煤层气欠平衡钻井中井壁稳定性分析

李一勐，毛磊

(1.中海油田服务股份有限公司钻井事业部湛江作业公司，广东 湛江 524000； 2.中海油田服务股份有限公司钻井事业部深圳作业公司，广东 深圳 518000)

1 研究目的和意义

随着全球石油和天然气资源枯竭，人们环保意识不断提高，清洁能源不断被开发，煤层气的勘探、开发和利用已从自然能源中脱颖而出。煤层气的开发与利用能改善瓦斯事故的防范水平和安全效果，有效减少温室气体的排放[1]。

目前欠平衡钻井技术是一种在国际上已经成熟的钻井新技术。在国际能源日趋紧张的形势下，采用欠平衡技术开发煤层气钻取目的层，可有效保护气层、环境和增产，并改善钻孔速度、延长钻头寿命、避免循环丧失、减少压差卡钻[2]。

欠平衡技术对储层保护有积极作用，可为国民经济发展提供巨大推动力。但在煤层气开采中面临诸多问题，国内外都还没能有效解决。其中在煤层钻进中多采用的欠平衡技术，也还有不少难点等待突破。本文旨在分析和总结其中的难点问题。

2 欠平衡钻井技术的发展现状

欠平衡钻井(UBD)，又称负压钻井，是指控制地层流体进入井底，当底部孔的压力低于地层压力时循环到地表的挖掘技术。它包括以下两个方面：首先，循环介质的等效循环密度应低于井环钻井层间隙水压等效密度(储水层)，其差为欠压值。其次，地层流体必须以受控方式流入井中，循环到地表，然后才能分离。

欠平衡钻井在勘探与开发中的作用主要有：(1)在油气勘探中，可发现低压、复杂的岩层、水敏感性、破碎和其他类型问题与保护蓄水池。在油气勘探中，这是储水层识别技术[3]；(2)在油气勘探中，不均衡的钻探技术能有效保护复杂的岩层，提高单井产量，降低开发成本。因此，对于油气开发来说，它是一种储层保护技术；(3)欠平衡钻井技术属于二次井控技术、还包括储层保护钻井技术、涉及防漏技术和提高机械钻速的工艺。它能提高钻头钻速，解决泄漏问题和减少压差卡钻。

在20世纪70年代，各国应用该技术打开储层增产[4]，1980年后,由于石油和天然气的勘探和开发已经从常规压力、中高渗均质砂岩等良好的探矿及开发条件，过渡至非传统石油及天然气等恶劣的勘探开发条件，欠平衡钻井已经成为新的发展方向，井口控制系统、气体注入系统、分离系统、监测系统、软件系统等逐步被开发，充气液和轻泥浆欠平衡水平井也大力发展[5]。但总体上对于欠平衡钻井技术的应用和研究国内与国外还存在着较大差距。

3 煤层气欠平衡钻井技术

在地质变化和地热影响下，在煤层的孔隙和裂隙中煤层气是吸附状态[6]。砂岩、碳酸盐岩和煤储层特征对比度如表1所示。

表1 砂岩、碳酸盐岩和煤储层特征对比度

4 煤层气欠平衡钻井中的主要问题

4.1 煤层井壁失稳

(1)煤岩的细微结构：该结构指煤岩裂缝结构。裂缝的加大和位移也会给煤层井稳定性造成较深影响。

(2)力学特性：井的稳定性会受到机械特性的直接影响。煤岩碳含量为70%～80%时抗压强度最小。

(3)化学特性：煤岩主要受储层破碎的构造和无机盐、粘土矿物影响，当储层发生接缝或微小龟裂时，会放大毛细管现象，孔隙比表面积增大。

4.2 井壁坍塌压力的计算

4.2.1 岩石的强度条件

如图1所示，σ1和剪切面法向夹角等于β，法向正应力为σ，剪应力为τo。岩石还有剪切面上的内摩擦阻力μσ，具体公式：

图1 岩石剪切破坏

式中：μ为岩石的内摩擦系数；φ为岩石的内摩擦角。

式(1)是常用的库仑—摩尔强度，它是通过两个以上不同围压的三轴压缩强度试验确定。

如图2所示，式(1)可用主应力σ1和σ3改写为：

图2 用主应力表示的强度曲线

式中：σc为单轴抗压强度，或

当岩石有间隙水压Pp时，有效应力可表示如下:

岩石是否破坏需要看粘聚力和内摩擦角，这是表征两个重要参数。从式(7)能看出：库仑—摩尔准则中没有考虑中间主应力的影响，三维准则极少使用。另一个强度准则：

4.2.2 井壁坍塌处的应力

随θ角的变化曲线，在θ=90o和θ=270o处，σθ值最大。由于页岩渗透率极低，挖掘流体性能良好时，可忽略挖掘流体向地层的渗透，页岩井可视为不渗透性井。井壁坍塌处应力公式为：

4.2.3 用库仑—摩尔强度准则计算坍塌压力

井壁坍塌处式(13)的σ是θ最大有效主应力，σr是最小有效主应力，代入库仑—摩尔强度条件式，井壁稳定的钻井液密度公式为：C为岩石的粘聚力(MPa)；H为应力非线性修正系数；

式中：ρm为钻井液密度(g/cm3)；H为井深(m)；σh1、σh2为分别水平地应力(MPa)。

因为钻井液密度的设计要顾及裸眼井段大部分地层稳定性的需要，对于少数强度低要求高密度钻井液来保持稳定性的地层，若情况不是很严重，也只好让其有些剥落掉块[6]。在设定δ=0后，代人库仑—摩尔准则，其结果为：

4.2.4 用德鲁克—普拉格准则计算坍塌压力

将式(13)的σθ和σr代入德鲁克—普拉格准则式(8)，得到地层坍塌压力的当量钻井液密度计算公式为：

式中：R、Kf分别为地层强度参数。

4.2.5 井壁岩石的拉伸崩落

井口崩塌的另一个原因是井口内挖掘流体柱的压力低于低渗透率层的间隙水压，导致井口岩石被拉扯坍塌。这主要发生在过渡带压缩不足、过压、低渗透率的页岩。坍塌时钻井液密度公式如下：

式中：St为地层的拉伸强度(MPa)；H为井深(m)；Pp为地层的孔隙压力(MPa)；ρp为坍塌处钻井液密(g/cm3)。

5 钻井液设计考虑

5.1 钻井液体系的选择

欠平衡钻井在钻井过程中产生负压差难以避免，负压差可自然产生，也可通过人工方式来实现，应根据各种地层压力、地层条件、生产层条件选择流体种类。液相体系、充气液体系、泡沫体系、气/雾体系是欠平衡钻井作业中常用的钻井液体系。钻井液体系选择一般考虑欠平衡钻井需要的井底压力。流体的性能必须满足能搬运沙子、保护井口、使石油和天然气容易分离的要求。

5.2 钻井液密度确定

油藏工程公式得到地层压力的是试油静压、钻杆测试压力。dc指数、声波时差等地层压力的检测结果只能作为参考，因为压力检测方法的误差达10 %，结果远远超出欠平衡要求的负压差范围，除非探井无确切的压力要求。流体的密度可根据事先决定的负压差进行设计，流体密度的设计必须在井口压力为零的条件下，这样正常钻井中负压差才能达到规定值。

式 中：Pp为地层 压 力(MPa )；Pa为 环 空压耗(MPa)；H为 井 深(m)；ΔP为 负压差(MPa)，取 1 MPa。

式中：Pv为塑性黏度(mPa·s)；Q为排量(L/s)；Li为第i段段长(m)；Dhi为第i段井眼直径或套管内径(mm)；Di为第i段钻柱(钻杆或钻铤)外径(mm)。

湍流状态下环状压力损失的计算式，钻井是按照喷射挖掘的最大位水力或冲击力原理设计的，以满足清理岩屑要求为原则。当流动状态为层流时，按式(26)计算：

式中：Lp为钻杆长度(m)；γp为屈服值(Pa)。

5.3 钻井液其他因素的考虑

欠平衡钻井液除了要重点考虑满足设计要求的压力系数之外，还需要对其他一些因素加以考虑，主要有以下四方面：

(1)石油、天然气、水的三相流体从地层流入井中，与循环的挖掘流体接触。考虑地层水与钻井液滤液产生结垢和沉降物会影响生产，因此需要高黏度的稳定乳液，表面活性剂抑制乳化时要防止钻井液漏失到地层中造成润湿性影响。

(2)地层流体对钻井液的稀释。循环钻井液可能被地层流体稀释，使钻井液受到污染。针对这种情况，应对储层产出物进行浊点测量，以确定是否会影响泵和井下马达的正常运转，并保证两者接触时不发生析蜡。

(3)盐水与循环钻井液中如果含有氧，流体会腐蚀井筒，用氮气或空气欠平衡钻井，气中含有硫化氢，腐蚀会加重。

(4)钻井液的黏度。当钻井过程中出现问题，失去了欠平衡条件，基础泥浆中含有的高黏度物质会慢慢侵入地层，因此在欠平衡的钻井中，不应考虑使用高黏度的流体。在低渗透率被水浸湿的储存层进行欠平衡的钻井时，地层的毛细管压力可能会引起地层的损伤。

6 结语

利用欠平衡钻井技术有效地对煤层气进行开发，针对煤层井壁稳定和储存保护存在的问题，根据文中资料调研和问题分析得出以下结论：

(1)常规煤层气开发技术具局限性，因为中国煤层气藏特点是低渗低压，储层物性不好会导致储层低渗透、煤层气难解吸、游离气流动不足等问题。需要采用非常规的钻井完井技术，而欠平衡钻井技术便是其中一种较好的钻井技术，能较好地保护煤气储层，为加速经济钻进提供有力支持。

(2)煤层具有很强的应力敏感性。煤层压力的增加会导致渗透率的大幅下降，渗透性损伤是不可逆的，最终对煤层气的生产能力产生重大影响。了解应力的煤层灵敏度有助于制定合理的开发计划。

(3)要保证在煤气层钻井过程中井壁稳定，需要先研究煤层岩石力学特征，再根据文中计算公式计算预测获得煤层钻井过程中的三压力剖面，从而选择合理的钻井液密度并设计欠平衡钻井的欠压值。

(4)在煤气层钻井中，钻井液的配方应当起到有效的防塌作用。煤层气欠平衡钻井液的技术关键在于基液的选择，应全面考虑气体层的特性、操作和经济因素。