李 寧，鄭何光，盧俊安，邵長(zhǎng)春，何世明

1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒841000

2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500

引言

塔里木油田庫(kù)車北部構(gòu)造帶迪北區(qū)塊2012–2016 年共完鉆7 口井，均鉆遇侏羅系中統(tǒng)克孜努爾組和下陽(yáng)霞組煤層，煤層埋深均超過(guò)3 500 m。由于煤巖特性，鉆進(jìn)過(guò)程中煤層段井下復(fù)雜情況頻發(fā)[1-2]。庫(kù)車北部構(gòu)造帶前期完鉆直井表明：侏羅系煤系地層井壁穩(wěn)定性差，易漏易塌，安全密度窗口窄。為實(shí)現(xiàn)采用水平井高效開發(fā)庫(kù)車北部構(gòu)造帶油氣資源的目的，需要在煤系地層中造斜，因此，開展定向井中的煤層失穩(wěn)機(jī)理及井壁穩(wěn)定對(duì)策研究意義重大。

中國(guó)煤巖埋深普遍較大，埋深千米內(nèi)煤巖資源量不到50%[3-4]。煤巖硬度小、脆性大，加上煤層復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造使煤層內(nèi)容易產(chǎn)生大量?jī)?nèi)生裂隙（面割理和端割理）[5-6]。

裂隙發(fā)育不僅降低煤層強(qiáng)度，還會(huì)增強(qiáng)煤層強(qiáng)度的各向異性，使煤層力學(xué)行為表現(xiàn)出非連續(xù)性。因此，煤層受外力作用時(shí)易破碎，進(jìn)而導(dǎo)致煤層井壁坍塌[7]?，F(xiàn)階段研究發(fā)現(xiàn)煤層井壁垮塌主要由煤層力學(xué)失穩(wěn)導(dǎo)致，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用微觀損傷力學(xué)、結(jié)構(gòu)面力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)及強(qiáng)度破壞理論的近似法等方法研究煤層井壁穩(wěn)定的問(wèn)題[8-10]。

目前，中國(guó)煤層井壁穩(wěn)定問(wèn)題普遍存在，涉及塔里木盆地侏羅系和三疊系、鄂爾多斯盆地山西組及本溪組等多個(gè)地層。在煤層井壁穩(wěn)定問(wèn)題中，有兩個(gè)決定性因素：（1）煤巖強(qiáng)度；（2）煤層地應(yīng)力狀態(tài)。煤層井壁強(qiáng)度與其組成、鉆井液類型和密度有著密切的關(guān)系。

鉆井液對(duì)煤巖的理化作用及力學(xué)作用會(huì)導(dǎo)致煤巖強(qiáng)度降低，煤層井壁極易坍塌[11]。煤層地應(yīng)力狀態(tài)主要包括地應(yīng)力和地層壓力，地應(yīng)力具有各向異性，影響煤層的坍塌壓力和破裂壓力[12-14]。對(duì)于水平井，地應(yīng)力的各向異性會(huì)影響井眼軌跡。

本文以庫(kù)車北部構(gòu)造帶侏羅系煤系地層為對(duì)象，通過(guò)煤巖微觀結(jié)構(gòu)分析和理化性能評(píng)價(jià)明確煤巖失穩(wěn)機(jī)理，建立考慮多割理面影響的煤層井壁坍塌壓力預(yù)測(cè)模型，確定水平井煤層段井壁坍塌壓力和最優(yōu)化鉆井軌跡；以煤巖微觀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)粒度分析優(yōu)選煤層段鉆井液封堵材料，形成煤層水平井穩(wěn)定對(duì)策并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 煤巖失穩(wěn)機(jī)理

庫(kù)車北部地區(qū)侏羅系煤系地層巖石組成復(fù)雜，在鉆進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)井壁坍塌和鉆井液漏失等復(fù)雜事故。

為進(jìn)一步明確煤系地層井壁失穩(wěn)機(jī)理，研究采用X 射線衍射、掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)方法對(duì)煤層巖樣進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)研究及理化性能分析[15]。

1.1 煤系地層微觀結(jié)構(gòu)分析

煤巖的全巖礦物成分，尤其是煤巖中黏土礦物的組成、含量及它們的理化性質(zhì)等對(duì)煤的裂隙、割理的發(fā)育程度和煤巖力學(xué)強(qiáng)度均存在影響[16-19]。利用掃描電子顯微鏡對(duì)煤巖裂隙發(fā)育情況進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 煤巖顯微鏡和掃描電鏡觀測(cè)結(jié)果Fig.1 Coal microscope and scanning electron microscope observation results

煤巖主要發(fā)育微裂隙和呈密集交錯(cuò)網(wǎng)狀分布的交錯(cuò)割理。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)煤巖微觀裂縫的寬度（表1）可知，侏羅系煤巖微觀裂縫寬度集中分布在10 μm 以下，占比94.2%；寬度1～2 μm的微裂縫占比最高，為40.4%；僅有3.8%的局部納米級(jí)裂紋的寬度小于1μm；寬度大于10μm的微裂縫僅占比5.8%。

表1 煤巖微觀裂縫寬度統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of microscopic crack width of coal rock

1.2 煤系地層理化性能分析

對(duì)塔里木油田DB104 井煤層段露頭和煤巖采取沉降抽提法制樣，利用XRD 測(cè)試方法詳細(xì)分析了煤巖黏土礦物的組成及其含量，結(jié)果如表2 所示，塔里木油田DB104 井侏羅系煤巖黏土成分以高嶺石和伊利石為主，無(wú)易膨脹性黏土礦物，初步判斷可知，煤巖失穩(wěn)機(jī)制為力學(xué)失穩(wěn)。

表2 黏土礦物成分XRD 測(cè)試結(jié)果Tab.2 XRD test results for clay mineral composition

表3 給出了煤巖巖屑和露頭清水滾動(dòng)回收率測(cè)試結(jié)果，煤巖巖屑清水滾動(dòng)回收率為90.0%，煤巖露頭為98.2%，明確侏羅系煤巖失穩(wěn)機(jī)制為力學(xué)失穩(wěn)。

表3 煤巖清水滾動(dòng)回收率測(cè)試結(jié)果Tab.3 Coal rock clean water rolling recovery test results

2 考慮多割理面的井壁坍塌壓力模型

根據(jù)煤巖理化性能與微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，煤巖發(fā)育交錯(cuò)割理、不含膨脹性黏土礦物，主要為力學(xué)失穩(wěn)。

為了分析煤層井壁穩(wěn)定性，需要考慮煤巖多割理發(fā)育特征，建立適合于煤巖的破壞準(zhǔn)則，并預(yù)測(cè)坍塌壓力[20-23]。

因此，以Fairhurst 方程為基礎(chǔ)，考慮煤巖的多割理面影響，建立煤層井壁坍塌壓力模型[24]，以確定煤層段井壁坍塌壓力和最優(yōu)化鉆井軌跡。

2.1 煤巖井周應(yīng)力模型

根據(jù)Fairhurst 方程，并將圓柱坐標(biāo)下的應(yīng)力分量轉(zhuǎn)換到弱面坐標(biāo)系中，當(dāng)r=R（井眼半徑）時(shí)，煤巖井周有效應(yīng)力為

由式（1）可知，σr是其中一個(gè)主應(yīng)力，另外兩個(gè)主應(yīng)力為

通過(guò)式（1）～式（3）可以計(jì)算得到煤層井壁的最大和最小主應(yīng)力，再結(jié)合煤巖破壞準(zhǔn)則，即可求得井壁坍塌壓力。

2.2 考慮多割理發(fā)育的煤巖破壞準(zhǔn)則

根據(jù)煤巖微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，結(jié)合Jaeger 提出的單一弱面強(qiáng)度理論，可判定煤巖的破壞分為以下兩種：（1）當(dāng)巖體沿層理面破壞時(shí)，巖體強(qiáng)度受層理強(qiáng)度控制；（2）與常規(guī)層理性巖石不同，煤巖中不僅存在層理弱面，還存在煤巖面割理與端割理弱面，即強(qiáng)度還會(huì)受到割理弱面的影響。因此，應(yīng)同時(shí)對(duì)層理與割理面進(jìn)行破壞判定（i=1，2）

當(dāng)巖體不沿層理面破壞，煤巖強(qiáng)度等于煤巖本體的強(qiáng)度，煤巖破壞可表示為

在煤層巖體破壞判定結(jié)果中，取最小值作為水平井煤層剪切破碎的極限應(yīng)力值，再通過(guò)式（1）迭代即可獲得煤層的坍塌壓力當(dāng)量密度。

2.3 煤系層段水平井井眼軌跡優(yōu)化

根據(jù)侏羅系地層地應(yīng)力大小和地應(yīng)力機(jī)制的解釋結(jié)果可知（圖2），受庫(kù)車山前構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，庫(kù)車北部構(gòu)造帶最大水平地應(yīng)力σH系數(shù)約2.5～2.7，最小水平地應(yīng)力σh系數(shù)約2.1～2.3，垂向地應(yīng)力σv系數(shù)約為2.5，即σH>σv>σh。煤系地層地應(yīng)力狀態(tài)為走滑斷層，由于水平井中地應(yīng)力差值小于直井，在走滑斷層地應(yīng)力機(jī)制下，斜井段的井壁力學(xué)穩(wěn)定性可能優(yōu)于直井。

圖2 地應(yīng)力參數(shù)及地應(yīng)力機(jī)制解釋結(jié)果Fig.2 Formation stress parameters and stress mechanism explanation result

利用完鉆井煤系地層地應(yīng)力方位的解釋結(jié)果（表4），庫(kù)車北部構(gòu)造帶橫向和縱向上煤系層段最大水平主應(yīng)力方位為無(wú)規(guī)律變化，與走滑斷層地應(yīng)力機(jī)制吻合，表明區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。

表4 煤層段最大水平主應(yīng)力方位解釋結(jié)果Tab.4 The interpretation result of the maximum horizontal principal stress in coal seam

為驗(yàn)證煤層段坍塌壓力模型的正確性，將模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)鉆情況進(jìn)行對(duì)比分析，圖3 給出完鉆井坍塌壓力模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)鉆井徑和鉆井液密度對(duì)比分析結(jié)果。由圖3、圖4 可知，DB101 井煤層段實(shí)際鉆井液密度小于坍塌壓力模型預(yù)測(cè)結(jié)果，煤層段井徑擴(kuò)大率大，井壁穩(wěn)定性差。

圖3 煤層段坍塌壓力預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.3 The prediction result of collapse pressure

圖4 DB104 井煤層坍塌壓力當(dāng)量密度隨井斜角和方位角變化預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.4 Prediction results of coal collapse density change with inclination and azimuth of Well DB104

DB103 井鉆井液密度大于模型預(yù)測(cè)坍塌壓力，井壁穩(wěn)定性好，證明同時(shí)考慮層理面和割理面影響的坍塌壓力模型能實(shí)現(xiàn)煤層段坍塌壓力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。將DB104 井巖石力學(xué)參數(shù)（v=0.138，um=0.075，σw=26.1 MPa，Sm=4.9 MPa）和地應(yīng)力參數(shù)代入煤層井壁坍塌壓力預(yù)測(cè)模型，便可預(yù)測(cè)煤層坍塌壓力隨井斜角和井眼方位角變化規(guī)律。沿最大水平主應(yīng)力方位鉆井，且井斜角為45°～80°時(shí)，坍塌壓力當(dāng)量密度較低；結(jié)合地應(yīng)力機(jī)制，為維持斜井段煤層穩(wěn)定性，定向井優(yōu)先推薦沿最大水平主應(yīng)力方位鉆進(jìn)，并建議定向井段沿用直井段鉆井液密度，確保定向井鉆穿時(shí)以相對(duì)較小的井斜角穿過(guò)煤層，降低垮塌風(fēng)險(xiǎn)。

3 煤系地層水平井井壁穩(wěn)定對(duì)策

根據(jù)含瀝青添加劑的鉆井液熱滾煤巖巖屑后的掃描電鏡測(cè)試結(jié)果（圖5），瀝青能有效充填和吸附在煤巖縫隙中，也能很好的黏附于煤巖基巖上。

圖5 含瀝青鉆井液煤巖巖屑熱滾后掃描電鏡測(cè)試結(jié)果圖Fig.5 Scanning electron microscopy test results of bituminous drilling fluid after hot rolling

為確定最優(yōu)鉆井液封堵方案，開展兩批次不同復(fù)配體系和加量條件下鉆井液封堵測(cè)試（圖6）。干粉瀝青+乳化瀝青復(fù)配體系48 h 最大出液量約為6 mL，乳化瀝青+磺化瀝青復(fù)配體系48 h 最大出液量約為1.8 mL，磺化瀝青+乳化瀝青+2 200 目超細(xì)鈣復(fù)配體系48 h 最大出液量?jī)H為1.5 mL。

圖6 封堵材料封堵效果橫向?qū)Ρ葓DFig.6 Horizontal comparison diagram of plugging effect of plugging materials

塔里木油田常用的封堵材料粒度測(cè)試結(jié)果如表5所示，磺化瀝青可充填封堵最小裂紋、干粉瀝青次之、乳化瀝青最大；乳化瀝青和2 200 目超細(xì)鈣封堵1～10μm的煤巖裂縫或割理效率最高；干粉+乳化或磺化+乳化+2 200 目超細(xì)鈣復(fù)配能充填封堵煤層的絕大部分割理和裂縫。

表5 常用封堵劑粒度測(cè)試結(jié)果Tab.5 The particle size test results of commonly used plugging materials

因此，本次研究中優(yōu)先推薦磺化瀝青+乳化瀝青+2 200 目超細(xì)鈣復(fù)配體系，推薦復(fù)配體系封堵材料最小為3%磺化瀝青+3%乳化瀝青+3%2 200 目超細(xì)鈣。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)庫(kù)車北部構(gòu)造帶縱向煤巖厚度統(tǒng)計(jì)可知（表6），J2kz2～J1y2煤層總厚度由48 m 降至9 m，最大單層厚度由7 m 降至3 m；J1y3不含煤層，J1y3和J1y4層段總厚度為200～268 m，平均為220 m，推薦在J1y2煤層段底部開始造斜，既能滿足定向需求，也不會(huì)鉆遇大厚度煤層段，煤層段失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)小。

表6 庫(kù)車北部縱向煤巖厚度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.6 Longitudinal coal thickness statistical data of North Kuche Area

DT2 井是庫(kù)車北部構(gòu)造帶的一口探井，設(shè)計(jì)井型為定向井。該井實(shí)鉆造斜點(diǎn)在J1y2底部，煤層段實(shí)鉆方位135°～145°（最大水平主應(yīng)力方位為133°），井斜角35°～45°，鉆井液密度1.70～1.74 g/cm3，與推薦鉆井方案吻合。

DT2 井進(jìn)入煤層斜井段后，為保證煤層段穩(wěn)定性，扶正器尺寸由311 mm 降低到306 mm，鉆壓降低到30～80 kN，轉(zhuǎn)速降低至30～35 r/min，排量降低至18～22 L/s（圖7）。

圖7 DT2 井煤層斜井段實(shí)鉆情況分析結(jié)果Fig.7 Analysis results of actual drilling of inclined coal section in Well DT2

從DT2 井煤層斜井段實(shí)鉆分析結(jié)果可知，DT2井煤層斜井段綜合應(yīng)用煤層穩(wěn)定對(duì)策后，J1y4下泥巖煤層段鉆遇煤系地層時(shí)井壁穩(wěn)定性好，大部分層段井徑擴(kuò)大率小于20%，平均井徑擴(kuò)大率僅為7.78%，煤系層段鉆進(jìn)無(wú)復(fù)雜，表明本研究提出的針對(duì)庫(kù)車北部構(gòu)造帶侏羅系煤系斜井段井壁穩(wěn)定對(duì)策能有效保證井壁穩(wěn)定。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)和理化性能分析，明確庫(kù)車北部構(gòu)造帶侏羅系煤巖為力學(xué)失穩(wěn)。

（2）考慮多割理面影響的煤層井壁坍塌壓力模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)鉆吻合，推薦煤系層段定向井沿最大水平井主應(yīng)力方向鉆井，井斜角45°～80°。

（3）基于封堵材料粒度測(cè)試結(jié)果和煤巖巖芯封堵測(cè)試結(jié)果，推薦煤層段鉆井液封堵材料復(fù)配體系配方為3%磺化瀝青+3%乳化瀝青+3%2 200 目超細(xì)鈣。

（4）庫(kù)車北部構(gòu)造帶煤系層段定向井推薦造斜點(diǎn)為J1y2底部，并使用欠尺寸扶正器，低鉆壓和低轉(zhuǎn)速等措施以穩(wěn)定斜井段煤巖。

（5）DT2 井煤層斜井段應(yīng)用煤層穩(wěn)定措施后，煤層定向井段井壁穩(wěn)定性好，無(wú)井下復(fù)雜。