汪偉英 夏 健 陶 杉 田文濤 馬 麗 孫玉英

（1. 長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，湖北荊州 434023；2.華北油田公司采油工藝研究院，河北任丘 062552）

煤層井壁穩(wěn)定性是影響煤層氣井高效開采的關鍵問題。井壁穩(wěn)定性主要取決于巖石強度和原地應力狀態(tài)［1］。巖石強度不僅與巖石的結構、成分有關，而且與鉆井液性質有著密切的關系。煤巖是孔隙、裂縫多重介質，且節(jié)理微裂縫發(fā)育，當鉆開煤層時，鉆井液濾液很容易沿裂縫進入，與巖石發(fā)生物理化學作用，從而改變巖石的強度。山西沁水煤層氣水平井鉆井過程中，為避免和減少沖洗液中固相顆粒對煤層的污染，水平井段使用清水鉆進。由于清水和地層水在化學組成、總礦化度等方面的差異，當鉆井液侵入地層后很有可能改變巖石力學性質及受力狀況，使井壁穩(wěn)定性受到影響。本文以山西沁水樊莊煤層氣儲層為例，通過對煤巖力學性質及理化性能測試實驗，研究了鉆井液對煤層井壁穩(wěn)定性的影響。

1 煤層氣儲層巖石組成及理化性能實驗

1.1 煤巖的組成

以山西沁水樊莊寺河礦煤樣為研究對象，分析了煤巖的顯微組成和黏土礦物。煤巖的顯微組成主要由鏡質組和惰質組及少量礦物質組成。礦物質以黏土礦物為主，含少量碳酸鹽礦。黏土礦物總量為13.25%，其中伊利石相對含量為29%，高嶺石為19%，綠泥石為11%，伊蒙混層為41%。

1.2 煤巖黏土陽離子交換容量

陽離子交換即陽離子交換性吸附，是黏土的重要特征之一，可以用來預測煤層潛在的水敏性。采用氯化銨—酒精分光光度法測試了寺河礦煤巖的陽離子交換容量［2］，范圍在4.1667~5.5641 mmol/100 g之間。

1.3 煤巖體積膨脹率

煤巖體積膨脹率反映煤巖遇水膨脹的特性。采用NP-01型常溫常壓膨脹量測定儀，首先測定膨脹儀空筒的高度H1，稱量10 g已經放在電熱鼓風干燥箱中干燥好且冷卻到室溫下的煤粉放入空筒，墊上一片濾紙，用5 MPa的壓力壓實煤粉3 min，并再次測量裝入煤粉并壓實后的筒體高度H2。測定了寺河礦煤樣分別在蒸餾水、煤層水和配置鉆井液的清水中的線性膨脹率，實驗結果見表1。由表1可以看出，寺河礦煤巖具有遇水膨脹的特性，在配置鉆井液的清水中膨脹率為10.76%，在去離子水中膨脹率更大。結合黏土礦物測定結果以及陽離子交換容量測定結果說明，寺河礦煤巖在低礦化度水中的膨脹主要是煤巖中黏土礦物的膨脹，在水中加入1%KCl可有效降低煤巖膨脹。

表1 寺河礦3#煤層樣線性膨脹率測定數據

1.4 煤層水及配制鉆井液清水分析

根據已有的鉆井資料統計，煤巖中的黏土礦物與鉆井液接觸后水化反應作用是引起井壁失穩(wěn)的一個重要因素［3］。黏土的水化作用與含水量、水中離子類型和濃度以及鉆井液的性質等因素有關。表2是沁水盆地樊莊煤層水和清水分析數據，可以看出，樊莊清水礦化度遠低于煤層水礦化度。

表2 沁水盆地樊莊煤層水及地表水分析數據

2 鉆井液對煤巖力學性質影響實驗

2.1 鉆井液浸泡對煤巖彈性模量的影響

有研究表明，巖石抗壓強度與彈性模量之間存在著某種聯系。賈德和休伯統計分析了美國礦業(yè)局的大量實驗結果，認為抗壓強度與彈性模量之間的經驗關系式為［4］

式中，E為巖石的彈性模量，GPa；σc為巖石的抗壓強度，GPa。

根據抗壓強度與彈性模量成正比的關系，可以應用巖石彈性模量變化來反映巖石的強度變化情況。

實驗首先抽空煤巖，用配制鉆井液的清水將煤巖飽和，應用高溫高壓三軸巖石強度實驗裝置，分別進行煤巖在清水中浸泡3 h、30 h、52 h、92 h后彈性變形區(qū)域的單軸抗壓實驗，通過對比煤巖在清水中浸泡不同時間后的彈性模量值變化情況，分析煤巖在鉆井液中浸泡后的強度變化。本實驗所用煤巖為同一塊巖樣，可以防止由于煤巖個體差異性所帶來的實驗誤差（見圖1）。

圖1 寺河礦煤樣彈性模量與浸泡時間關系

由圖1可以看出，當配制鉆井液清水與煤巖接觸后，對煤巖巖石力學性質存在一定影響［5］。隨著浸泡時間延長，煤巖彈性模量逐漸降低。對比煤巖膨脹率測定結果可以認為，這種現象是由于低礦化度的鉆井液（清水）與煤巖充分接觸后，煤巖發(fā)生了黏土膨脹和充填礦物溶解。從力學角度分析，水進入煤割理中引起了煤巖內聚力的降低。這些原因最終使得煤巖彈性模量降低。

2.2 鉆井液浸泡對煤巖強度的影響

本實驗主要針對在煤層水、地表水、蒸餾水中浸泡24 h的煤樣進行單軸抗壓強度實驗（負荷加載速度0.05 mm/min），研究煤巖在不同性質液體作用下強度的變化情況，從而分析鉆井過程中鉆井液侵入對煤層井壁穩(wěn)定性的影響。巖樣選用寺河礦的3#煤層煤心（結果見表3）。

表3 煤巖在不同液體中浸泡后的單軸抗壓強度

由表3可以看出，煤巖在煤層水、地表水、蒸餾水中浸泡相同時間下，巖石強度依次降低。這一結果說明，煤巖強度與所接觸水的礦化度有關。水的礦化度越低，浸泡后煤巖強度越低。對比寺河礦煤巖的礦物組成、陽離子交換容量以及黏土膨脹實驗結果可以認為，在鉆井液中浸泡后煤巖強度降低的主要原因是煤巖中的黏土礦物與低礦化度的鉆井液接觸后發(fā)生膨脹，引起黏土分散松軟，導致煤巖強度降低。

3 結論

（1）煤巖中的黏土礦物是煤巖遇水膨脹的主要潛在因素，山西沁水樊莊寺河礦煤樣具有一定程度的水敏性，在清水中有膨脹現象。

（2）煤巖與鉆井液接觸后發(fā)生膨脹是引起煤巖強度降低的重要原因。

（3）山西晉城煤層氣儲層具有低壓、低滲透率、低飽和度的特點，采用欠平衡鉆井或近平衡鉆井可達到降低鉆井液侵入煤層的目的。

（4）建議對不同類型煤巖采用不同的鉆井液。對強度大、膨脹性小、無水敏傷害的煤巖采用清水鉆井液配合欠平衡鉆井技術，對強度大、水敏性弱的煤巖可用煤層氣井采出水或清水+1%KCl溶液作為鉆井液，對強度小、膨脹性大、水敏傷害程度強的煤巖可采用無固相聚合物可降解鉆井液。

［1］ 陳天成.坍塌壓力與井身結構設計和井壁穩(wěn)定技術關系初探［J］.鉆采工藝，2006，29（1）：21-23 .

［2］ SY 5359-91 黏土陽離子交換容量及鹽基分量測定方法［S］.

［3］ 梁大川，蒲曉林，徐興華.煤巖坍塌的特殊性及鉆井液對策［J］.西南石油學院學報，2002，24（6）：29-30 .

［4］ 黃醒春.巖石力學［M］.北京：高等教育出版社，2005-11：15.

［5］ 謝建利.利用超聲波技術測定油層巖石力學參數的方法［J］.石油鉆采工藝，1994，16（2）：61-66，82 .