煤层安全钻进工艺.doc

中国石油西部钻探吐哈钻井公司

论文题目
煤层安全钻井工艺技术
姓名
赵福

二○一○年七月

15

目录
第1章 绪论 1
第2章 煤岩的结构构造特征 2
第3章 煤层段井壁坍塌机理 4
3.1 煤层井壁坍塌化学与力学机理 4
3.3 吐哈地区煤层井壁坍塌机理 5
3.3.1 吐哈地区柯柯亚煤层结构特征 5
3.3.2 吐哈地区煤层井壁失稳机理 6
第4章 煤层防塌钻井技术 9
4.1 煤层防塌钻井工艺措施 9
4.2 煤层防塌钻井液性能 11
第5章 结论与建议 12
致谢 13
参考文献 14

摘要
井壁稳定问题是石油钻探行业全球性普遍存在的问题。目前由西部钻探工程有限公司吐哈钻井公司承钻的吐哈盆地柯柯亚地区，由于该地区地壳运动剧烈频繁，具有地层老、可钻性差、煤层埋藏深且单层厚、储层压力低地层压力复杂，侏罗系地层广泛分布着较厚的煤层等地质特征，，造成钻进过程中出现煤岩坍塌卡钻、井漏、煤层气侵等问题，极大的影响了钻井过程的进行，给公司造成了极大了损失。
为了减少钻井复杂问题的发生，提高钻井速度，本文对国内外煤层钻井的现场经验和资料进行了调研，并在此基础上，对煤层坍塌的化学机理和力学机理分别进行了阐述，并结合吐哈地区三间房组、西山窑组的煤层性质对钻遇煤层的井壁失稳机理进行了分析论述，以及在钻遇煤层防塌方面的技术作了简单的分析说明。
关键词：煤层；煤岩；坍塌；卡钻

第1章 绪论
井壁失稳一直是困扰着石油工业界的一个重大难题，根据保守的估计，井壁失稳每年约会给世界石油工业造成约5-6亿美元的损失，而造成井壁失稳的原因主要有天然的和人为的两个方面，在天然因素方面有：地质构造的类型和原地应力、地层的岩性和产状、含粘土矿物的类型、弱面的存在及倾角、层面的胶结情况、地层强度、裂隙节理的发育情况、孔隙度、渗透性及孔隙中的流体压力等。在人为因素的方面有：钻井液的性能（失水、粘度、流变性、密度）、钻井液的成分、井周钻井液侵入带的深度和范围、井眼裸露的时间、钻井液的环空返速、对井壁的冲蚀作用、循环动压力和起下钻的波动压力、钻柱对井壁的摩擦和碰撞等。
新疆吐哈地区的井壁失稳问题主要发生在煤层，曾多次发生煤层坍塌造成接单根困难，起下钻遇阻，遇卡，憋泵等事故和井下复杂情况，在钻井过程中，煤层的坍塌造成井眼直径扩大严重，井身质量差，在煤层局部还形成“大肚子”和“糖葫芦”井眼，钻井液的上返速度差异比较大，严重影响钻井液携岩效率，水泥浆顶替返速达不到要求，难以保证固井质量，这不仅给井下安全带来极大的威胁，同时在吐哈油田地区发生的煤层坍塌卡钻也给吐哈钻井公司造成了极大的经济损失。

第2章 煤岩的结构构造特征
煤是一种含多孔介质的大分子聚合物，是植物遗体经过复杂的生物化学作用、地质作用转变而成的层状固体可燃矿产，同时它也是一种非常复杂的有机岩石，是由很小的显微组分——煤的基本微观结构组成。煤的基本微观结构由各种各样的岩化植物碎屑组成，诸如孢子、花粉、蜡、表皮和树脂等。煤的基本微观结构可分为三个主要类别:镜质组、惰质组和类脂组。所有这些都可以进一步分为煤的单一基本微观结构。特征相似的煤的微观结构可以组成显微镜下可观察的单元，称为显微煤岩，这类似于沉积岩(如砂岩)中的薄层。显微煤岩进一步结合形成少量宏观的可见单元，称为煤岩。
煤层结构主要可分为两类:不含夹石层的称为简单结构,含夹石层的称复杂结构。夹石也称夹矸，常见的是粘土岩、碳质泥岩、泥岩和粉砂岩。
煤层沿走向和倾向一般呈层状、似层状展布或分叉、复合、尖灭，有的呈透镜状、豆状、鸡窝状、串珠状。煤层中一般有两种裂缝系统，一是由地质构造作用造成的，其力学性质可以是压性、张性或剪性的。一是在煤化作用过程中，煤中凝胶化物质受温度和压力等因素影响，体积均匀收缩产生内张力而形成的，力学性质是张性的，按成因分类，前者为外生裂隙，后者为割理。为形象的描述这两种裂缝系统，以切片面包来比喻，如下图所示，煤片之间的空间是裂缝——面割理；煤片内部空间——次级割理；当煤暴露在应力时，就产生了地质构造裂缝。通常煤岩中存在有两组近于垂直的割理，主要裂隙组面割理发育较完善，延伸可达数百米，端割理组发育在面割理之间，沟通了面割理。通常面割理方向的渗透率比端割理方向的渗透率高出几倍具至一个数量级。除割理外，煤层还常发育有节理/次级节理等裂隙。这些裂隙相互交叉切割，形成了复杂的裂隙系统。由于割理和节理裂隙的作用，煤体被切割成为一个个不连续的近似斜方体的小块，破坏了煤层的完整性，使煤层具有破碎易塌的特点。

图1 煤岩的三种裂缝示意图
通过资料调研，对吐哈露头煤试样的观察知道，煤结构上的呈不连续性，岩体被许多层面和节理面所切割，切割节理单元之间距离2～10 mm之间，吐哈地区煤层属于节理裂隙发育的易破碎地层。

第3章 煤层段井壁坍塌机理
煤系地层钻井井眼不稳定是较为普遍的现象。煤系地层坍塌与泥页岩坍塌在机理上有本质的区别，但也有相似的影响因素。其主要的问题是割理、裂隙发育，岩石脆性大、强度低，在地层应力作用或其他外界因素影响下很不稳定。
3.1 煤层井壁坍塌化学与力学机理
煤层节理、微裂缝发育，毛细管效应突出，比表面大，易吸附水，造成煤层井壁坍塌的化学机理主要有以下几方面：
⑴ 毛细管效应
⑵ 水化膨胀作用
⑶ 胶结物的溶解
⑷ 原油的溶解、溶胀作用
节理与裂缝发育的煤层呈条带状，线状（树枝状），有新口，胶结疏松，脆性大，造成煤层坍塌主要的力学机理如下：
从断裂力学分析，节理煤层的井壁失稳过程与砂岩储层以及普通节理地层(节理之间没有相互贯通)的井壁失稳过程存在区别，如下图。常规砂岩的井壁失稳一般分为4个环节:①在应力的作用下，岩石的局部产生微裂纹；②应力的持续作用，导致微裂纹的扩展③微裂纹之间相互沟通，形成大裂纹；④井壁坍塌。而普通节理地层，由于己存在微裂纹，因此只有微裂纹扩展、沟通成大裂纹和井壁坍塌3个环节。而节理煤层不仅存在裂纹，而目裂纹之间己经相互贯通，因此只有微裂纹沟通成大裂纹和井壁坍塌两个环节。

图2 几种地层井壁失稳过程
鉴于煤层中存在大量微小的正交割理组，割理一旦张开或延展就会相互沟通，极易造成井壁大面积坍塌。因此假设:只要裂纹开始扩展，就视为裂纹己破坏，由此造成节理煤层井壁失稳。
钻井过程中，由于机械振动、摩擦、钻头切削等作用，会促使煤层沿断口破碎，并产生出次生裂缝，加剧煤层坍塌。
3.3 吐哈地区煤层井壁坍塌机理
针对吐哈地区煤层不稳定这一问题，本文借鉴由我的研究生导师王平全博士撰写的的一篇关于《吐哈盆地西山窑八道湾煤层井壁不稳定机理探讨》文章探讨分析。
3.3.1 吐哈地区柯柯亚煤层结构特征
吐哈地区柯柯亚构造位于丘陵构造带西段，柯柯亚构造圈闭形成于中晚燕山期，定型于喜山期，自侏罗系至三叠系均有发育，随着埋藏深度的增加，圈闭由背斜向半背斜、断鼻过渡，地层倾角逐渐变缓。在八道湾组气层顶构造图上表现为一个断鼻构造，北、西方向为控制圈闭的柯北断层和柯西断层。

表1 柯柯亚煤层段地层剖面
层位
岩性剖面
界
系
统
组
代号
厚度（m）
岩性简述
油气层段
中生界
侏罗系
中统
西山窑组
J2x
800-1600
上部灰绿色-棕红色泥岩，下部灰绿、灰色砂砾与灰绿色泥岩互层、含煤线、底部夹多套薄煤层
气、油
下统
三工河组
J1s
100-450
灰绿-灰黑色泥岩与薄层砂岩互层夹煤层
气、油
八道湾组
J1b
200-400
上部灰色细砂岩与泥岩互层，下部灰色砂砾与泥岩夹薄煤层
气、油
对于吐哈盆地煤层组煤岩的特征，我的导师曾经对西山窑(J2x)组厚层煤做了X—射线衍射、铸体薄片、红外光谱、元素分析、扫描电镜(SEM)等一系列实验，对煤的芳构化程度、各元素的存在状态及其含量、煤岩裂缝、孔隙等进行了较全面的分析研究，主要研究结果如下:
㈠ 煤层岩性特征及类型
八道湾煤层:煤呈黑色，沥青—玻璃光泽，条带状构造，多为贝壳状断口，节理发育，比重1. 398；显微煤岩类型以微镜煤为主。
西山窑煤层:煤呈黑色，沥青—暗淡光泽，内生节理发育，条带状构造，贝壳状—参差状断口，比重较大。显微煤岩以富含镜质组的微镜丝煤为主。
㈡ 各元素存在状态及含量
西山窑组(J2x)煤中碳元素含量高达56～84%，按Bovrten-stein分类法，可以判断西山窑组煤处于长焰煤阶段。
3.3.2 吐哈地区煤层井壁失稳机理
吐哈盆地下侏罗系西山窑、八道湾煤岩中含有高岭石、绿泥石、伊利石和少量伊蒙混层等粘土矿物，也含有方解石等非粘土矿物。造成其不稳定机理主要为:
⑴ 物理因素：煤层呈条带状，线状（树枝状），有新口，节理微裂缝发育，胶结疏松，脆性大，当钻开煤层时，泥浆滤液沿裂缝进入，降低了煤层之间的胶结力，在外力作用下易发生破裂，造成坍塌。
⑵ 化学因素: 煤层节理、微裂缝发育，毛细管效应突出，比表面大，易吸附水，促使煤中K+、Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子释放，水化作用极易沿混层粘土矿物膨胀层间富Na+、Ca2+裂缝进行，造成突发性剥落坍塌，当泥浆pH值过高时，OH-与层面负电荷较高的氧原子可以形成强烈的氢键作用促使层间水化作用，此外OH-与粘土矿物晶体断面处的不饱和铝离子发生作用，导致边缘区负电荷增加，促使水化作用深入扩展，也可与伊利石四面体中的铝离子发生较强的作用，高pH值还会促使煤中的腐殖酸溶解，同样也会促使煤层坍塌，煤层中含有各种粘土矿物，造成水化极不均匀，导致煤层局部强度下降，造成坍塌，高温加剧煤层的水化作用，加剧煤层坍塌。
⑶ 力学因素： 节理与裂缝发育的煤层，受高压射流的作用，极易破碎。因此，钻进煤层时，喷射速度过高或起下钻速度过快等因素都会造成坍塌，此外，如果泥浆密度过低，不能平衡煤层的坍塌压力，同样会造成井塌，特别是当煤层处于强地应力作用下。
⑷ 机械因素： 钻井过程中，由于机械振动、摩擦、钻头切削等作用，会促使煤层沿断口破碎，并产生出次生裂缝，加剧煤层坍塌。
⑸ 力学与物理综合因素:在压差作用下，水进入煤层，对煤体应力有影响，一是水进入煤层使煤湿润膨胀，导致煤体应力的增加，二是煤湿润后，弹性模量减小，从而使煤体应力降低，当前一因素对应力的影响大于后一因素的影响时，煤体湿润区将形成应力集中，而在其附近形成减压区；反之，当后一因素的影响大于前一因素的影响时，则湿润区为减压区，而在湿润区的边缘形成增压区，无论那一种情形，都是煤层失稳的潜在因素。

第4章 煤层防塌钻井技术
煤岩是破碎性易坍塌岩体，井壁极易失稳，所用钻井液类型及性能,钻井工艺措施、钻柱的机械碰撞等均会对煤岩稳定性产生影响。根据煤岩井壁坍塌机理，稳定煤层井壁的钻井技术包括完善的钻井工艺措施和良好的钻井液性能。
本文以柯19-4井为例，对煤层防塌钻井技术进行分析探讨，柯19-4井位于吐哈盆地巴喀油田丘陵构造带柯柯亚构造，是一口采气井，井型为直井，设计井深3810米，完钻井深3758米，于2009年5月20日一开， 2009年9月17日完井，钻井周期120天，平均机速2.36m/h。
4.1 煤层防塌钻井工艺措施
煤岩是破碎性、易坍塌岩体，井壁极易失稳，所用钻井工艺措施(钻柱组合，水力参数等)，钻柱的机械碰撞等均会对煤岩稳定性产生影响。
针对煤层段钻进防塌工艺措施主要有以下几方面：
(1) 平衡地层压力是安全钻井的基础。作好dc指数的检测分析，确定合理的井身结构，通过资料调研发现，对于吐哈地区的节理煤层进行离散单元计算比较贴近实际，计算出的煤层段井壁不不现掉块的当量密度为1.5g/cm3；
(2) 煤层段钻进应尽量采用简化的钻具组合，减少扶正器和钻铤的数量，柯19-4二开基本采用单二结构的的钻具组合，Φ216mm3A +Φ178mmDC×2根+Φ216mmF +Φ178mmDC×1根+Φ159mmDC×9根+127mmDP，这样不仅有效增大了环空间隙，保证携岩的顺畅，还有一定的防斜作用；
(3) 对于钻具组合的设计，建议尽可能的下入优质、耐高温的随钻震击器，但应使随钻震击器避开钻压的受力中和点；
(4) 现场的工程技术人员要对入井的钻头、扶正器等钻具的外径进行准确的测量校验，参数方面尽量降低转速和排量，柯19-4井煤层钻进时的转速控制在90rpm/min，排量控制在36L/s，这样不仅保证了携岩效率，还有效的防止了钻柱和泥浆流态对煤层段井壁的影响；
(5) 煤层钻进，严格执行“进一退二”措施，反复破碎，分散运移，确保井下安全；
(6) 钻进中时刻注意泵压与扭矩变化，发现泵压升高、扭矩增大、有倒车等异常现象时，及时停钻上提钻具；
(7) 钻进过程中，发现返出的岩屑异常，应分析是钻屑还是掉块，不要盲目增加排量。
(8) 接单根前反复划眼，确保井下正常后方可进行接单根作业；
(9) 加强坐岗，发现井漏，立即将钻具提离煤层井段，一旦只进不出，及时将钻具起至套管内
(10) 煤层井段起下钻严格控制速度，要求操作平稳，尽量避免在煤层段开泵。
在钻进过程中，适当降低钻机的转速，控制起、下钻速度，减少钻具旋转和压力波动对煤层井壁稳定性的影响，坚持少进多退、勤拉多划，一方面清除掉井壁上不稳定的岩体，避免集中垮塌，另一方面将坍塌掉块赶至井底加以破碎，尽量减轻或避免井下复杂与事故。
4.2 煤层防塌钻井液性能
煤岩是破碎性、易坍塌岩体，井壁极易失稳，所用钻井液体系及性能，钻井液的流变性和流态均会对煤岩稳定性产生影响。其中，所用的钻井液体系及性能起着至关重要的作用，煤岩井壁稳定的钻井液技术对策是:
⑴ 合理的钻井液密度。柯19-4井的煤层段钻井液密度基本上保持在1.45g/cm3左右，正常维持钻进。
⑵ 钻井液具有强封堵能力及优良造壁性。柯19-4井的钻井液利用磺化沥青、超细碳酸钙、以及高效防塌沥青等处理剂提高封堵能力，提高了近井壁泥饼的致密性，有效的防止煤层坍塌。
⑶ 优化钻井液流变参数。柯19-4井在煤层段的表观粘度控制在40～60mPa·s，动切力控制在30Pa左右，很好的保证了煤层段钻进的钻井液流变性能。
⑷ 良好抑制性。煤岩中粘土矿物含量虽然很低，但泥页岩夹层粘土矿物含量高，水化分散和膨胀性较强，抑制性差的钻井液滤液进入泥页岩会产生水化膨胀压，改变井周应力分布，诱发或加剧井壁失稳，泥页岩坍塌会导致煤岩坍塌，二者相互影响、相互促进，因此，要求钻井液具有良好的抑制性。
⑸ 良好润滑性。保证钻井液良好润滑性，减少钻具与泥饼之间的摩擦力，能减少起下钻阻卡的可能，防止井下复杂情况的发生。
第5章 结论与建议
⑴ 吐哈地区煤岩的弹性模量较低，泊松比较高，抗压及抗拉强度均较低，脆性大，易破碎，而且煤岩原生和次生裂隙系统十分发育，比表面积大，相对吸水量和比吸水量高，膨胀和分散作用弱，属于节理裂隙发育的易破碎、易坍塌岩层。
⑵ 考虑煤岩稳定性时必须同时考虑泥页岩夹层的稳定性，泥页岩和煤层的失稳会相互影响、相互促进。
⑶ 钻井液体系及性能参数、钻井液的流变性及流态、钻柱对井壁的机械碰撞、起下钻速度, 钻井工艺参数等均影响煤岩井壁的稳定性。
⑷ 煤层钻井的钻井液技术对策包括:合理钻井液密度；强封堵能力和优良造壁性；合理流变参数；良好抑制性和润滑性等。

致谢
首先，感谢吐哈钻井公司领导给我在钻井生产前线锻炼实习的机会，让我在生产实践中对整个的钻井工艺流程及实施细节方面获益不少，让我能够对理论与实际间的差别有了重新的认识。
其次，感谢50547队部领导班子的各位成员，谢谢他们在工作上的悉心的指导和生活上的无微不至的照顾，让我感觉到了家的温暖，让我理解了同事间的团结、互助、友爱。
再次，感谢50547队钻工师傅们，他们坚实的臂膀，黝黑的笑脸告诉我伟大的奉献与乐观精神。

参考文献
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