煤层气水平井钻井工程因素对煤粉产出影响的数值模拟——以柳林区块为例

魏迎春王亚东张劲王安民孟涛

1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083

煤层气属非常规天然气能源,是优质清洁能源和重要化工原料。煤粉引起的煤层气储层伤害与生产伤害,是制约煤层气开发的关键因素之一[1-4]。影响煤粉产出的因素包括静态因素和动态因素。动态因素是煤粉产出的诱因,直接导致煤粉的产生[5]。钻井工程因素是动态因素中的重要部分[6-7],因此,研究钻井工程对煤粉产出的影响具有重要的意义。

与常规天然气储层相比,煤层的弹性模量大、机械强度低、微裂缝和割理发育,在钻进过程中极易出现井壁失稳情况[8-14]。煤层气井尤其是水平井钻井过程中井壁失稳对煤粉产出的影响极大[15],应力状态的改变导致煤基质破裂是煤粉产生的原因[16]。井壁处的应力集中最明显,易导致井壁失稳及破裂[17-23]。钻井液密度、钻井方位、井斜和井眼大小等参数是影响井壁稳定的关键因素[24-28]。根据已有煤层井壁稳定数值模拟成果,井壁稳定性受地应力差和井眼大小的影响较大,钻井方位对井壁稳定性的影响较小,分支连接段是水平分支井最薄弱的部位[29-31]。煤层割理密度越大,井周煤层块体越容易发生剪切滑落,井眼越不稳定[32-33]。水平井在垂向应力方向的井周围岩所承受的应力最大,变形最为严重,在井周应力突变点处易产生拉剪裂纹,进而导致井周围岩破裂或失稳。井周围岩应力分布及变形情况与钻井液液柱压力有关,液柱压力与储层压力差值越小,井周相对越稳定[34]。前人虽在煤层井壁稳定数值模拟方面做了大量工作,但并未考虑钻井因素引起的井壁失稳对煤粉产出的影响。

本文以柳林煤层气区块为研究区,基于岩石力学相关理论,依据Drucker-Prager 准则,利用有限元软件ANSYS,针对柳林区块北部4 号煤层开展煤层气水平井井壁稳定的数值模拟,从井壁稳定的角度研究钻井液密度、钻井方位、井眼大小、井斜对煤粉产出的影响。

1 研究区地质背景

柳林区块位于鄂尔多斯盆地东缘,东部构造相对复杂,为宽缓的离石-中阳向斜和王家会背斜,伴生断层较发育,有炭窑沟、青山垣、朱家店等断层,向西逐渐过渡为柳林-三交单斜。在柳林-吴堡地区,地层向西缓倾,形成鼻状构造,在其轴部由于张力作用产生了近东西向的张性断裂带,即聚财塔断层组成的地堑。研究区内部总体为一向西倾斜的单斜构造,地层倾角在5°左右,区内大型断层较少,在北部边缘发育聚财塔断层及其伴生的小型断层(图1)[35]。

图1 柳林区块构造纲要图[35]Fig.1 Structural outline of Liulin block[35]

柳林区块含煤地层为石炭-二叠系山西组和太原组,区内发育煤层14 层,其中,山西组5 层,太原组9 层。柳林区块煤层气井主要开发煤层为山西组的3 号、4 号和太原组的8 号、9 号煤层,区内多为焦煤、瘦煤等中等变质程度的煤,易受外力影响而发生变形。区内4 号煤层结构简单,局部含1-3 层夹矸,为稳定可采煤层,煤层厚度为0.04～5.84 m,平均2.3 m,由西南向东北方向逐渐变厚;煤层埋深为110～1 150 m,由东北向西南方向逐渐变深;顶底板岩性多为砂质泥岩或泥岩;宏观煤岩组分以亮煤、镜煤为主,其次为暗煤夹少量丝炭条带;煤体结构类型主要为原生结构煤和碎粒煤;含气量1.15～17.92 m3/t,平均9.86 m3/t;煤层割理及裂隙较发育,连通性较好,裂隙大多未被矿物充填。

2 ANSYS 模型建立

2.1 煤层力学参数

以柳林区块北部主要勘探开发煤层山西组4 号煤层为研究对象进行数值模拟。根据5 口试验井的4 号煤层原地应力测试分析结果(表1)和前人提出的地应力与埋深的线性关系[36-37],确定了研究区内最大、最小水平地应力与深度之间的关系。

表1 4 号煤层试验井结果数据Table 1 Results from test wells

最小水平地应力与深度之间的关系为

式中,σmin为最小水平主应力,MPa;D为煤层深度,m。

最大水平地应力与深度之间的关系为

式中,σmax为最大水平主应力,MPa。

根据柳林区块试验井密度测井结果,确定垂直应力与深度之间的关系为

式中,σv为垂直应力,MPa。

研究区4 号煤层煤岩力学参数采用前人实验所得[38],均取实验结果的平均值。煤层地应力取埋深640 m 处地应力,分别代入式(1)至式(3),得出数值模拟地应力值。煤岩力学参数见表2。

表2 4 号煤层煤岩力学参数[38]Table 2 Mechanical parameters of coal[38]

2.2 DP 模型

为从力学角度定量研究钻井工程因素对煤粉产出的影响,力学模型假设条件如下:在弹性范围内,煤层是均匀的且各向同性;只考虑因钻井液密度变化引起的煤岩拉伸和剪切破坏的物理作用;不考虑温度变化对井壁力学性质的影响;当井壁处某一点的应力状态满足强度破坏准则时,即认为井壁立即发生破坏。

模型采用Drucker-Prager(DP) 屈服准则,ANSYS 模拟中采用DP 屈服准则的材料,简称为DP 材料。

Drucker-Prager 屈服准则表达式为

在平面应变状态下:

受拉破坏时:

受压破坏时:

式中,I1为应力张量的第一不变量,MPa;J2为应力偏张量的第二不变量,MPa;α、k为与c、φ有关的常数;σ1、σ2、σ3分别为最大、中间、最小主应力,MPa;φ为内摩擦角,(°);c为黏聚力,MPa。

2.3 有限元模型

为研究钻井方位、钻井液密度、井眼大小对研究区水平井水平段井壁煤粉产出的影响,选用二维简化模型和静力学分析,采用平面八节点四边形单元Plane182,模型尺寸为2 m×2 m。根据岩体力学理论,为减小应力边界效应,几何模型选取范围大于井眼半径6.5 倍距离。采用映射方法划分网格,为了得到较好的模拟结果,在井壁处划分的网格较密,共划分1 296 个单元和1 368 个节点(图2)。

图2 二维模型及网格划分Fig.2 2D model and mesh division

为研究井斜大小对研究区水平井水平段井壁煤粉产出的影响,选用三维模型和静力学分析,采用3 维8 节点固体结构单元Solid185,模型尺寸为4 m×2 m×2 m,水平段井眼半径为85.7 mm。采用映射方法划分网格,共划分44 064 个单元和47 804 个节点(图3)。

图3 三维模型及网格划分Fig.3 3D model and mesh division

3 煤粉产出因素分析

为查明钻井方位、钻井液密度、井眼大小和井斜大小等因素对井壁煤粉产出的影响,开展单因素数值模拟。煤岩具有一定程度的弹塑性,即煤岩在破坏前会经过一段弹塑性变形,而非直接脆性破坏。考虑到煤岩的低抗拉强度和存在自然裂缝等因素的影响,在井壁弹性变形阶段井壁煤岩可能会产生煤粉。在弹性变形范围内,节点位移越大,越容易脱离煤岩产生煤粉,因此,根据数值模拟井壁周围节点应力和位移的结果,绘制井周等效应力、位移沿井周角的变化曲线图(图4),用于分析不同因素对煤粉产出的影响。随井周角的变化曲线以井壁最左侧节点为0°,以井壁最上侧节点为90°,以井壁最右侧节点为180°,以井壁最下侧节点为270°。

3.1 钻井方位对井壁煤粉产出的影响

不同钻井方位下的等效应力云图和位移云图如图5所示。井眼方向分别沿最大、最小和中间水平地应力方向的井周围岩等效应力值(分别简写为MaxES、MinES、IntES)表现为MaxES > IntES >MinES,3 种情况下等效应力最大值均在左右侧壁处,位移最大值基本相同且均在上壁。位移最大值与应力最大值位置不同的原因是,弹性变形阶段应力与应变成正比,位移是应变的累加(积分求和),井周一点应力最大时,对应的应变值最大,而变形过程中应变的累加值不一定最大。上壁的应力值虽然小,但是应变的累加总值大,造成上壁总位移大。

图5 井眼沿最大、最小及中间水平地应力方向(从左到右)的等效应力和位移云图Fig.5 Equivalent stress and displacement contours of the borehole along the maximum,minimum,and intermediate horizontal in-situ stress directions (from left to right)

由图4(a)可知,3 种情况下井周等效应力最大值均在0°和180°处,井周等效应力最小值均在90°和270°处。其原因是井眼处水平地应力越小,

图4 井周等效应力、位移随井周角的变化曲线Fig.4 Variation curves of the equivalent stress and displacement around the well with the angle around the well circumference

水平地应力与上覆地层压力差值就越大,井周等效应力值也就越大,且左右侧壁处的应力集中较上下壁更加明显。3 种情况下井周位移值基本一致,且在井周90°位置处位移值最大,井周270°处位移值最小。3 种情况下井周位移值基本一致的原因是研究区3 种情况下水平地应力相差不是特别大,且钻井液柱压力相同,在弹性变形的范围内节点总位移基本相同;上壁位移大于下壁位移原因是上壁相对于下壁来说约束少,节点位移相对偏大。研究区水平井钻进过程中不同井眼方位对井壁煤粉产出的影响较小,井眼沿不同地应力方向的井壁节点位移值基本相同,从井周应力分布方面来看,井眼方位沿最大水平地应力方向时,井周等效应力差值最大,应力集中最明显。因此,建议研究区水平井钻进时,井眼方位沿最小水平地应力方向。

为研究不同井眼半径和钻井液密度对钻井方位数值模拟结果的影响,开展了2 组相应的数值模拟。1 组数值模拟设置井眼半径为130 mm,其他参数不变,另一组设置钻井液密度为1.04 g/cm3,其他参数不变。2 组模拟得出的井周等效应力、位移沿井周角的变化曲线与图4(a)基本一致,不同井眼大小、钻井液密度情况下,钻井方位对煤粉产出的影响规律是一致的。

3.2 钻井液密度对井壁煤粉产出的影响

一般情况下因钻井液密度不适合造成的井壁围岩失稳可以分为两种情况:一种是剪切破坏,其原因是钻井液密度过小,导致井壁岩石的剪切强度小于井眼周围岩石的剪切应力;另一种是钻井液密度过大,会在井壁上产生拉伸应力,导致拉伸应力大于拉伸强度而破坏[39]。因此,为避免井壁失稳,钻井液的密度应该维持在一个合适的范围内。现场测量研究区煤层气井水平段钻井液密度范围为1.01～1.04 g/cm3。为研究钻井液密度对井壁煤粉产出的影响规律,选择1.01 g/cm3、1.02 g/cm3、1.03 g/cm3、1.04 g/cm34 组钻井液密度,开展相应的数值模拟。由井周等效应力、位移沿井周角的变化曲线[图4(b)]分析不同钻井液密度对井壁煤粉产出的影响。

由图4(b)可知,钻井液密度在1.01～1.04 g/cm3时,井周等效应力最大值均在0°和180°处,最小值均在90°和270°处;井周位移最大值均在井壁90°处,最小值均在270°处。随着钻井液密度的增大,井周等效应力值逐渐变小,位移值逐渐变大。模拟结果显示,4 种情况均未产生塑性应变,说明均未出现井壁失稳。从力学方面表明,研究区水平井水平段清水钻进可满足井壁稳定的要求,这与现场实际情况相符合。钻井液密度过大会导致井壁拉伸破坏。

模拟显示,钻井液密度为3.0 g/cm3时,井周上下侧壁出现塑性变形区,井壁发生失稳破坏。此时井周等效塑性应变随井周角的变化曲线如图6所示。由图6可知,钻井液密度过大会导致井壁发生破坏,如钻井液密度达到3.0 g/cm3时,井周90°和270°位置附近出现了明显的塑性变形,已出现失稳破坏。原因是钻井液柱压力过大时产生的拉伸应力大于井壁拉伸强度,导致井壁发生拉伸破坏。

图6 等效塑性应变随井周角变化曲线Fig.6 Variation curve of equivalent plastic strain with the angle of the well circumference

3.3 井眼大小对井壁煤粉产出的影响

研究区水平井水平段井眼半径实际为85.7 mm。为研究井眼大小对井壁煤粉产出的影响,取4 组井眼半径,分别为85.7 mm、100 mm、115 mm、130 mm,开展相应的数值模拟。模拟结果显示,4 种情况均未出现塑性应变,说明井壁未失稳。由井周等效应力、位移沿井周角的变化曲线[图4(c)]可知,随着井眼半径的增大,井壁围岩的应力值和位移值变大。4 种情况下井周等效应力最大值均在0°和180°处,井周等效应力最小值均在90°和270°处,且随着井眼半径的增大,井周等效应力值增大。4 种情况下井周位移最大值均在井周90°处,位移最小值在270°处,且随着井眼半径的增大,井周位移值增大。原因是井眼半径越大,井壁应力集中现象越明显。井眼半径对井壁煤粉产出的影响较大,水平井钻进过程中井眼半径越大,围岩越不稳定,越易产生煤粉。

3.4 井斜大小对井壁煤粉产出的影响

研究区煤层倾角在5°左右,水平井水平段与煤层平行时井斜角度为85°。为研究水平段井斜对井壁煤粉产出的影响,选择3 维模型,开展了3组井斜角度分别为85°、87.5°和90°的数值模拟,模拟结果(图7)显示,3 种情况均未出现塑性应变,说明井壁未失稳。

图7 井斜85°、87.5°、90°等效应力和位移云图Fig.7 Equivalent stress and displacement nephogram with well inclination of 85°,87.5° and 90°

为了进一步查明不同井斜对井壁煤粉产出的影响,取3 维模型Z=2 m 剖面处的应力和位移,绘制井周应力、位移随井周角的变化曲线[图4(d)]和井周应力、位移随节点距井眼中心距离的变化曲线(图8)。

图8 等效应力、位移随节点距井眼中心距离变化曲线Fig.8 Curves of equivalent stress and displacement with distance between node and borehole center

由图4(d)可知,3 种情况下井周等效应力最大值均在0°和180°处,井周等效应力最小值均在90°和270°处,且随着井斜的增大而变小。3 种情况下井周位移最大值和最小值所在位置不同,但井周位移随着井斜的增加而总体增大。由图8可知,井周等效应力和位移值随节点距井眼中心距离越远而越小。在节点距井眼中心距离大于600 mm时,应力趋于一致。水平井钻进过程中井斜对井壁煤粉产出的影响大,井斜90°时井周节点位移约为85°时的6 倍,井斜越大,围岩越不稳定,越易产生煤粉。建议研究区水平井钻进时,水平段井眼倾角尽量与煤层倾角保持一致。

4 结 论

基于Drucker-Prager 准则,利用有限元软件ANSYS 建立了水平井水平段井眼的数值模拟模型。分析了钻井方位、钻井液密度、井眼大小及井斜对井壁煤粉产出的影响。得到如下结论:

(1) 研究区内井眼大小和井斜对井壁煤粉产出的影响较明显,而井眼方位和钻井液密度对井壁煤粉产出的影响较小。

(2) 在井眼方位沿水平方向时,不同参数下的井周位移最大值在井壁最上侧节点处,位移最小值在最下侧节点处;等效应力最大值在井壁最左和最右侧节点处,最小值在最上和最下侧节点处。

(3) 井眼方位沿最大水平地应力方向时,井周等效应力差值最大,应力集中最明显。钻井液密度1.01 g/cm3时已可保证井壁稳定,达到3.0 g/cm3以上时井壁会拉伸破坏。水平井钻进过程中,井眼半径越大、井斜越大,越易产生煤粉。

从减少钻井因素导致煤粉产生方面考虑,根据数值模拟结果,建议研究区水平井钻进时,井眼方位沿最小水平地应力方向,水平段选用清水钻进并且井眼倾角尽量与煤层倾角保持一致。