库车北部构造侏罗系煤层井壁稳定对策研究

李 宁，郑何光，卢俊安，邵长春，何世明

1.中国石油天然气集团公司塔里木油田分公司，新疆 库尔勒841000

2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川 成都610500

引言

塔里木油田库车北部构造带迪北区块2012–2016 年共完钻7 口井，均钻遇侏罗系中统克孜努尔组和下阳霞组煤层，煤层埋深均超过3 500 m。由于煤岩特性，钻进过程中煤层段井下复杂情况频发[1-2]。库车北部构造带前期完钻直井表明：侏罗系煤系地层井壁稳定性差，易漏易塌，安全密度窗口窄。为实现采用水平井高效开发库车北部构造带油气资源的目的，需要在煤系地层中造斜，因此，开展定向井中的煤层失稳机理及井壁稳定对策研究意义重大。

中国煤岩埋深普遍较大，埋深千米内煤岩资源量不到50%[3-4]。煤岩硬度小、脆性大，加上煤层复杂的地质构造使煤层内容易产生大量内生裂隙（面割理和端割理）[5-6]。

裂隙发育不仅降低煤层强度，还会增强煤层强度的各向异性，使煤层力学行为表现出非连续性。因此，煤层受外力作用时易破碎，进而导致煤层井壁坍塌[7]。现阶段研究发现煤层井壁垮塌主要由煤层力学失稳导致，国内外学者多采用微观损伤力学、结构面力学、连续介质力学及强度破坏理论的近似法等方法研究煤层井壁稳定的问题[8-10]。

目前，中国煤层井壁稳定问题普遍存在，涉及塔里木盆地侏罗系和三叠系、鄂尔多斯盆地山西组及本溪组等多个地层。在煤层井壁稳定问题中，有两个决定性因素：（1）煤岩强度；（2）煤层地应力状态。煤层井壁强度与其组成、钻井液类型和密度有着密切的关系。

钻井液对煤岩的理化作用及力学作用会导致煤岩强度降低，煤层井壁极易坍塌[11]。煤层地应力状态主要包括地应力和地层压力，地应力具有各向异性，影响煤层的坍塌压力和破裂压力[12-14]。对于水平井，地应力的各向异性会影响井眼轨迹。

本文以库车北部构造带侏罗系煤系地层为对象，通过煤岩微观结构分析和理化性能评价明确煤岩失稳机理，建立考虑多割理面影响的煤层井壁坍塌压力预测模型，确定水平井煤层段井壁坍塌压力和最优化钻井轨迹；以煤岩微观结构为基础，通过粒度分析优选煤层段钻井液封堵材料，形成煤层水平井稳定对策并进行现场应用。

1 煤岩失稳机理

库车北部地区侏罗系煤系地层岩石组成复杂，在钻进过程中容易出现井壁坍塌和钻井液漏失等复杂事故。

为进一步明确煤系地层井壁失稳机理，研究采用X 射线衍射、扫描电镜等实验方法对煤层岩样进行了微观结构研究及理化性能分析[15]。

1.1 煤系地层微观结构分析

煤岩的全岩矿物成分，尤其是煤岩中黏土矿物的组成、含量及它们的理化性质等对煤的裂隙、割理的发育程度和煤岩力学强度均存在影响[16-19]。利用扫描电子显微镜对煤岩裂隙发育情况进行观测，结果如图1 所示。

图1 煤岩显微镜和扫描电镜观测结果Fig.1 Coal microscope and scanning electron microscope observation results

煤岩主要发育微裂隙和呈密集交错网状分布的交错割理。

通过统计煤岩微观裂缝的宽度（表1）可知，侏罗系煤岩微观裂缝宽度集中分布在10 µm 以下，占比94.2%；宽度1～2 µm的微裂缝占比最高，为40.4%；仅有3.8%的局部纳米级裂纹的宽度小于1µm；宽度大于10µm的微裂缝仅占比5.8%。

表1 煤岩微观裂缝宽度统计表Tab.1 Statistical table of microscopic crack width of coal rock

1.2 煤系地层理化性能分析

对塔里木油田DB104 井煤层段露头和煤岩采取沉降抽提法制样，利用XRD 测试方法详细分析了煤岩黏土矿物的组成及其含量，结果如表2 所示，塔里木油田DB104 井侏罗系煤岩黏土成分以高岭石和伊利石为主，无易膨胀性黏土矿物，初步判断可知，煤岩失稳机制为力学失稳。

表2 黏土矿物成分XRD 测试结果Tab.2 XRD test results for clay mineral composition

表3 给出了煤岩岩屑和露头清水滚动回收率测试结果，煤岩岩屑清水滚动回收率为90.0%，煤岩露头为98.2%，明确侏罗系煤岩失稳机制为力学失稳。

表3 煤岩清水滚动回收率测试结果Tab.3 Coal rock clean water rolling recovery test results

2 考虑多割理面的井壁坍塌压力模型

根据煤岩理化性能与微观结构分析结果，煤岩发育交错割理、不含膨胀性黏土矿物，主要为力学失稳。

为了分析煤层井壁稳定性，需要考虑煤岩多割理发育特征，建立适合于煤岩的破坏准则，并预测坍塌压力[20-23]。

因此，以Fairhurst 方程为基础，考虑煤岩的多割理面影响，建立煤层井壁坍塌压力模型[24]，以确定煤层段井壁坍塌压力和最优化钻井轨迹。

2.1 煤岩井周应力模型

根据Fairhurst 方程，并将圆柱坐标下的应力分量转换到弱面坐标系中，当r=R（井眼半径）时，煤岩井周有效应力为

由式（1）可知，σr是其中一个主应力，另外两个主应力为

通过式（1）～式（3）可以计算得到煤层井壁的最大和最小主应力，再结合煤岩破坏准则，即可求得井壁坍塌压力。

2.2 考虑多割理发育的煤岩破坏准则

根据煤岩微观结构分析结果，结合Jaeger 提出的单一弱面强度理论，可判定煤岩的破坏分为以下两种：（1）当岩体沿层理面破坏时，岩体强度受层理强度控制；（2）与常规层理性岩石不同，煤岩中不仅存在层理弱面，还存在煤岩面割理与端割理弱面，即强度还会受到割理弱面的影响。因此，应同时对层理与割理面进行破坏判定（i=1，2）

当岩体不沿层理面破坏，煤岩强度等于煤岩本体的强度，煤岩破坏可表示为

在煤层岩体破坏判定结果中，取最小值作为水平井煤层剪切破碎的极限应力值，再通过式（1）迭代即可获得煤层的坍塌压力当量密度。

2.3 煤系层段水平井井眼轨迹优化

根据侏罗系地层地应力大小和地应力机制的解释结果可知（图2），受库车山前构造运动影响，库车北部构造带最大水平地应力σH系数约2.5～2.7，最小水平地应力σh系数约2.1～2.3，垂向地应力σv系数约为2.5，即σH>σv>σh。煤系地层地应力状态为走滑断层，由于水平井中地应力差值小于直井，在走滑断层地应力机制下，斜井段的井壁力学稳定性可能优于直井。

图2 地应力参数及地应力机制解释结果Fig.2 Formation stress parameters and stress mechanism explanation result

利用完钻井煤系地层地应力方位的解释结果（表4），库车北部构造带横向和纵向上煤系层段最大水平主应力方位为无规律变化，与走滑断层地应力机制吻合，表明区域构造运动强烈。

表4 煤层段最大水平主应力方位解释结果Tab.4 The interpretation result of the maximum horizontal principal stress in coal seam

为验证煤层段坍塌压力模型的正确性，将模型预测结果与实钻情况进行对比分析，图3 给出完钻井坍塌压力模型预测结果与实钻井径和钻井液密度对比分析结果。由图3、图4 可知，DB101 井煤层段实际钻井液密度小于坍塌压力模型预测结果，煤层段井径扩大率大，井壁稳定性差。

图3 煤层段坍塌压力预测结果Fig.3 The prediction result of collapse pressure

图4 DB104 井煤层坍塌压力当量密度随井斜角和方位角变化预测结果Fig.4 Prediction results of coal collapse density change with inclination and azimuth of Well DB104

DB103 井钻井液密度大于模型预测坍塌压力，井壁稳定性好，证明同时考虑层理面和割理面影响的坍塌压力模型能实现煤层段坍塌压力的准确预测。将DB104 井岩石力学参数（v=0.138，um=0.075，σw=26.1 MPa，Sm=4.9 MPa）和地应力参数代入煤层井壁坍塌压力预测模型，便可预测煤层坍塌压力随井斜角和井眼方位角变化规律。沿最大水平主应力方位钻井，且井斜角为45°～80°时，坍塌压力当量密度较低；结合地应力机制，为维持斜井段煤层稳定性，定向井优先推荐沿最大水平主应力方位钻进，并建议定向井段沿用直井段钻井液密度，确保定向井钻穿时以相对较小的井斜角穿过煤层，降低垮塌风险。

3 煤系地层水平井井壁稳定对策

根据含沥青添加剂的钻井液热滚煤岩岩屑后的扫描电镜测试结果（图5），沥青能有效充填和吸附在煤岩缝隙中，也能很好的黏附于煤岩基岩上。

图5 含沥青钻井液煤岩岩屑热滚后扫描电镜测试结果图Fig.5 Scanning electron microscopy test results of bituminous drilling fluid after hot rolling

为确定最优钻井液封堵方案，开展两批次不同复配体系和加量条件下钻井液封堵测试（图6）。干粉沥青+乳化沥青复配体系48 h 最大出液量约为6 mL，乳化沥青+磺化沥青复配体系48 h 最大出液量约为1.8 mL，磺化沥青+乳化沥青+2 200 目超细钙复配体系48 h 最大出液量仅为1.5 mL。

图6 封堵材料封堵效果横向对比图Fig.6 Horizontal comparison diagram of plugging effect of plugging materials

塔里木油田常用的封堵材料粒度测试结果如表5所示，磺化沥青可充填封堵最小裂纹、干粉沥青次之、乳化沥青最大；乳化沥青和2 200 目超细钙封堵1～10µm的煤岩裂缝或割理效率最高；干粉+乳化或磺化+乳化+2 200 目超细钙复配能充填封堵煤层的绝大部分割理和裂缝。

表5 常用封堵剂粒度测试结果Tab.5 The particle size test results of commonly used plugging materials

因此，本次研究中优先推荐磺化沥青+乳化沥青+2 200 目超细钙复配体系，推荐复配体系封堵材料最小为3%磺化沥青+3%乳化沥青+3%2 200 目超细钙。

4 现场应用

根据库车北部构造带纵向煤岩厚度统计可知（表6），J2kz2～J1y2煤层总厚度由48 m 降至9 m，最大单层厚度由7 m 降至3 m；J1y3不含煤层，J1y3和J1y4层段总厚度为200～268 m，平均为220 m，推荐在J1y2煤层段底部开始造斜，既能满足定向需求，也不会钻遇大厚度煤层段，煤层段失稳风险小。

表6 库车北部纵向煤岩厚度统计数据Tab.6 Longitudinal coal thickness statistical data of North Kuche Area

DT2 井是库车北部构造带的一口探井，设计井型为定向井。该井实钻造斜点在J1y2底部，煤层段实钻方位135°～145°（最大水平主应力方位为133°），井斜角35°～45°，钻井液密度1.70～1.74 g/cm3，与推荐钻井方案吻合。

DT2 井进入煤层斜井段后，为保证煤层段稳定性，扶正器尺寸由311 mm 降低到306 mm，钻压降低到30～80 kN，转速降低至30～35 r/min，排量降低至18～22 L/s（图7）。

图7 DT2 井煤层斜井段实钻情况分析结果Fig.7 Analysis results of actual drilling of inclined coal section in Well DT2

从DT2 井煤层斜井段实钻分析结果可知，DT2井煤层斜井段综合应用煤层稳定对策后，J1y4下泥岩煤层段钻遇煤系地层时井壁稳定性好，大部分层段井径扩大率小于20%，平均井径扩大率仅为7.78%，煤系层段钻进无复杂，表明本研究提出的针对库车北部构造带侏罗系煤系斜井段井壁稳定对策能有效保证井壁稳定。

5 结论

（1）通过微观结构和理化性能分析，明确库车北部构造带侏罗系煤岩为力学失稳。

（2）考虑多割理面影响的煤层井壁坍塌压力模型预测结果与实钻吻合，推荐煤系层段定向井沿最大水平井主应力方向钻井，井斜角45°～80°。

（3）基于封堵材料粒度测试结果和煤岩岩芯封堵测试结果，推荐煤层段钻井液封堵材料复配体系配方为3%磺化沥青+3%乳化沥青+3%2 200 目超细钙。

（4）库车北部构造带煤系层段定向井推荐造斜点为J1y2底部，并使用欠尺寸扶正器，低钻压和低转速等措施以稳定斜井段煤岩。

（5）DT2 井煤层斜井段应用煤层稳定措施后，煤层定向井段井壁稳定性好，无井下复杂。