影响煤层气钻井工程的工程地质因素分析

孙延明，张遂安，杨红军，董银涛，张 彪，孟凡圆

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249；2.中国石油大学（北京）气体能源开发与利用教育部工程研究中心，北京102249；3.中国石油大学（北京）煤层气研究中心，北京 102249）

影响煤层气钻井工程的工程地质因素分析

孙延明1，2，3，张遂安1，2，3，杨红军1，2，3，董银涛1，2，3，张 彪1，2，3，孟凡圆1，2，3

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249；2.中国石油大学（北京）气体能源开发与利用教育部工程研究中心，北京102249；3.中国石油大学（北京）煤层气研究中心，北京 102249）

为了提高煤层气钻井工程质量，基于沁水盆地煤层气开发工程，探讨了影响煤层气钻井工程的地质因素。认为煤层原地应力、天然裂隙、煤体结构、煤的坚固性系数、研磨性、可钻性等是制约煤层气钻井工程的主要地质因素。通过对沁水盆地影响井壁稳定性和破岩效率特征的工程地质因素进行分析，提出提高煤层气钻井工程质量的对策，为煤层气钻井工程提供参考依据和技术支持。

煤层气；钻井工程；工程地质因素；井壁稳定性；破岩效率

我国煤层气资源量巨大，煤层气的开发利用，可以减轻常规油气开发的压力。目前我国煤层气井一半以上的报废为工程报废：有的因固井质量不合格，有的因钻井原因污染煤层，降低煤层渗透率并导致压力资料求取不准等，因而煤层气钻井工艺技术是煤层气勘探开发的首要环节[1]。煤层气钻井工艺的好坏，直接影响着煤层气井后续生产工艺以及产量，煤层气主控工程地质因素影响着煤层气钻井工艺，因而通过对煤层气开发过程中，主控地质因素的分析，提高井钻井质量，对煤层气开发有着至关重要的作用。

1 煤层气钻井工程面临的问题

由于煤层气机械强度低，裂缝和割理发育，存在较高剪切应力作用，因而煤层段井壁极不稳定，在钻井的过程中极易发生井壁坍塌、井漏、起钻遇卡、下钻遇阻甚至埋掉井眼等井下复杂情况和事故。因此煤层段钻井过程中井壁稳定性是煤层气井的一大难题。此外，在钻井过程中，煤层气破岩效率是影响煤层气钻井速度的重要因素之一，针对不同煤体结构采用不同的钻具，以及随着钻进深度的不断加深，改变钻井工艺，提高钻井速度对于煤层气钻井工程有着重要意义。本文基于沁水盆地煤层气开发工程，分析探讨了影响煤层气钻井工程的工程地质因素，并且提出相应的对策[1-4]。

2 工程地质因素对井壁稳定性的影响

2.1 地应力对井壁稳定性的影响

岩石所处的地应力场一般由垂向应力（συ）、最大水平地应力（σH）和最小水平地应力（σh）组成。根据垂直主应力（συ）和两个水平主应力之间的关系，可以将地应力分为3种地应力类型，即正常地应力类型（συ＞σH＞σh）、走滑地应力类型（σH＞συ＞σh）及反转地应力类型（σH＞σh＞συ）[8-9]。

钻井过程中的井壁稳定性与原地应力有着密切的联系。地应力对井壁稳定的作用一般分为两种，即抗张和压缩作用。井孔周围应力无论超过岩石的抗张强度还是抗拉强度，都会发生井眼破坏[5-7]。以张性破裂为主的井壁破坏，表现为地层原始裂隙微张开，井中钻井液漏失；以剪切破坏为主的井壁破坏作用，表现为井眼崩落，井孔扩大，甚至塌孔[6]。

根据深度与水平最大主应力、水平最小主应力、垂向应力关系的回归趋势线，对三向主应力在不同深度下的最大、最小应力转换条件进行了分析。如图1，通过对回归方程计算可以得到，沁水盆地南部地区，在煤层深度119.42 m与529.28 m处，地应力状态发生了两次根本性转变，由反转地应力类型转化为走滑地应力类型，进而转变为正常地应力类型，如表1所示。在钻井过程中，虽然原地应力状态发生了转变，但总体仍表现为随着深度的增加，原三大主地应力不断增大，且其差异也不断增大，井壁失稳将加剧[10]。

图1 沁水盆地南部煤层深度与地应力关系Figure 1 Relationship between coal buried depth and in-situ stress in southern Qinshui Basin

表1 沁水盆地南部煤层深度与地应力状态对应情况Table 1 Correspondence between coal buried depth and in-situ stress in southern Qinshui Basin

2.2 天然裂隙对井壁稳定性的影响

井壁周围的应力分布是指在钻井过程中，当地层被钻开后，原应力状态被打破，地应力重新分布，近井壁地带出现应力集中。煤层气井与常规砂岩储层的情况是相同的。当地应力重新分布时，近井壁裂纹将受到压剪作用，在裂纹尖端将产生附加的应力集中。从而造成近井壁裂纹受到双重应力的影响，比煤岩基质更易遭到破坏。从断裂力学角度分析，由于煤储层天然裂隙相对发育，煤层的井壁失稳过程与常规的砂岩储层的井壁失稳过程存在差异，具体表现如下：常规砂岩的井壁失稳一般分为四个环节:首先是在应力作用下，岩石的局部产生微裂纹;其次是应力持续作用，微裂纹的扩展;然后是微裂纹之间相互沟通，形成大裂纹;最后是造成井壁坍塌。普通节理地层与常规砂岩储层相比，由于已存在微裂纹，因此只有微裂纹扩展、沟通成大裂纹和井壁坍塌3个环节。节理煤层与普通节理地层相比，不仅存在裂纹，而且裂纹之间已经相互贯通，因此只有微裂纹沟通成大裂纹和井壁坍塌两个环节。因而井壁受天然裂隙影响更大[11-12]。

天然裂隙的发育程度，对于钻井过程中井壁稳定性影响，具体可以分为以下几点：①裂缝可造成井壁的失稳载荷降低。②裂缝倾角的大小对直立井壁的稳定性有较明显的影响，就其影响程度来说，有“水平裂缝＞倾斜裂缝＞直立裂缝”之规律，即随着倾角的增大，裂缝对井壁稳定性的影响减小。③多组裂缝的组合体对井壁稳定性的影响大于任何单一裂缝。④裂缝的密度对井壁稳定性也有较明显的影响，裂缝越密集，井壁就越容易失稳。在无天然裂隙的岩样中，裂缝在拓展的过程中，主要出现最小水平主应力方向，而在天然裂隙密度较大的岩样中，裂缝在拓展过程中，主要沿着天然裂隙进行，在裂纹延伸过程中不断贯通裂隙与割理，最终导致井壁发生大面积的坍塌破坏[13]。

2.3 煤体结构对井壁稳定性的影响

煤体结构指煤层经受地质构造作用后所表现的结构、构造特征。煤体结构决定着煤层的粒度、硬度、孔隙、裂隙、渗透性等物性特征，是煤层气勘探开发非常重要的基础资料。煤体结构分为原生结构煤与构造煤，构造煤又分为碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤三种，手试强度由坚硬逐渐变为疏松，手搓可碾成粉末。

如图2所示，对柿庄南地区煤层气井井径扩大率与煤体结构的对应关系统计，发现煤体结构为原生结构的井，其井径扩大率在1.77%～3.40%；煤体结构为原生-碎裂结构的的煤层气井其井径扩大率在5.22%～7.65%；煤体结构为碎裂-碎粒结构的的煤层气井其井径扩大率在高达12%以上。由此可见，煤体结构作为煤岩综合受力的宏观表现，是决定煤层气井井壁稳定性的一个重要地质因素，煤体结构越好，井壁稳定性越好。

图2 煤层气井井径扩大率与煤体结构关系Figure 2 Relationship between CBM well diameter enlargement rate and coal structure

2.4 坚固性系数对井壁稳定性的影响

在煤矿安全领域，坚固性系数被广泛应用于评价煤与瓦斯突出和井下瓦斯抽放钻孔的孔壁稳定性，基于此认识，本文探究了坚固性系数对煤层气井井壁稳定的影响。

煤的坚固性系数衡量煤岩在几种变形方式的组合作用下抵抗破坏的能力（其值越大，越坚固，抗击破坏能力越强），这种组合作用下煤岩破坏的难易程度与工程实际破坏情况更为接近。沁水盆地南部煤层气井的井径扩大率与对应的煤的坚固性系数的关系（表2）表明，井径扩大率与煤的坚固性系数呈良好的负相关，即坚固性系数越高，井壁稳定性越好。因此坚固性系数可以作为评价煤层气井井壁稳定性的简易评价指标。

表2 煤的坚固性与井径扩大率关系Table 2 Relationship between coal sturdiness and well diameter enlargement rate

3 工程地质因素对破岩效率的影响

3.1 研磨性对破岩效率的影响

岩石的研磨性指的是在机械方法破坏岩石的过程中，钻井工具和岩石产生连续或间接的接触和摩擦过程中，岩石磨损钻头的能力。

通过统计柿庄南地区，煤岩各力学参数随深度变化值，发现随着钻进深度的不断增加，煤岩各力学参数呈增大趋势，煤岩抗压强度与抗拉强度的增加，使得挤压破岩难度增加，煤岩的研磨性增大，破岩效率降低。如图3所示，随钻进深度的不断增加，块状煤屑质量分数逐渐减小，碎块状、颗粒状和粉末状煤屑开始出现且质量分数逐渐增加，进一步说明在钻井过程中，深部煤岩随着钻进深度的不断增加，煤岩更难破碎，因而需要长时间研磨，研磨碎屑变的更细。因此，在钻井过程中，随着钻井深度的不断增加，应选用与岩石研磨性相适应的钻具，可延长钻头钻具的使用寿命，增加破岩效率，提高钻井质量[14]。

图3 煤层深度与钻屑粒度的变化情况Figure 3 Coal buried depth and drill cutting particle size variations

3.2 可钻性对破岩效率的影响

可钻性指的是在一定技术条件下钻进岩石的难易程度，它表征岩石破碎的难易程度。正确评价岩石可钻性是确定钻井参数、选择钻头类型、预测钻井效果及制定钻井工作定额的依据[15]。通过对柿庄南地区可钻极值进行统计，可得到图4，如图所示，随着深度增加，煤岩可钻极值呈增加趋势。分析认为，随着深度的增加，上覆地层压实作用增强，煤层可钻极值增大，煤层段钻进难度增大。因而，随着钻井的不断进行，可以根据可钻极值的变化，及时调整破岩工具类型、改变钻井工艺等，从而提高钻井速度。

4 对策

（1）在分析井壁稳定性问题时，主要考虑地层的坍塌压力。造成井壁坍塌的原因主要有两个：①钻井液密度不合理，井内液柱压力太低，使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏造成的，此时，对于像煤岩这样的脆性地层会产生掉块、井径扩大和卡钻。②井内钻井液柱压力小于煤层的孔隙压力，使井壁岩石产生拉伸崩落。因此煤层气钻井选择井位时，在满足煤层气开发要求的基础上，应该尽量避开天然裂隙发育程度高的位置。在钻井过程中，随着煤体结构及坚固性系数的变化，可以根据坍塌压力与破裂压力及时调整钻井液密度，增强井壁的稳定性。

（2）在分析破岩效率问题时，主要考虑的是煤岩的破岩性与可钻极值。根据测井计算的煤层段的可钻性极值

图4 柿庄南地区可钻性极值变化情况Figure 4 Drillability extremal variations in Shizhuang south area

其中：

式中：W——钻压，kN；N——转速，r/min；EH——钻头比水马力，kW/cm3；ρW——钻井液密度，g/cm3；Qm——排量，L/min；de——钻头喷嘴当量直径，cm；Db——钻头直径，cm。

对通用钻速方程进行了修正，如图5所示，修正过的方程对柿庄地区具有较强的适用性。修正的钻速方程如下：

式中：

图5 可钻极值与煤层深度的关系Figure 5 Relationship between drillability extreme and coal buried depth

当 C=0时，Kd＝1.87，H＝748.03 m。当 H＜748.03 m时，C＞0；H＞748.03 m时，C＜0。根据校正的钻速方程可知：（1）对于煤层段，在保证钻头的磨损不会对钻速造成较大影响的前提下，提高钻压和转速均可以提高钻速；（2）煤层段深度小于748.03 m时，可以通过提高排量来提高钻速；煤层段深度大于748.03 m时，仅增大排量并不能使钻速增高，应该通过增加转速来提高钻速[16-17]。

5 结论

1、研究表明，影响煤层气井壁稳定性的地质因素主要为煤体结构、煤体岩石力学特征、地应力等因素，影响煤层气钻进效率的主要因素为研磨性与可钻性等。

2、在钻井过程中，煤体结构与煤的坚固性系数是评价井壁稳定性的简易指标，煤体结构越好，井壁稳定性越好，煤的坚固性系数越好，井壁稳定性越好。

3、在钻井过程中，随着钻井深度的不断增加，原三大主应力差异不断增大，井壁失稳加剧，应该适当调整钻具与钻井工艺，可以提高井壁稳定性与破岩效率，从而提高钻井质量。

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Analysis of Engineering Geological Factors Impacting CBM Well Drilling Engineering

Sun Yanming1,2,3,Zhang Suian1,2,3,Yang Hongjun1,2,3,Dong Yintao1,2,3,Zhang Biao1,2,3and Meng Fanyuan1,2,3
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249;2.Gas Energy Exploitation and Utilization Engineering Research Center of the Ministry of Education,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249;3. Coalbed Methane Research Center,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249)

To promote CBM well drilling engineering quality,on the basis of a CBM exploitation project in the Qinshui Basin,discussed engineering geological factors impacting CBM well drilling engineering.The study has considered that the main engineering geological factors conditioned CBM well drilling engineering have coal seam in-situ stress,intrinsic fractures,coal structure,Protodyakonov's co⁃efficient,abrasiveness and drillability etc.The paper has analyzed response characteristics impacting drilling engineering in Qinshui Basin,i.e.analyzed engineering geological factors impacting borehole wall stability and rock breaking efficiency features;then pro⁃posed countermeasures to promote CBM well drilling engineering quality,thus provide reference basis and technical support for CBM well drilling engineering.

CBM;drilling engineering;engineering geological factor;borehole wall stability;rock breaking efficiency

TE2

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.12.11

1674-1803(2016)12-0062-05

国家科技重大专项课题资助项目（2011ZX05042-001），2014年度山西省煤层气基金重点攻关项目

孙延明（1991—），男，河南济源人，汉族，硕士研究生。

2016-06-23

责任编辑：樊小舟