宁武盆地4#和9#煤岩坍塌机理

近年来随着煤层气开发规模的不断扩大,钻井时煤层井壁垮塌、失稳甚至井眼报废等问题日益突出,严重制约了煤层气规模化开发。通过对宁武盆地 4#煤岩和 9#煤岩的综合力学参数和理化性能等进行研究,得出了宁武盆地的坍塌机理,提出了宁武盆地煤层气井段安全快速钻进对钻井液的要求,并优选出了一套具有防塌和储层保护效果的封堵型成膜钻井液体系,该钻井液在山西煤层气井武15-1 和武 15-2 等 6 口井进行了成功试验。      

中国煤层气水平井钻完井技术研究进展

为了适应中国煤层复杂的地质条件与储层物性特征，水平井钻完井技术不断得以深化研究与发展，围绕“井工厂”形成了井型优化、储层保护、导向钻井和水平井适应性完井技术，逐渐成为中国煤层气高效开发的重要措施。为煤层气高效开发提供钻完井工程方面的技术支持，通过概述中国煤层气水平井钻完井技术研究进展，重点介绍了煤层气水平井完井技术3项研究成果：(1)形成了煤层水平井双管柱完井与增透一体化技术，在沁水盆地南部应用400余口井，并取得技术与产量突破；开展了井壁煤岩径向循环载荷实验，通过CT扫描技术检测了煤岩裂缝形成与扩展；基于煤岩双孔隙结构、非均质性和孔隙多尺度特征，修正了径向循环载荷下煤岩损伤变量计算模型。(2)提出了径向水平井柔性筛管液压驱动下入方法，优化设计了完井管柱结构与配套工具，建立了管柱-液压耦合计算模型，以深部煤层径向水平井为算例，计算两种完井管柱结构的最大下入长度分别达到381 m、655 m,为径向井筛管完井提供技术指导。(3)提出了复杂煤体结构煤层水平井分段复合完井增透方法，数值模拟了循环冲击波辅助水力压裂煤层裂缝扩展规律，通过该技术使停产井增产至2 000 m³...     

离散单元法评价煤层井壁稳定性

煤层属于裂缝发育的地层,钻井过程中井壁稳定性分析复杂,对煤层井壁稳定性进行评价十分必要。为此采用山西省沁水盆地樊庄3号煤层及取得的基本物理参数和节理参数,利用适合模拟节理煤层的离散元软件UDEC建立直井煤层模型,通过改变井底压力参数来分析井壁位移变化情况,得出了井眼模型宏观变化图像、微观位移矢量图以及8种不同状态下模型应力数据,并定量分析了8种状态下井眼附近离散单元失效情况。综合位移矢量图和定量分析结果,建立了井眼煤岩离散单元安全系数法,评价了煤层井壁在欠平衡条件下的井壁稳定性,评价结果认为：在该煤层参数下煤层井眼的最佳稳定井底压力区间值为4～7 MPa。所建立的评价煤层井壁稳定性方法,可为煤层气气井钻井提供一种井壁分析分析手段。     

P110钢级Ф139.7mm×10.54mm高抗挤套管抗挤毁性能分析及挤毁强度预测

为了研究P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管挤毁位置几何参数对挤毁强度的影响,对套管抗挤毁强度进行准确预测,抽取不同批次试样9根,分别进行拉伸试验、残余应力检测和几何参数测量,并结合套管全尺寸挤毁试验结果,分析了影响该规格套管抗外压挤毁性能的主要因素及套管挤毁失效位置与几何缺陷的关系。此外,还对挤毁压力的理论/实际偏差与管体壁厚、壁厚不均度、管径、椭圆度及残余应力的关系进行了分析,拟合得出P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管挤毁强度更精准的预测公式。结果表明,在屈服强度相近、壁厚不均度在1.35%~9.21%、椭圆度小于0.56%的前提下,P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管的壁厚对抗挤毁强度的影响程度远远大于管体外径、壁厚不均度和椭圆度的影响。     

节理煤层井壁稳定性的评价模型

对节理煤层的井壁失稳机理分析表明,近井壁的裂纹受到地应力和裂纹应力的双重影响,比煤岩块体更容易遭到破坏。用应力强度因子描述了裂纹的受力集中程度,利用强度准则构建了裂纹扩展破坏的判据,据此提出了节理煤层井壁稳定评价模型。该模型可以定量判断节理煤层直井或水平井井壁是否稳定,对其他节理地层的井壁失稳评价也具有借鉴意义。应用该模型并结合实例评价了煤储层水平井的井壁稳定,分析了裂纹倾角、井底压力、裂纹长度和井眼半径对应力强度因子的影响。对于节理煤层水平井,随着井底压力的增加,应力强度因子K_Ⅰ和K_Ⅱ呈线性减小,井壁稳定性变好;随着裂纹长度的增加,应力强度因子K_Ⅰ和K_Ⅱ也显著增加,井壁稳定性变差;裂纹倾角增大,应力强度因子K_Ⅰ减小,而K_Ⅱ增加,裂纹的抗张能力增强,抗剪能力降低,井壁的整体稳定性变差。当井径增加时,K_Ⅱ增加,抗剪能力降低,井壁的整体稳定性变差。节理煤层中井眼存在尺寸效应,煤岩中存在裂纹是其重要原因。裂纹与井径的比值越大,尺寸效应越明显。     

煤层气井钢质筛管与非金属筛管强度对比实验

为了改变煤层气井钢质割缝筛管完井成本高的现状,探索研制较低强度的非金属完井管材进而实现煤层气井的低成本完井,采用电测法对J55钢质筛管和PVC非金属材质筛管的抗挤和抗弯强度进行测定,并对比分析割缝宽度和割缝密度对两类筛管性能的影响规律。结果表明:钢质筛管的破坏形式主要是刚度/径向失稳破坏,主要表现为整体变形或筛管短轴内壁割缝变宽而外侧割缝变窄并伴有缝端撕裂;而PVC筛管的破坏形式主要是强度破坏;无论对钢质筛管还是PVC材质筛管,增加缝宽和缝密都会降低筛管的抗挤、抗弯强度,但PVC材质筛管的强度随缝宽和缝密的变化不及钢质筛管明显,因而优选非金属新材料制作筛管时,可以适当增加缝密和缝宽,以提高筛管过流面积。     

煤层气钻井井壁稳定机理及钻井液密度窗口的确定

在煤层中钻井时,保持井壁的稳定具有重要意义。为此,利用有限元软件分析了近井壁裂纹尖端的受力状况,比较了尖端与井壁两处应力集中的情况,结果表明,裂纹尖端受力高于井壁的应力集中约一个数量级。从断裂力学的角度,研究了近井壁裂纹的扩展,分析了裂纹扩展在节理煤岩井壁失稳中所起的作用,讨论了裂纹表面闭合、孔隙压力及井壁渗透性等因素对井壁失稳的影响。利用经典断裂力学理论即应力强度因子理论和最大周向应力准则,对近井壁的裂纹进行了抽象建模,建立了煤岩井壁失稳的判据。根据失稳判据,提出拉剪破坏压力和压剪破坏压力的概念,两者分别为节理煤层钻井液密度窗口的上下临界值,两者之间为井壁稳定,两者之外便是井壁失稳。利用山西沁水盆地的岩心数据及现场钻井资料进行了实例计算,基于常规岩石力学方法求出的破裂压力和坍塌压力分别为19.1MPa、6.4MPa,而用所建立的方法得到的上下临界压力为18.1MPa、7.6MPa。由此证明了所建立的方法得到的密度窗口小于前者,与实际情况更加相符。     

甲烷气渗流作用对煤岩强度的影响

煤层气井在排采生产阶段,由于甲烷的不断脱附、渗流,煤层孔隙压力和有效应力逐渐发生变化,煤岩力学强度减弱,进而对储层孔隙度、渗透率,甚至井壁稳定性均有一定影响。对煤层气在煤层间的渗流过程与煤岩的力学性质间的耦合关系进行了室内实验,为煤层气井完井、开发等方案制定提供了理论支持。声波发射实验和单轴/三轴抗压实验结果表明,随着CH4流经煤岩岩心时间的延长,煤岩弹性模量逐渐降低,表明煤岩力学强度下降。单轴/三轴抗压实验表明,煤岩的弹性模量和最大抗压强度随围压的下降而减小,且在高围压条件下下降较慢,低围压条件下下降较快。该结果表明,在煤层气生产一定时间后,井下煤层可能产生坍塌、掉块而影响生产作业。     

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随着不圆度和壁厚不均度的增加，套管的临界挤毁压力逐渐减少，并且不圆度对套管抗挤强度影响较大。一般情况下，石油套管同时存在着不圆度和壁厚不均度等初始几何缺陷，这些制造缺陷的存在势必降低套管的抗挤毁性能。API Bul 5C3给出了抗挤强度的计算公式，但仅仅提供了管材屈服强度、管径、壁厚等基本输入参量，而未考虑管体不圆度和壁厚不均度等初始几何缺陷的影响。实践证明，不圆度和壁厚不均度对套管抗挤强度的影响是相当可观的。文章运用有限元法详细研究了初始不圆度和壁厚不均度对套管抗挤强度的影响规律，并提出进一步降低和控制套管初始几何缺陷的工艺措施。     

煤系地层坍塌压力预测与井眼轨迹优化

由于煤岩割理交错发育,采用常规井眼坍塌压力预测模型不能准确指导钻井作业,甚至有可能引发井壁失稳事故。通过分析煤岩理化性能和微观结构,确定井壁失稳类型以力学失稳为主;结合弹性力学、岩石力学、单一弱面破坏准则等理论,建立了煤岩地层水平井坍塌压力计算模型;以DB-X01井、DB-X04井与红河油田煤层段为例,根据所建模型进行井眼轨迹优化,得出最佳钻进井斜角与方位角;结合DB-X01井J₂kz煤层,分析了割理产状、地应力机制以及井眼轨迹对坍塌压力的影响,为煤系地层水平井井眼轨迹优化研究提供参考。     

煤层气裸眼洞穴完井注气增压数值试验

煤层气裸眼洞穴完井在我国的应用效果尚不理想,分析认为,这与我国对该完井技术的增产机理研究不够深入有一定关系。考虑煤岩特有的垂直裂缝系统,基于UDEC软件建立了模拟煤层气裸眼洞穴完井注气增压过程的离散元数值试验模型,模拟了不同地应力条件下,气体注入增压过程中井筒周围煤岩有效应力、孔隙压力和节点位移矢量的分布情况。研究表明:各向异性储层比各向同性储层更容易产生破裂和坍塌,从而更利于洞穴的形成;在垂直裂缝系统中,流体运移速率不同引起的有效应力差异梯度有利于剪切破裂;节点位移矢量分布图能够反映注气增压过程中张性裂缝的形成和发展趋势。所建模型在山西寿阳区块煤层气空气造穴试验井——FCC-HZ04-V井进行了应用,初步预测得到该井在空气造穴后注气增压引起井筒周围张性裂缝延伸25 m,井筒周围25 m范围内煤层平均渗透率较初始渗透率增大7倍,验证了煤层气裸眼洞穴完井注气增压可产生自支撑张性裂缝、消除储层伤害、实现增产的机理。      

渭北煤层气老井改造优化设计与实践

渭北煤层气田传统定向井和直井面临压裂改造效果差、单井产量低等生产难题,根据井网部署和煤层地质特点,提出了适合渭北煤层气老井改造的水平井布井方案。针对渭北煤层气田上部地层漏失、下部煤层埋深和厚度变化大、煤层易垮塌等水平井钻井难点,利用Petrel软件进行地质建模,准确标定煤层层位,通过Landmark钻井工程设计软件计算并精确建立了入靶井斜-靶前距-井眼狗腿度计算图表,实现不同地层倾角、厚度下的井眼轨迹优化设计;配套优选可循环微泡沫钻井液,解决上部地层漏失和煤层垮塌严重问题。现场应用表明,水平段位于煤层以上3 m范围,水平井全井段钻井液漏失量低,钻进速度快;同时通过集成应用分段压裂改造技术,水平井在主力11#煤层横向上可一次改造6口低效生产井,压裂缝网之间和井间干扰明显,有助于增大泄流面积,提高水平井单井产量。     

关于大幅度提高我国煤层气井单井产量的探讨

目前我国煤层气单井产量低,已经成为制约煤层气产业发展的严重障碍。为此,在分析煤层气单井产量形成和控制机理的基础上,剖析了低产的原因：①对于储层条件绝大多数都不如美国的中国煤层而言,游离态甲烷气的渗流在其运移中不占主导地位,而解吸和扩散常常成为其运移的主控因素;②现在所采用的系列开采技术不能直接调控上述主控因素,因而并不完全适用于该类煤层的煤层气开发。进而提出了提高煤层气单井产量的技术思路：借鉴防止煤层瓦斯突出和页岩气有效开发的研究成果和思路,以煤层中长水平井等特殊结构井井筒为依托,将井筒附近20～40 m之内的煤层压裂形成一个由大小不同裂缝构成的裂缝网络,将该区域内的煤层“分割”成若干大小不等的煤块,使每一个大煤块四周的毫米级裂缝与井筒直接相连并与大气相通,在抽排过程中较快形成高温、高压差下煤块内气体的释放,煤块中的各级裂缝加速这个过程,相当于加速了煤块中气体的解吸、扩散、渗流速度,同时因之而增大了煤块的基质渗透率,这又反过来加速了煤层气的解吸、扩散、渗流速度,从而可大幅度提高单井产量。     

煤层气多分支水平井分支井眼重入筛管完井技术

为了解决煤层气多分支水平井分支井眼因重入困难、不能下入筛管、无法实现筛管完井的问题,研制了空心结构的筛管完井重入引导工具,优选了煤层气多分支水平井完井方式,给出了分支井眼重入筛管完井施工步骤,形成了煤层气多分支水平井分支井眼重入筛管完井技术。该技术在沁试12平1井的现场试验结果表明,对比重入引导工具与钻进时MWD测得的井眼轨迹数据可判断是否重入成功,筛管能顺利通过筛管完井重入引导工具下至分支井眼,实现分支井眼筛管完井。研究结果表明,煤层气多分支水平井分支井眼重入筛管完井技术,解决了煤层气水平井分支井眼无法重入、不能实现筛管完井的问题。      

影响煤层气水平井井壁稳定性的地质因素分析

通过煤矿井下实测,直观描述了煤层水平孔的失稳、垮塌特征,统计分析了煤层水平孔稳定性与埋深、煤坚固性之间的关系,并应用晋城地区现有煤层气水平井的实际排采数据进行了对比分析。认识到影响煤层气水平井井壁稳定性的主要地质因素是:小微构造、地应力、埋藏深度,其中小微构造导致水平井眼易穿过构造软煤区,地应力、埋藏深度会增加井壁的受力导致井壁失稳垮塌。研究结果为从地质方面预防井壁失稳提供了理论依据。     

裸眼系列完井方式下鱼骨井产量模型求解方法

为了向鱼骨井完井方案设计提供必要的理论参考依据,建立了鱼骨井产量稳态耦合模型,以裸眼系列完井方式为核心内容,以微元段法为求解手段,定量阐述完井筛管对耦合流动过程的影响,得到了鱼骨井流压分布剖面和流率分布剖面。经分析认识到,完井筛管管外环形空间储层砂堆积层产生的渗流附加压降影响了油藏渗流,井筒流压和流率分布剖面相对于裸眼完井整体下降,影响程度主要取决于储层砂粒度中值和筛管挡砂精度,同时也受到渗流干扰作用的局部控制;完井筛管尺寸、管壁质量交换效应以及基管孔眼参数影响了井筒管流,使得全生产井段井筒流压分布剖面相对于裸眼完井更加陡峭。通过与经典产量解析模型对比计算,证明了本文模型的合理性。     

膨胀波纹管抗外挤强度的影响因素分析

为了找出影响膨胀波纹管抗外挤强度的影响因素,通过ABAQUS有限元软件对波纹管的抗外挤强度进行模拟,研究了波纹管的不圆度、波纹管的壁厚、井筒直径等对波纹管抗外挤强度的影响。结果表明,不圆度和壁厚对膨胀后波纹管抗外挤强度的影响较大,随着波纹管不圆度的减小,波纹管的抗外挤强度迅速的增大,壁厚越大波纹管的抗外挤强度也越大;另外,增大波纹管应用的井筒直径可以有效的提高波纹管的膨胀性能,降低波纹管膨胀后的不圆度,但是大尺寸的井筒直径降低了波纹管膨胀后的抗外挤强度。     

绒囊钻井液处理煤层气钻井上漏下塌地层的施工工艺

煤层气钻井经常钻遇上漏下塌地层,通常采用调换或调整钻井液来防塌控漏,但常常会因目的不一致而难以奏效。为此,针对不同层段漏失与坍塌控制主要需求,通过室内实验优化不同钻井液性能范围及指导配方,配制封堵性能由弱到强5种配方的绒囊钻井液封堵0.1 mm、1.0 mm、2.0 mm宽的裂缝,有针对性地形成了现场新浆配制、老浆维护等工艺,并在多个区域现场完成了超过5井次的绒囊钻井液工艺应用。实验评价结果表明:(1)以封堵相同宽度裂缝至驱压20 MPa的升压周期表征体系封堵性能强弱,优选出随钻控漏、随钻堵漏、静止堵漏3套钻井液配方;(2)以饱和煤柱塞后单轴抗拉强度、三轴抗压强度增幅表征防塌性能强弱,优化出坍塌风险分别为低、中、高煤层适用的钻井液配方;(3)根据钻井液消耗速度优化新浆补充速度,以排量、表观黏度降幅及实验得到提升表观黏度等指标确定优化老浆维护工艺所需的处理剂用量;(4)现场应用效果表明,钻井流体在对付漏失、坍塌地层前,调整好性能,是取得成功的关键。结论认为,通过调节绒囊流体不同的配方可以实现煤层气井内封堵控制漏失、坍塌,该工艺为煤层以及类似破碎性地层稳定井壁提供了技术支撑。