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11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 43.1 煤层井壁坍塌化学与力学机理 43.3 吐哈地区煤层井壁坍塌机理 53.3.1 吐哈地区柯柯亚煤层结构特征 53.3.2 吐哈地区煤层井壁失稳机理 6第4章 煤层防塌钻井技术 94.1 煤层防塌钻井工艺措施 94.2 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J2x800-1600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J1s100-450灰绿-灰黑色泥岩与薄层砂岩互层夹煤层气、油八道湾组J1b200-400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。