塔里木盆地深部煤层失稳机理及防塌钻井液技术

李 恒，何世明，汤 明，李 宁，杨 沛，张 震

塔里木盆地深部煤层失稳机理及防塌钻井液技术

李 恒1，何世明1，汤 明1，李 宁2，杨 沛2，张 震2

(1. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2. 塔里木油田公司油气工程研究院，新疆 库尔勒 841008)

针对塔里木盆地深部煤层钻井过程中钻井液漏失和井壁垮塌等井下复杂问题，采用镜质体反射率分析、X射线衍射、扫描电镜等方法测试了煤的微观结构和理化性能。明确了煤层的失稳机理：煤中固定碳质量分数平均超过60%，镜质体反射率大于1.0%，煤化程度高、性脆、易破碎；黏土矿物总的体积分数低于25%，黏土中不含强水敏性矿物蒙脱石；煤层割理呈网状分布，其宽度主要集中在1~10 μm，易漏失。综合判定煤层失稳类型为力学失稳。以煤层微观结构为目标，结合钻井液材料粒度分布，优选沥青类封堵剂，设计出适用于煤层的沥青质聚磺防塌钻井液体系，其性能测试结果表明：沥青质聚磺防塌钻井液滤失量低、泥饼薄，能有效封堵煤的绝大部分割理，减少钻井液侵入量，防止煤层垮塌。研究成果一定程度上为塔里木盆地深部煤层的安全高效钻井提供技术保障。

煤层；井壁失稳机理；封堵性能；防塌钻井液

我国煤层普遍埋藏较深，1 000 m以内煤层气资源量占比不到50%[1-2]。对煤层气的开发利用，可以减轻常规油气开发的压力[3-5]。与常规储层相比，煤层的弹性模量大、机械强度低、微裂缝和割理发育，煤体坚硬，质地脆，在煤层钻进过程中极易出现井下垮塌、卡钻等复杂事故[6-10]。

塔里木盆地侏罗系地层埋深超过4 000 m，钻进过程中易出现井壁垮塌和钻井液漏失等井下复杂情况。为提高该地区钻井工程的安全性和经济性，笔者以塔里木盆地侏罗系主要煤层为研究对象，分析了煤的矿物组成和物理化学性能，确定了煤层段井壁失稳机理。以煤的微观结构为主要目标，结合钻井液添加剂粒度分布情况，从理论上分析防塌钻井液可行性，实验优选封堵防塌剂类型及加量，设计可用于该地区煤层段的防塌钻井液体系，以期为塔里木盆地深部煤层钻井提供技术支撑。

1 塔里木盆地深部煤层井下复杂情况

塔里木盆地某油田区块2012—2016年完钻井中，7口井有自然伽马和电导率测井资料，每口井均钻遇煤层。对钻遇的煤层进行统计，煤层主要分布在侏罗系克孜努尔组和阳霞组，埋深超过4 000 m，共发育煤层21层，总厚达390 m，其中克孜努尔组发育煤层14层，总厚度191 m，阳霞组发育煤层7层，总厚度约199 m。根据测井曲线得到煤层段井径扩大率(表1)，对煤层井壁失稳情况进行统计。从表1看出，煤层平均井径扩大率小于15%(XY1降外)，整体属于轻度到中等坍塌；最大井径扩大率均超过15%，普遍超过30%，最高达到68.3%，且均发生在煤层段，煤层段井径扩大严重，引发泥岩和砂岩夹层发生垮塌，导致煤层失稳。

表1 侏罗系煤层段井径扩大率统计表

根据井史资料，对侏罗系煤层井下复杂情况进行整理，7口井中，除X11井外，其余6口井均发生卡钻或钻井液漏失等问题(表2)。从表2看出，井下问题主要是卡钻和钻井液漏失。其中X1和X12井煤层段发生卡钻事故，卡钻损失时间共291 h，卡钻主要原因是煤层段扩径和井壁垮塌。X13、X14、XY1和Y4井煤层段均出现钻井液漏失，漏失量总计1 977 m3，其中，单口井最大漏失量达到1 263 m3，漏失原因主要为钻遇裂缝发育的煤层，钻井液沿裂缝漏失进入地层。

表2 侏罗系煤层段复杂情况统计表

塔里木盆地油田区深部煤层井下复杂情况具有以下特点：①井壁失稳主要表现为井径扩大和井壁垮塌；②煤层段整体为中等垮塌，部分层段垮塌严重，初步判断有割理和裂缝存在，胶结强度低；③煤层段存在严重钻井液漏失，初步判断煤层割理系统较为发育。煤层段井下复杂情况严重影响了钻井工程的顺利进行，有必要对其失稳机理及防塌防漏对策进行研究。

2 煤层失稳影响因素及失稳机理分析

2.1 煤的镜质体反射率与显微组分

煤的镜质体反射率反映出煤的变质程度，煤的显微组成对其裂隙发育程度、孔渗特性和煤岩力学强度有一定的影响[11-13]。对不同深度的煤进行镜质体反射率和显微组分测定，并对结果进行了分析。

2.1.1 工业分析和煤的镜质体反射率

针对侏罗系煤层不同深度的煤进行工业分析和煤岩检测，从测定结果中选取规律较为明显的6个样品数据(表3)进行分析。从表3可以看出，煤的固定碳质量分数高，平均超过60%；镜质体最大反射率为1.0%~1.6%，最高达到1.6%。可以判断侏罗系煤为中等变质程度的烟煤[14-15]。同时从表3看出，侏罗系煤随埋深的增加，镜质体反射率增大，煤化程度增加。煤化程度越高，煤体越易破碎，在井下受到钻具碰撞和冲击后，极易发生破碎和井壁垮塌。

2.1.2 煤岩显微组成

煤岩显微组分在一定程度上影响煤岩的孔渗特性：镜质组含量越高，煤岩裂隙越发育，渗透性越好[15-16]。从煤岩显微组分分析结果(表3)可以看出，侏罗系煤层煤岩总有机显微组分体积分数高，均超过70%，最大值88.1%。煤岩显微组成以镜质组为主，镜质组体积分数均超过50%，且煤岩类型主要以半亮煤为主，煤体裂隙发育，孔渗性较好。

表3 煤的工业分析及煤岩检测结果

2.2 煤的岩石矿物组成分析

利用X’ Pert Pro X射线衍射仪分析了塔里木盆地侏罗系煤和泥岩的矿物成分。

对7口井煤样中矿物进行成分分析，每口井选取数值接近平均值一个点(表4)。从表4可以看出，钻孔中的阳霞组岩石矿物组成以石英和黏土矿物为主，石英质量分数最大超过50%，X11井4 458 m处煤中石英质量分数达到57.5%；煤中的黏土矿物质量分数接近25%；除了石英和黏土矿物外，井下煤中还含有不同量的钾长石、斜长石、方解石和白云石等矿物。井下煤中的黏土矿物以高岭石和伊利石为主，两种矿物总质量分数超过70%，发育伊/蒙混层；所有测试样品均不含蒙脱石。阳霞组露头煤中全岩矿物以石英为主，质量分数在80%以上；与井下煤样相比，露头煤中的黏土矿物含量明显降低，且不含重晶石。露头煤中的黏土矿物以高岭石为主，发育伊/蒙混层，且不含蒙脱石等强水化膨胀型黏土。

表4 塔里木盆地侏罗系阳霞组煤中矿物组成分析结果

对每口井侏罗系泥岩进行全岩矿物组成分析，结果如表5所示。从表5可以看出，泥岩矿物以石英和黏土矿物为主，石英质量分数在35%以上，黏土矿物质量分数均超过40%，X11井4 638 m泥岩黏土矿物质量分数达到55.1%。黏土矿物主要为伊利石，质量分数均在40%以上，其次为高岭石和绿泥石；伊/蒙混层含量较少，不含蒙脱石。

通过表4与表5的对比看出，侏罗系煤中和泥岩的矿物成分都以石英和黏土矿物为主，但泥岩的黏土矿物含量明显高于煤中的黏土矿物含量。煤中和泥岩的黏土矿物均以伊利石和高岭石为主，伊/蒙混层含量相近，层间比相似，均不含强水敏性矿物蒙脱石。

表5 塔里木盆地侏罗系泥岩矿物组成测试结果

2.3 煤体结构

2.3.1 煤岩宏观结构

通过对现场露头煤样取样观察分析，该地区煤的表面有光泽，宏观煤岩类型以半亮煤为主，含有少量暗煤。煤中割理系统非常发育，且煤中不同组分中裂隙发育程度不同。从煤层断面图(图1)可以看出煤的的割理产状，在断面上部，端割理密度大，将煤层组分分割为较大的块体；在断面中部，可以看到明显的面割理，且面割理延伸长，可贯穿整个岩体，但岩体中部割理不发育，煤岩组分完整；在断面下部，割理系统非常发育，面割理与端割理相互交叉连通，呈网状分布，将煤岩组分切割为很小的块体。

图1 煤岩断面示意图

2.3.2 煤岩微观结构

利用扫描电子显微镜(ESEM)观察煤样微观裂隙发育情况，如图2所示。从图2可以看出，煤中微裂缝发育，面割理较端割理更宽、延伸更长，两组割理相互交错切割，呈网状分布。

对电子显微镜观测的微裂缝进行统计，结果如表6所示。从表6中看出，煤的微裂缝中，宽度小于1 μm的微裂缝占比仅为3.8%；宽度大于10 μm的微裂缝占比为5.8%。微裂缝宽度主要分布在1~10 μm，占比90.4%，其中宽度在1~3 μm的微裂缝最多，占总裂缝数量的69.2%。表明煤岩微裂缝主要为微米级，也为钻井液封堵剂的选择提供了依据。

图2 煤的扫描电镜图

表6 煤岩岩屑电镜扫描微裂缝统计

综合煤岩检测结果表明，煤的变质程度高，质脆，易破碎，钻具碰撞、钻井液冲刷等会导致井壁岩石破坏，引起井壁垮塌；煤中含少量黏土矿物，入井流体与弱水化黏土反应，增加了裂隙流体压力，削弱了煤岩体之间的联结力；煤中发育大量割理和微裂缝，钻井液易侵入微裂缝，增强裂缝面之间的润滑性，引起煤体强度减弱，导致井壁垮塌[17]。总体判断，煤的弱水化、弱胶结，钻井液易侵入煤层，增强了割理面的润滑性，煤体更易沿割理面发生破坏，煤层失稳以力学失稳为主。为防止煤层失稳，施工过程中应增强钻井液封堵性能、减少钻井液滤失量。

3 防塌钻井液及性能

根据塔里木盆地侏罗系煤层钻井井壁失稳机理，从加强封堵、提升抑制性能角度出发，制定了防塌钻井液对策，拟采用沥青质高效封堵防塌剂天然沥青干粉和SY-A01乳化沥青，建立适合侏罗系煤层段钻井的沥青质聚磺防塌钻井液体系。

3.1 防塌钻井液体系及常规性能

沥青质聚磺防塌钻井液体系组成：4.0%膨润土粉+1.0%CMC+0.2%JNP+0.2%NaOH+2.5%SMP-3+1.0%Redu+2.0%天然沥青干粉+1.0%SY-A01。

原X13井浆配方：2.5%膨润土粉+0.3%Na2CO3+ 0.5%NaOH+0.2%JXC+0.5%BZ-BYJ-1+0.5%JMP-1+0.5%MYK-4+0.1%MMH+2%BZ-REDUL-1+2%SMP-3+4%BZ-YFT+3%BZYRH+10%BZ-WYJ1+2%BZ-DFT+5%KCl。

由沥青质聚磺防塌钻井液体系在110℃、16 h老化前后流变性能和滤失性测定结果(表7)可知，与原X13井浆相比，防塌钻井液老化前后性能相近，稳定性好；从表7中看出，高温高压条件下的滤失量为3.9 mL，仅比API条件下的滤失量3.4 mL略高，且两种条件下的滤失量均远低于原X13井浆的滤失量，表明沥青类封堵防塌剂升温软化后聚集，并在泥饼中成膜，能有效减少滤液侵入地层。该防塌钻井液的黏度、切力更高，有利于满足携岩需要，滤失量显著降低、泥饼薄，既能减少钻井液侵入地层，也能有效保护井壁。

表7 沥青质聚磺防塌钻井液流变性能

3.2 抑制水化分散性能评价

对蒸馏水、柴油、原X13井井浆、沥青质聚磺防塌钻井液进行滚动回收率测试(图3)。由图3看出，蒸馏水和柴油的滚动回收率分别为78%和83%，原X13井浆和防塌钻井液的滚动回收率均高于蒸馏水和柴油，其中原X13井浆回收率为90%，防塌钻井液回收率高达97%。

图3 沥青质防塌钻井液抑制水化分散性能

通过对比看出，岩屑在蒸馏水中滚动回收率较低，原因之一，煤岩在滚动过程中受到冲刷和碰撞，导致碎裂；其二，煤体具有水化分散能力，遇水容易水化分散，从而削弱颗粒间的联结力，导致岩体破碎。

本次防塌钻井液中含有沥青颗粒，会吸附在煤体表面，包裹岩屑，故能显著提高煤岩滚动回收率，更好地抑制黏土矿物水化分散，能有效预防煤层井壁岩石因冲刷引起的碎裂和水化分散引起的崩落，从而预防煤层垮塌。

3.3 封堵性能评价

3.3.1 封堵材料优选

基于煤亲油的特点，优先考虑采用可软化变形的沥青类防塌剂作为封堵材料，优选出天然沥青干粉和SY-A01乳化沥青作为主防塌剂。天然沥青干粉和SY-A01乳化沥青的粒度测试结果如图4所示，天然沥青干粉的粒径范围为1.73~451.56 μm，集中在10.10~62.07 μm；SY-A01乳化沥青的粒径范围为3.41~1 019.52 μm，集中在22.80~317.29 μm，两种沥青复配后能够填充煤中绝大部分裂缝。另外，由于沥青和煤均具亲油性，沥青易在煤表面形成致密的封堵层，如图5所示，进一步增强钻井液的封堵能力。

3.3.2 封堵性能分析

对经过防塌钻井液封堵前后的煤体表面进行对比观察，如图5所示，展示了沥青质防塌钻井液的封堵效果及针对不同宽度微裂缝的封堵机理。对宽度较大的裂缝，封堵剂颗粒会挤入裂缝中，对裂缝进行填充，再经过升温软化，利用煤的亲油性能，封堵剂颗粒吸附在裂缝面上，增大接触面积，增强封堵效果。

图4 封堵剂粒度测试结果

图5 防塌钻井液封堵前后的煤岩表面

对宽度较小的微裂缝进行封堵时，首先，沥青颗粒为软性颗粒，在井下升温软化变形后，粒径较小的沥青颗粒通过吸附流动可进入裂缝；其次，沥青封堵剂颗粒附着在煤体表面，经过升温软化延展后，在微裂缝表面形成致密的封堵层，对裂缝进行有效封堵，将钻井滤液阻隔在外，防止钻井液滤液侵入。

采用氮气作为渗流流体，对封堵前后的煤样进行渗透率()测试，渗透率测试结果如表8所示。从表8看出，经过原X13井井浆和防塌钻井液封堵处理后的煤心渗透率均有下降，表明两种实验流体均能对煤中裂缝进行封堵。经过防塌钻井液封堵处理后的煤心渗透率下降率能达到93.5%，表明该体系钻井液对煤中割理和微裂缝具有很好的封堵效果，能显著降低煤体渗透率，减少钻井液漏失侵入地层，预防井壁垮塌。

表8 岩心封堵前后渗透率测试结果

针对塔里木盆地侏罗系煤层的失稳特点，优选高效沥青质封堵剂天然沥青干粉和SY-A01乳化沥青，建立的沥青质聚磺防塌钻井液流变性能好、抑制水化能力强、封堵性能优，对该区块煤层具有很强的针对性，有利于降低井壁垮塌和钻井液漏失等井下事故生率。

4 结论

a.塔里木盆地油田区侏罗系煤层失稳情况主要为井径扩大和井壁垮塌，部分层段井壁垮塌严重导致卡钻；煤层段普遍存在严重钻井液漏失现象。

b.塔里木盆地侏罗系煤层煤化程度中–高级，固定碳含量高，镜质组含量高，煤亲油、性脆、易破碎，井下工具碰撞和钻井液冲刷会引起井壁垮塌。

c.煤层段泥岩的矿物组成以黏土矿物为主，煤中矿物组成以石英为主，均不含强水敏性矿物蒙脱石；煤的割理和微裂缝呈网状发育，入井流体易沿裂缝侵入煤层，引起裂隙流体压力增加，并降低岩石摩擦系数，削弱颗粒间的联结力；同时入井流体会引起煤层局部弱水化反应，导致剥落掉块，引发井壁垮塌。综合判断，煤层井壁失稳以力学失稳为主。预防煤层失稳的措施需以增强钻井液封堵性能、减少钻井液滤失为主。

d.沥青质聚磺防塌钻井液体系黏度、切力适中，滤失量低，泥饼薄；老化前后性能相近，稳定性高；具有较强的抑制水化分散能力，有利于井壁稳定。

e. 沥青质聚磺防塌钻井液体系优选沥青类封堵剂天然沥青干粉和SY-A01乳化沥青进行复配，能填充封堵煤中绝大部分割理，同时沥青易在煤体表面形成致密封堵层，进一步增强钻井液的封堵能力。研究成果可为塔里木盆地深部煤系的安全高效快速钻井提供技术保障。

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Instability mechanism and anti-sloughing drilling fluid technique for deep coal seam of Tarim basin

LI Heng1, HE Shiming1, TANG Ming1, LI Ning2, YANG Pei2, ZHANG Zhen2

(1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. Research Institute of Petroleum Engineering, Tarim Oilfield Company, Korla 841008, China)

In view of the complicated problems of drilling fluid leakage and hole collapse during the drilling of deep coalbed in Tarim basin, the microstructure and physical and chemical properties of coal were tested by vitrinite reflectance analysis, X ray diffraction and scanning electron microscope, and the mechanism of coal seam instability was confirmed. The fixed carbon content of the coal exceeds 60%, the vitrinite reflectance is greater than 1.1%, and coal have high degree of coalification, is brittle and easy to break. The total amount of clay mineral is less than 25%, and there is no strong water-sensitive mineral montmorillonite in clay. The cleat of coal is reticulated, whose width is mainly concentrated in 1–10 μm, easy to leak off. The instability type of coal and rocks was judged comprehensively as mechanical instability. Taking the microstructure of coal as the object and combining with the size distribution of drilling fluid materials, the asphaltic blocking agent was optimized and the asphaltic polysulfonate anti-collapse drilling fluid for coal seam was designed. Its performance test shows that the asphaltic polysulfonate anti-collapse drilling fluid has low filtration loss and thin mud cake, can effectively block most of coal cleats, reduce drilling fluid invasion, and prevent coal seam collapse. The research results can provide technical support for safe and efficient drilling in the deep coal seam in Tarim basin.

coal seam; mechanism of the wall instability; blockage performance; anti-collapse drilling fluid

TE254

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.032

1001-1986(2019)04-0212-07

2018-07-11

国家自然科学基金项目(51774247，51574202)；西南石油大学科研“起航计划”项目(2017QHZ001)

National Natural Science Foundation of China(51774247，51574202)；The Scientific Research Starting Project of SWPU(2017QHZ001)

李恒，1992年生，男，四川眉山人，硕士，从事井壁稳定性研究. E-mail：308042208@qq.com

何世明，1966年生，男，重庆人，博士，教授，从事钻井工艺研究. E-mail：hesming@sina.com

李恒，何世明，汤明，等. 塔里木盆地深部煤层失稳机理及防塌钻井液技术[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(4)：212–218.

LI Heng，HE Shiming，TANG Ming，et al. Instability mechanism and anti-sloughing drilling fluid technique for deep coal seam of Tarim basin[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：212–218.

(责任编辑 聂爱兰)