钻井液对煤层气井壁稳定性影响实验研究

2011-01-11汪伟英田文涛孙玉英

石油钻采工艺 2011年3期

汪伟英夏健陶杉田文涛马丽孙玉英

（1. 长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北荆州 434023；2.华北油田公司采油工艺研究院，河北任丘 062552）

煤层井壁稳定性是影响煤层气井高效开采的关键问题。井壁稳定性主要取决于岩石强度和原地应力状态［1］。岩石强度不仅与岩石的结构、成分有关，而且与钻井液性质有着密切的关系。煤岩是孔隙、裂缝多重介质，且节理微裂缝发育，当钻开煤层时，钻井液滤液很容易沿裂缝进入，与岩石发生物理化学作用，从而改变岩石的强度。山西沁水煤层气水平井钻井过程中，为避免和减少冲洗液中固相颗粒对煤层的污染，水平井段使用清水钻进。由于清水和地层水在化学组成、总矿化度等方面的差异，当钻井液侵入地层后很有可能改变岩石力学性质及受力状况，使井壁稳定性受到影响。本文以山西沁水樊庄煤层气储层为例，通过对煤岩力学性质及理化性能测试实验，研究了钻井液对煤层井壁稳定性的影响。

1 煤层气储层岩石组成及理化性能实验

1.1 煤岩的组成

以山西沁水樊庄寺河矿煤样为研究对象，分析了煤岩的显微组成和黏土矿物。煤岩的显微组成主要由镜质组和惰质组及少量矿物质组成。矿物质以黏土矿物为主，含少量碳酸盐矿。黏土矿物总量为13.25%，其中伊利石相对含量为29%，高岭石为19%，绿泥石为11%，伊蒙混层为41%。

1.2 煤岩黏土阳离子交换容量

阳离子交换即阳离子交换性吸附，是黏土的重要特征之一，可以用来预测煤层潜在的水敏性。采用氯化铵—酒精分光光度法测试了寺河矿煤岩的阳离子交换容量［2］，范围在4.1667~5.5641 mmol/100 g之间。

1.3 煤岩体积膨胀率

煤岩体积膨胀率反映煤岩遇水膨胀的特性。采用NP-01型常温常压膨胀量测定仪，首先测定膨胀仪空筒的高度H1，称量10 g已经放在电热鼓风干燥箱中干燥好且冷却到室温下的煤粉放入空筒，垫上一片滤纸，用5 MPa的压力压实煤粉3 min，并再次测量装入煤粉并压实后的筒体高度H2。测定了寺河矿煤样分别在蒸馏水、煤层水和配置钻井液的清水中的线性膨胀率，实验结果见表1。由表1可以看出，寺河矿煤岩具有遇水膨胀的特性，在配置钻井液的清水中膨胀率为10.76%，在去离子水中膨胀率更大。结合黏土矿物测定结果以及阳离子交换容量测定结果说明，寺河矿煤岩在低矿化度水中的膨胀主要是煤岩中黏土矿物的膨胀，在水中加入1%KCl可有效降低煤岩膨胀。

表1 寺河矿3#煤层样线性膨胀率测定数据

1.4 煤层水及配制钻井液清水分析

根据已有的钻井资料统计，煤岩中的黏土矿物与钻井液接触后水化反应作用是引起井壁失稳的一个重要因素［3］。黏土的水化作用与含水量、水中离子类型和浓度以及钻井液的性质等因素有关。表2是沁水盆地樊庄煤层水和清水分析数据，可以看出，樊庄清水矿化度远低于煤层水矿化度。

表2 沁水盆地樊庄煤层水及地表水分析数据

2 钻井液对煤岩力学性质影响实验

2.1 钻井液浸泡对煤岩弹性模量的影响

有研究表明，岩石抗压强度与弹性模量之间存在着某种联系。贾德和休伯统计分析了美国矿业局的大量实验结果，认为抗压强度与弹性模量之间的经验关系式为［4］

式中，E为岩石的弹性模量，GPa；σc为岩石的抗压强度，GPa。

根据抗压强度与弹性模量成正比的关系，可以应用岩石弹性模量变化来反映岩石的强度变化情况。

实验首先抽空煤岩，用配制钻井液的清水将煤岩饱和，应用高温高压三轴岩石强度实验装置，分别进行煤岩在清水中浸泡3 h、30 h、52 h、92 h后弹性变形区域的单轴抗压实验，通过对比煤岩在清水中浸泡不同时间后的弹性模量值变化情况，分析煤岩在钻井液中浸泡后的强度变化。本实验所用煤岩为同一块岩样，可以防止由于煤岩个体差异性所带来的实验误差（见图1）。

图1 寺河矿煤样弹性模量与浸泡时间关系

由图1可以看出，当配制钻井液清水与煤岩接触后，对煤岩岩石力学性质存在一定影响［5］。随着浸泡时间延长，煤岩弹性模量逐渐降低。对比煤岩膨胀率测定结果可以认为，这种现象是由于低矿化度的钻井液（清水）与煤岩充分接触后，煤岩发生了黏土膨胀和充填矿物溶解。从力学角度分析，水进入煤割理中引起了煤岩内聚力的降低。这些原因最终使得煤岩弹性模量降低。

2.2 钻井液浸泡对煤岩强度的影响

本实验主要针对在煤层水、地表水、蒸馏水中浸泡24 h的煤样进行单轴抗压强度实验（负荷加载速度0.05 mm/min），研究煤岩在不同性质液体作用下强度的变化情况，从而分析钻井过程中钻井液侵入对煤层井壁稳定性的影响。岩样选用寺河矿的3#煤层煤心（结果见表3）。

表3 煤岩在不同液体中浸泡后的单轴抗压强度

由表3可以看出，煤岩在煤层水、地表水、蒸馏水中浸泡相同时间下，岩石强度依次降低。这一结果说明，煤岩强度与所接触水的矿化度有关。水的矿化度越低，浸泡后煤岩强度越低。对比寺河矿煤岩的矿物组成、阳离子交换容量以及黏土膨胀实验结果可以认为，在钻井液中浸泡后煤岩强度降低的主要原因是煤岩中的黏土矿物与低矿化度的钻井液接触后发生膨胀，引起黏土分散松软，导致煤岩强度降低。