煤岩理化性能及井壁稳定研究

邓雪峰

摘 要：在钻井过程中，煤岩的稳定性直接影响钻井的安全和稳定，影响后期的固井质量。而煤层气钻井又是一种易垮易塌地层，属于较复杂地层的种类。要解决井壁失稳问题必须先了解煤岩理化性能与井壁失稳机理。本次研究对白杨河矿区进行了泥煤岩水化分散和水化膨胀实验，试验结果将有助于我们对白杨河矿区煤岩理化性能有进一步认识，对钻井液优选也具有指导意义。

关键词：煤层气钻井；煤岩理化性能；井壁失稳；水化分散；水化膨胀

中图分类号：TE254 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）11-0213-02

1 前言

煤岩与常规石油天然气储层岩石在形成原因、化学组成、物理性质、孔隙裂缝结构等方面有显著的不同，煤层气在煤岩中的形成储存机制、产出方式方面与常规石油天然气的产出方式差别更大。目前，我国煤层气钻井缺乏针对煤层气储层特性的技术和标准，大多沿用石油天然气钻井技术和标准。另一方面，我国煤层地质条件与美国等其他国家相比，有自己的特点，如我国煤层气储层渗透率普遍小、地质构造更显复杂等，即便不考虑技术保密原因，直接采用他国技术应用于我国煤层气勘探开发，其针对性与适用性也缺乏科学依据。以上两方面因素显然与我国有效开发煤层气资源的要求不适应，因此，应该以煤层气储层特征研究与储层损害机理研究为出发点，以保护好煤层气储层为目的，在钻井工艺设计、完井技术选用、开采方式选择、各阶段技术参数优化等诸多方面提出保护煤层气储层的技术与标准，只有这样才有利于保护好煤层气储层，提高我国煤层气勘探开发效益。

煤层气是以吸附状态赋存在煤层中。煤层既是生气源岩又是储集岩，为特低孔特低渗的双孔隙储层，具有抗张强度小、杨氏模量低、体积压缩系数大的特点。它的特殊储层性和岩石物理性质使其与常规油气储层具有显著的差异。

2 煤岩理化性能分析

2.1 煤岩的XRD分析

取少量煤块于研钵中研磨，过筛取200-300目之间的粉末，在10～80℃下进行XRD衍谢，实验部分样品结果见图1、图2和表1。

由实验结果可知，该煤块主要成分为粘土矿物（35%～47%），主要以高岭石为主，石英含量波动加大，最高的石英含量煤样A502-4为14.1%，其它的煤样石英含量在3%～5%。有由于煤含有大量的有机物质，因此XRD测不出来有机质含量，通过衡量计算，有机质总量含量较高为50%～60%，因有高岭石存在，故该煤块易产生微粒的运移，堵塞孔道，降低地层渗透率，同时该物质对酸敏感。

2.2 煤岩水化分散实验

本实验根据中国石油天然气行业标准SY/T 5613- 2000进行。大致步骤为：将岩心表层被钻井液污染的部分刮去，放在通风的室内风干。在干净的塑料板或钢板上将岩心击碎，用孔眼边长分别为3.2mm和2.0rnm的双层分样筛筛析。收集通过孔眼边长为3.2mm筛，但未通过孔眼边长为2.0mm筛的岩心颗粒500g，存于广口瓶中备用（贴好标签）。

称取50.0g（精确至0.1g）岩心颗粒，装入盛有350mL蒸馏水的高温罐中，盖紧。将装好试样的高温罐放入80℃±3℃的钻井液滚子炉中，滚动16h。恒温滚动16h后，取出高温罐，冷至室温。将罐内的液体和岩样全部倾倒在孔眼边长为0.42mm的分样筛上，在盛自来水的槽中湿式筛洗1min。将筛余岩样放入105℃士3℃的鼓风恒温干燥箱中烘干4h。取出冷却，并在空氣中静置24h，然后进行称量（精确至0.1g）。实验结果见表2。

由表2可知，通过六组12个实验测定了煤岩的回收率都在90%左右，说明该区块的煤岩有一定的水化性，但水化能力不强。

2.3 煤岩水化膨胀实验

将煤岩研磨成粉末，在105℃下烘干备用，按中国石油天然气行业标准SY/T5971-94评价该煤岩的水化膨胀性，实验结果见表3。

由表3可知，煤岩的膨胀率为35%左右，有一定的膨胀性，说明该煤岩遇水会产生一些膨胀，造成井壁不稳。

3 井壁失稳机理分析结果

通过对煤岩的XRD分析发现煤岩中含有大量的高岭石，高岭石是一种易产生微粒的运移，堵塞孔道，降低地层渗透率的物质；另外煤岩中含有部分有机物，这些有机物可能溶解在钻井液中，使得煤岩不稳定，造成煤岩垮塌。通过对煤岩的水化分散和膨胀性实验发现，煤岩不易水化分散和膨胀。通过上述说明井壁失稳主要是由于高岭石的运移和有机物的溶解造成的。

通过对煤岩的理化性能及井壁失稳机理分析，得到如下结论：

（1）煤岩含有一定量的粘土矿物（主要是高岭石）、二氧化硅，含有大量的有机质，因此其易于运移，对酸敏感，煤岩的应力敏感性强；（2）通过水化分散、水化膨胀实验可知，该区块的煤岩有一定的水化性，但水化能力不强。该区块煤岩遇水会产生一些膨胀，造成井壁不稳。

参考文献

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[3]王丽，张蓬洲.煤的XRD的结构分析[J].煤炭转化，1997，（1）：50-53.