的几率也随之增加。为查明软煤厚度对井径扩大的影响，依据资料，对潘庄区块部分煤层气井软煤厚度进行统计计算，并应用线性回归方法，对软煤厚度与井径扩大关系(见表5和图5)进行分析。

表5 潘庄区块部分煤层气井软煤厚度与井径扩大一览表

图5 潘庄区块3#煤层软煤厚度与井径扩大关系图

由表5和图5可知，潘庄区块3#煤层软煤厚度与井径扩大的相关性系数相对较大，随着软煤厚度的增大，井径扩大明显。一方面由于软煤厚度增大，煤体强度降低，井径扩大可能性增加;另一方面是较厚的软煤，在钻井施工过程中会发生塌孔现象，钻孔井径也随之扩大。综上所述，通过对比分析潘庄区块3#煤层倾角、岩体强度因子、软煤比例及软煤厚度对井径扩大的影响，可以看出软煤比例对井径扩大的影响最大，岩体强度因子及软煤厚度次之，煤层倾角对井径扩大的影响最小，基本上无影响。

3 结论

(1)根据测井曲线视电阻率值的相对大小，划分出了潘庄区块部分煤层气井对应的硬煤和软煤，并对软煤所占比例进行了统计，展现了区块内软煤比例的空间展布规律。

(2)通过统计计算并应用线性回归方法，对比分析了煤层倾角、岩体强度因子、软煤比例及软煤厚度对井径扩大的影响，得出了软煤比例与井径扩大的关系最为密切，岩体强度因子及软煤厚度与井径扩大具有一定的相关性，煤层倾角对井径扩大基本上无影响。

(3)通过对比分析煤层倾角、岩体强度因子、软煤比例及软煤厚度对井径扩大的影响，为后续的固井及煤层气的高效开发奠定了基础。

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