卸压煤层气地面井的破坏方式探讨

卢军灵 李淑畅

(晋煤集团沁水蓝焰煤层气有限责任公司, 山西 048006)

卸压煤层气地面直井开发技术就是通过保护层的开采卸压效应使得上覆岩层发生移动变形, 进而使邻近煤层出现大量裂隙而产生明显的“卸压增透增流”效应, 从而实现煤层气的大流量抽采, 因此卸压煤层气地面直井抽采将是煤层气开发的一个重要发展方向。但是, 卸压煤层气开发实践中的井孔稳定性问题极为突出, 煤层气井在短期抽采后便失稳破坏而产气中断, 所以卸压煤层气地面井的井孔稳定性问题亟待解决, 而研究煤层气井的破坏方式是基础, 其对卸压抽采煤层气抽采的井位部署和井身结构优化有着重要的意义, 而探讨这些问题的出发点是研究上覆岩层的移动变形特征。

1 卸压开采覆岩移动变形特征

1．1 卸压开采上覆岩层的“三带”分布

煤层开采后, 其上覆岩层要发生移动和变形。经长期观测证实： 覆岩的移动变形具有明显的分带性, 其分布特征与地质、采矿等条件有关。在采用走向长壁全部垮落法开采缓倾斜中厚煤层时, 只要采深达到一定深度, 覆岩的破坏和移动便可出现三个具有代表性的部分, 自下而上分别称为： 冒落带、裂隙带和弯曲带, 一般将这三个部分简称为“三带”(如图1) 。

图1 覆岩破坏移动分带示意图

1．2 卸压开采上覆岩层的移动形式

岩体受采动影响以前都经过多次反复的地质作用, 形成了由结构体和结构面构成的地质体。根据观测和研究的成果分析, 在整个岩层移动的过程中, 开采煤层上覆岩层移动的形式概括为以下几种：

(1) 弯曲： 这是岩层移动变形的主要形式。当地下煤层采出后, 上覆岩层中的各个分层即开始沿岩层层面的法线方向, 向采空区依次弯曲。如果岩层在弯曲过程中所产生的拉伸变形超过了该种岩石的抗拉强度极限, 则岩层内将出现裂隙乃至断裂而使岩层失去连续性, 但岩层仍保持其层状形式。

(2) 冒落： 是指岩体从整体岩层中分离并成块状破碎而垮落下来, 冒落是弯曲形式的发展。此时, 岩层不再保持其原来的层状形式。这是岩层移动过程中最剧烈的移动形式, 它通常只发生在采空区直接顶板岩层中。直接顶板岩层垮落后, 由于破碎而使其体积增大, 充填采空区并促使其上部的岩层移动减弱。

(3) 离层： 采空区上覆岩层由于竖向移动变形的大小和速度不同而使岩层面之间或层理面之间产生的开裂现象称为离层, 离层的发生主要是由于顶板以上拉应力达到层间联结强度所致, 也可由拉剪作用形成不规则的离层, 规模较大的离层是由于采动影响程度较大和岩层的抗弯强度不同而产生的。

(4) 层间错动： 这种移动方式是倾斜岩层或是岩层弯曲后在重力产生的沿层面下滑力的作用下,或者由于移动过程中相邻岩层水平移动的大小或方向不同而使层面或层间软弱带两侧的岩层产生相对滑移而造成, 这类破坏主要发生在不同岩层交界处或软弱面, 而且和岩层倾角关系密切, 岩层倾角越大其沿层面的滑移越明显。

上述破坏形式的出现是由岩体本身的结构特征、物理力学性质和采动影响程度等共同决定, 从力学机理上可归结为四种常见的破坏机制即： 张破坏、剪破坏、结构体滚动和结构体沿结构面滑动。

2 卸压煤层气地面井的受力情况

地面钻井是在井眼中下入各级套管并用水泥环封闭套管与井壁间的空间而形成, 地面钻井的破坏实质上是套管的损坏。卸压煤层气地面井套管失稳破坏的直接原因是煤层开采引起的岩层移动变形,所以卸压煤层气地面井的受力主要是岩层移动变形施加于钻井套管上的外载力。因此, 依据岩层移动变形特征知, 卸压煤层气地面井所受的基本外载力有轴向拉 (压) 力、径向外挤压力、层间滑移剪切力以及它们的共同作用力。

(1) 轴向拉 (压) 力

煤层气地面井的轴向拉力主要是由套管的自重和岩层移动变形引起的松散层疏水压实、厚坚硬岩层下部离层引起, 其中最重要的是离层形成的拉伸应力。

套管受自重的拉伸力在所有油气井都存在, 自重引起轴向拉力是由下而上逐渐增大, 在井口处,套管轴向拉力最大, 其计算如下式：

式中 q——套管名义单位平均重量 (包括接箍在内) , kg/m;

L——套管长度, m;

T——井口处套管轴向拉力, kg。

考虑浮力时, 套管柱在泥浆中的重量计算如下式：

式中 γm——泥浆密度, g/cm3;

γs——套管钢材密度, g/cm3;

Tb——套管在泥浆中的重量, kg。

松散层的疏水固结沉降理论上会对钻井套管产生轴向压力。在厚松散层发育区, 煤层开采引起的岩层移动沟通了地层水力联系, 致使松散层中的水沿着导水裂隙排出。随着大量松散层中水的流失,松散层中的有效应力增大, 松散层趋于压实, 由于套管固结在井筒中, 所以, 套管随固井水泥环一起变形。由于钢的强度高, 因而上覆岩层负荷集中于套管上, 引起套管轴向压缩应力, 并且松散层压实的程度越大则钻井套管受到的压力就越大。如果施加于套管上的压力超过了套管的极限强度, 套管就会发生弯曲变形或者脆性破裂, 但是这种情况在实际中很少发生, 目前套管基本上能够抵抗轴向压缩变形。

岩层离层的发生使得钻井套管受轴向拉伸力的作用。离层是采动覆岩移动变形的主要形式, 是由于岩层的竖向变形和速度差异而产生, 主要发生于上下岩层岩性及厚度差异较大的地层之间, 而且二者岩性和厚度差异越大则离层越明显, 套管所受的拉伸力就越大, 套损的可能性就越大 (如图2) 。

图2 卸压开采覆岩离层与套管缩径变形

(2) 径向挤压力

径向挤压力主要是由于强大的地层流体压力和易流变的泥岩、盐岩在地应力作用下蠕变产生的,常规油气井套管很大一部分是受径向挤压力而破坏的, 这种径向挤压破坏主要发生于地应力较大的深部地层, 而且这种力随着时间的增加逐渐增大。卸压煤层气地面井的深度普遍较浅, 因而煤层气地面井不像石油天然气井那样会受到较大的挤压力, 虽然岩层移动的结构体滚动和转动也可以形成径向挤压力, 但是这种挤压力仍然较小, 而且也不普遍。所以径向挤压力不是卸压煤层气地面井的主要破坏力。

(3) 层间滑移剪切力

层间滑移剪切力主要是受卸压开采的层间滑移造成, 层间滑移是岩层移动的主要形式, 因而套管受层间滑移剪切破坏也最普遍。层间滑移剪切力对卸压煤层气地面井的破坏是最重要的, 受层间滑移剪切力破坏较严重的淮南矿区有90%以上的井孔因此破坏; 另外其对井孔的破坏程度最严重, 受该力破坏的井孔大多被直接错断而停止产气。

(4) 双轴共同作用力

煤层开采造成的岩层移动变形很复杂, 所以施加于套管上的载荷不可能为单一的轴向拉力、径向挤压力或者剪切力, 往往是诸多力共同作用的情况较多。双轴作用力是指套管在受轴向力的同时,套管还受径向上的挤压力或者剪切力的作用。研究表明,当有轴向载荷作用时,套管的抗挤抗剪强度大幅下降,所以这种双轴作用力对套管损坏影响很大。

3 卸压煤层气地面井破坏方式

常规油气田开发中套管破坏主要是由于地应力作用或是注水使泥岩段膨胀、蠕变而挤毁、剪毁套管, 或是套管受化学、生物腐蚀作用受损, 煤层气地面直井的破坏可部分借鉴常规油气井的套损经验, 但是两者在破坏主因上存在较大的差异, 煤层气地面直井由于受到煤层采动引起的岩层移动的影响, 套管的破坏方式主要体现在力学因素的损坏,套管的受力情况诸如以上所分析, 因而与之对应卸压煤层气地面井的破坏方式有下面四种：

(1) 轴向拉伸力引起的变形破坏, 这种破坏方式主要是由岩层采动的离层造成, 其破坏形态主要是缩径变形 (图3) 。

(2) 径向挤压力引起的变形破坏, 破坏形态主要是椭圆形变形、径向凹陷变形和弯曲变形。这种破坏方式目前不是卸压煤层气地面井的主要破坏方式, 可以暂时不做重点考虑, 但是以后随着煤层气井向深部发展, 径向挤压力破坏将会转变成煤层气井破坏的主要方式 (见图4、图5、图6) 。

图3 套管缩径变形

图4 套管椭圆形变形

图5 套管弯曲变形

(3) 层间剪切力引起的变形和错断破坏, 这是受上覆岩层的层间滑动造成, 破坏力较弱则为弯曲变形破坏, 若破坏力较强则发生错断破坏 (图7) 。

(4) 双轴作用下的错断破坏, 在轴向拉力的作用下套管的抗挤抗剪强度下降, 所以导致套管主要发生错断破坏。

图6 套管径向凹陷变形

图7 套管错断 (据刘合, 2003)

上述四种破坏方式中, 对煤层气井影响最大的是轴向拉伸破坏和径向剪切破坏, 以及二者的共同作用, 同时, 也可看出卸压煤层气地面井套管的破坏形态主要是错断和变形两种, 并以错断为主。套管错断对煤层气井的影响不必多说, 而对于套管变形, 由于一定程度的变形对气井影响并不大, 所以煤层气井可以允许小幅度变形, 但是套管的变形是随着煤层的采动不断地变化的, 随着采动的进行,套管的轻微变形可能逐渐演变为严重变形而影响产气。另外, 值得注意的是套管变形若是发生在套管接头处, 会使套管产生密封性破坏, 可能导致水或者泥砂进入井孔堵孔而停止产气, 所以变形也应该引起足够的重视。

卸压煤层气地面井的破坏除受轴向力、层间剪切力以及双轴作用力外, 也会像常规油气井那样受到化学腐蚀作用和机械磨损作用, 但是相对于煤层开采造成的岩层及应力的剧烈调整对井孔的影响而言太小, 可以不作为重点研究对象。

4 结论

(1) 受煤层采动影响, 上覆岩层移动变形形式主要表现为弯曲、冒落、离层、层间滑移。

(2) 依据岩层移动变形特征, 卸压煤层气地面井所受的基本外载力有轴向拉 (压) 力、径向外挤压力、层间滑移剪切力以及它们的共同作用力。

(3) 根据卸压煤层气井的受力情况知其破坏方式有： 轴向拉伸变形破坏、径向挤压变形破坏、层间剪切变形和错断破坏、以及双轴共同作用下的错断破坏, 其中径向挤压变形破坏目前不是卸压煤层气地面井的主要破坏方式, 可以暂不做考虑。

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