复杂煤层段钻进时的井壁稳定性分析

郭倡俊 王煜 孙爱生 唐汉林 冯一

(1.延长油田公司定边采油厂，陕西 榆林 719000;2.新疆贝肯能源工程股份有限公司，新疆 克拉玛依 834000;3.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500)

目前我国所钻遇的井壁不稳定地层主要为易水化膨胀的泥页岩地层和破碎性地层［1］。其中破碎性地层中的煤层井壁稳定性问题一直干扰着钻井作业，极大地阻碍了石油勘探开发的发展进程。钻井作业过程中煤岩失稳可能带来以下危害［2］:(1)影响钻井安全，严重制约降低钻井速度和效率;(2)井眼扩大，影响甚至阻碍后续的完井作业。本次研究拟从煤岩的力学特性和物理化学性质入手，分析煤层段井壁失稳的机理，确定煤层段钻井液密度窗口的方法。

1 煤岩的物理化学性质

煤岩含炭量较高，质轻性脆，且自身发育大量的天然裂隙和割理，相互垂直的面割理和端割理将煤基岩块分割成一个个斜方体。图1所示为煤岩及其割理构造。割理以及裂隙的存在使得煤岩的力学行为表现出非连续性，其力学性质同砂泥岩也存在着较大差异［3］。表1为煤岩及砂泥力学性质［3］。

图1 煤岩及其割理构造示意图

由表1可以看出，煤岩的机械力学参数与常规砂岩储层有很大差别，其泊松比大于砂岩，但弹性模量却小于砂岩。White等人的研究结果表明，煤岩的强度与含碳量有关［4］。当碳含量为70% ～80%时，煤岩的抗压强度最小。此外，伴生与煤岩周围的炭质泥岩具有很强吸水能力，且煤岩的内生裂隙多被黏土矿物充填［5］，液相一旦侵入煤岩后将瓦解煤岩的原生结构，降低煤岩的力学强度。

表1 煤与砂泥岩力学性质

2 煤层段井壁失稳机理

煤岩的比表面积大，具有较强的吸水能力。钻完井作业过程中，液相在正压差和毛细管力的作用下侵入煤层，降低煤岩的力学稳定性，诱发井下复杂情况［2］。张杰等人将诸如此类的复杂煤层命名为破碎带［6］。破碎带作为一个低强度、易变形、透水性大、抗水性差的软弱带而存在，与其周围的围岩体在物理力学特性上明显不同，破碎带煤层的存在严重影响井壁稳定。

3 煤层段安全钻井液密度窗口

由于煤岩具有高度的非连续特征，因此以连续介质理论为基础的井壁稳定性计算模型难以准确描述煤层周围的应力和应变情况，无法确定煤层的坍塌压力。因此，本次研究采用Hoek-Brown公式模拟煤岩的非连续性力学行为［7］。

Hoek-Brown准则除适用于结构完钻各向同性的均质岩石外，还可以应用于裂隙性岩体以及各向异性的非均质岩体。考虑到煤层存在裂隙以及非连续体的特点，采用Hoek-Brown准则分析煤层坍塌压力较Mohr-Coulomb准则更为合理［8］。

井壁应力状态可以表示为:

式中:σr— 径向应力，MPa;

σθ— 切向应力，MPa;

σz— 轴向应力，MPa;

μ—泊松比;

p—钻井液液柱压力，MPa;

pp— 孔隙压力，MPa;

φ—孔隙度;

δ—有效应力系数;

σH—最大水平主应力，MPa;

σh—最小水平主应力，MPa。

对于破碎性煤岩，基于岩体试样三轴试验基础的强度准则适用于破碎体的强度破坏判别，其主应力形式表达的经验判据为:

式中:σc—完整岩石的单轴抗压强度;

m—无量纲试验常数，岩体的破碎性系数;

s—无量纲试验常数，岩体的节理化系数。

当 σθ＞σz＞σr时，在最小主应力方位，即 θ=90°附近将式(2)代入式(1)，得到 Hoek-Brown准则下破碎岩体坍塌压力当量密度计算模型:

式中:η—破碎岩体坍塌密度修正系数。

地层破裂压力为:

4 实例计算

国内某油田D1井，三开钻进时钻遇不等厚煤层，井壁极易出现大面积垮塌，结合现场资料应用所建模型进行计算。在923—1 154 m层段采用Hoek-Brown模型进行坍塌压力计算，计算结果比Mohr-Coulomb强度准则模型略高。图2为D1井煤层段坍塌压力变化示意图。

图2 D1井煤层段坍塌压力变化示意图

计算可知，坍塌压力当量钻井液密度在井深1 094 m附近达到最大值，由测井资料可以求得该点的岩石抗剪强度28.98 MPa，具体参数见表2。采用有限元软件建模对1 094 m井深进行井眼稳定性分析，图2所示为井深1 094 m处1/4井眼剪切应力云图。

表2 煤层段坍塌压力最高处的岩石力学参数

图3 井深1 094 m处14井眼剪切应力云图

由模拟分析结果可知，在煤层段坍塌压力最高处，采用密度为1.43 g/cm3的钻井液，井壁处的剪切应力(11.71 MPa)小于其岩石剪切强度(28.98 MPa)，井壁不会发生坍塌失稳。因此在仅考虑力学作用的前提下，采用密度1.43 g/cm3的钻井液可以成功穿越煤层段，也证明了力学计算模型的合理性。此外，在煤层段钻进的过程中，应当在钻井液中加入适当的封堵材料，以减轻钻井液对孔洞和裂缝的侵入，同时还需注意对泥岩层水化膨胀过程的抑制。

5 结语

(1)煤层属于破碎性岩体，运用常规的Mohr-Coulomb强度准则无法准确地求取煤层段的坍塌压力，而Hoek-Brown公式可以用于模拟煤岩的非连续性力学特征。实例计算结果表明采用Hoek-Brown计算模型求取的钻井液密度是安全有效的。

(2)针对煤层裂隙、割理的特征，在钾基聚合物钻井液体系的基础上加入一定量的封堵材料，可以增强钻井液的封堵性能，以满足煤层段井壁稳定的技术要求。

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