深部煤岩防塌钻井液密度的计算.pdf

第 2 9卷 第 1期 2 0 1 2年1月 钻井液与完井液 DRI LLI N G FLUI D COM PLETI ON FLUI D V_0 1 ． 2 9 No ． 1 J a n．2 O1 2 【 理论研究与应用技术 】 深部煤岩防塌钻井液密度的计算 陈奕廷 ， 康毅力 油气藏地质及开发工程国家重点实验室 西南石油大学，成都 陈奕廷等．深部煤岩防塌钻井液密度的计算 【 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 2 ，2 9 1 1 - 4 ． 摘要 受煤阶和地应力的双重影响，深部地层煤岩井壁失稳可能与其 自身岩石力学性质有关。在这种情况下， 由于煤层气含量大小对煤岩变形破坏及力学响应的作用和弹性力学自身的缺陷，防塌钻井液密度的计算会产生误 差。研究表明，这种误差跟游离气和吸附气的双重影响有关，往往受孔隙流体压力大小的控制，压力越大，影响 越明显。在深部高孔隙流体压力地层环境下，这种影响不容忽略。文中采用经典混合物理论的本构建模方法，揭 示了含气煤总应力与孔隙压力、孔隙率、气体的等温吸附特征、固相煤骨架弹性模量、泊松比之间的关系，用其 可以定量求出孔隙流体压力对于深部煤岩岩石力学性质的影响，继而可精确计算出钻进深部煤层防塌钻井液密度。 关键词 煤层气井 ； 钻井液密度 ； 井眼稳定 ； 孔隙流体压力 中图分类号 T E 2 5 4 ． 2 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 20 l ， 0 0 0 1 0 4 0 引 言 煤层气是一种活泼流体，它的含量大小对煤岩 的岩石力学性质有极大影响。目前煤炭界围绕煤层 气孔隙压力对煤岩的变形破坏及力学 响应的影响做 了大量的研究工作。B r a c e 1 9 6 5 提出煤层气对煤 岩力学性质的影响除了常规认为游离气作为体积力 作用以外 ，吸附气还会产生附加影响，称之为 “ 非 力学作用” ⋯ 。氏平增之 1 9 8 6 用三轴试验装置 测定了含气煤三轴抗压强度， 证实了 “ 非力学作用” 的存在。姚宇平等人 1 9 8 8 对原煤及模拟煤样通 过三轴压缩试验首次得到了孔隙流体压力与煤体强 度、侧向压力之间的关系回归方程式 。梁冰等人 1 9 9 5 通过不 同围压 、不同孔 隙流体压力下煤 的三 轴压缩试验结果进一步阐述了 “ 非力学作用”对于 煤体力学性质的影响。结果表明，这种影响同孔隙 流体压力的大小有关，孔隙流体压力越大，影响越 大 ⋯ 。姜耀东等人 2 0 0 7 以混合理论的 T r u s d e l l 公 式为基础，认定含气煤是由固相煤、游离气和吸附 气组成的饱和混合物，理论推导出含气煤的本构方 程，根据此方程，可以定量求出 “ 非力学作用”对 于煤体力学性质的影响 。 深部地层环境下 1 5 0 0 2 0 0 0 m ，由于煤阶 对基 质收缩性 能 的调节效应 和地应 力 的影 响 ， 根据 G o o d ma n 单元理论 ，煤岩失稳不能简单地 全部看成裂纹应力引发的失稳，若煤岩受力处于其 自身弹性极限之内 大小约等于其峰值强度的一 半 ，此时的失稳更多地由煤岩 自身的岩石力学性 质决定 。深部地层环境下，由于煤层底、顶板岩 石透气系数较小，高地应力促使煤层保持较高孑 L 隙 流体压力 川，“ 非力学作用”的存在将会对煤岩 本身的力学性质产生 巨大影响。故当 F a i r h u r s t 方程 运用于深部煤层钻井 时，往往使得计算 出的防塌钻 井液密度过小 ， 使煤层更容易产生失稳。因此计算 此类深部煤岩钻进防塌钻井液密度，仅仅从弹性力 学的角度考虑是远远不够的，必须 同时考虑孔 隙流 体对于煤岩本身岩石力学性质的影响，才能进一步 接近实际 [ 1 2 - 1 4 ] 。 基金项 目 9 7 3计划课题 “ 深井复杂地层漏失与井壁稳定机理预测” 2 0 1 0 C B2 2 6 7 0 5资助。 第一作者简介 陈奕廷，在读硕士研 究生，1 9 8 5 年生，现在从事油气井工程力学研究。电话 1 5 8 8 2 4 4 5 1 0 3； E m a i l g o o 1 2 0 2 s i n a ． c o rn。 通讯作者 康毅力，教授，现在主要从事储层保护理论及技术、非常规天然气开发、油气田开发地质研究与教学。地址 四川成都新都 区西南石油大学油井完井技术中心 ；邮政编码 6 1 0 5 0 0；电话 0 2 88 3 0 3 2 1 1 8； E - ma i l c w c y l v i p ． s i n a ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 2年 1月 1 孔 隙流体压力对煤岩力学性质的影响 1 9 9 4年梁冰等人在相 同围压 1 0 MP a 下测试 了不 同孔隙流体压力下煤岩轴向应力随轴向应变的 变化曲线 见图 1 和不同孑 L 隙水压力下石灰岩的轴 向应力随轴向应变的变化曲线 见图2 ⋯ 。 轴向应力] MP a ’、 I 3 ．0M P a -2 O - l O O 1 O 2 0 3 O 4O 5 O 6 O 7 O 8 O 侧向应变／ 1 0 轴向应变／ l O 图 1 不同孔隙流体压力下煤岩轴向应力随应变的变化 孔隙水压力 B 重 曩 图 2 不同孔隙水压力下石灰岩轴向应力随应变的变化 图 1 和图 2 的结果表明 ①孔隙流体作为体积 力作用于岩石时，同一围压下随着孔隙流体压力的 增大，岩石力学性质急剧下降。②水对灰岩而言属 于不活泼流体，它对岩石的物化作用很弱，因此在 弹性变形阶段 ，含水的石灰岩在不 同孔隙压力下的 应力一应变曲线是重合的 ； 如果煤岩只受孔隙流体 的纯力学作用，那么在弹性变形阶段图中的 3 条曲 线应该是重合的，正因为煤层气对于煤岩来说属于 活泼气体，所以孔隙流体对于煤岩的影响除了游离 气作为体积力的力学作用外，还受吸附气的作用。 研究表明，这种作用与煤层气吸附解吸现象有关 ， 受孔隙流体压力的控制，即所谓的 “ 非力学作用” 。 2 含 气煤本构方程 的建立 假设煤岩是由固体组分 煤岩形成的骨架 和 气体组分 处于煤粒中的孔隙及表面的吸附气和煤 岩骨架孑 L 隙中的游离气 形成的连续饱和混合物 ； 固体组分符合封闭系统的质量守恒定律， 其性质由 其组分的性质决定 ； 气体对于煤岩产生的相变不予 考虑，仅仅考虑吸附气和游离气之间的转换，且假 定吸附解吸瞬间完成 ； 固体组分不可压缩，气体组 分压缩满足弹性定理。 根据混合物理论守恒方程，含气煤总体应力张 量 盯可以写为 E s K V e ， a K 8 E s 。 p 一 E 。 s 式中，盯 表示混合物应力总量 ； 表示固相煤骨架 体积分数 ； E 为固相煤的刚性张量 ； s 为固相煤 的应变张量 ； 表示游离气体积分数 ； K v 表示游 离气体积压缩模量 ； s 表示游离气体积应变率标 量 ； I 表示方向张量 ； 表示吸附气体积分数 ； K 表示吸附气体积压缩模量 ； s 表示吸附气体积应 变率标量 ； P 表示游离气压力 ； P 表示吸附气的 压力。其中，因为气体满足弹性定理 受压为正 ， 故有 一 I K 、 I 。 一 矿 I K ￡ a I 式中， 、矿分别为游离气和吸附气的应力张量。 所以含气煤总体应力张量 盯 的计算公式可以写为 a SE s Vp ES e 。 一 E s a ， 对于游离气， P 表示孔隙流体压力。对于吸附 气，由截断的维里方程 P V R T 1 ／ v m C ／ V 求出P ，其中 为摩尔体积，m ／ m o l ，B 、C分别 是第二、第三维里系数。 可以用下式进行计算 V m 【 G 。 1 0 ／ 兀 NQ l／ V o ] 4 3 式 中，G 表示 每 克 吸 附剂 的 比表 面积 ，m2 ／ g ，Q 为每克 吸附剂 的吸附量 ，由 L a n g mu i r 公式可 以求 出 ，c m ／ g ，N为阿伏加 德罗 常数 ，N 6 ． 0 2 2 X 1 0 。 m o l ～； v o 为气体摩尔体积，V o 2 2 4 0 0 c m ／ m o l 。 从岩石力学的角度来说，连续介质井壁坍塌的 原因主要是 由于井内液柱压力较低 ，使得井壁周围 岩石所受力超过岩石本身的强度产生剪切破坏造成 的。根据库伦的研究认为，岩石破坏时剪切面上的 剪切力厂必须克服岩石面固有的剪切强度 C 黏聚 力 和作用于剪切面上的摩擦力 盯 ，即 f Ca-u 其 中， t g 0 ，0为煤岩内的摩擦角。 根据直角坐标系下的摩尔 ． 库伦强度包络线， 摩尔库伦定理可以改写为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 9 卷 第 l 期 陈奕廷等深部煤岩防塌钻井液密度的计算 3 O -l [ 2 1 “ ] 一 cr 3 [ 1 “ ] 2 C 其中， 表示围压 ， 表示峰值强度。 根据本构方程，可 以计算 出围压 、 下， 煤岩受孔隙流体压力影响下实际最大抗压强度 、 ，联立 2 个方程组，求出对应的／z 和黏聚力 c ， 代人钻井液密度计算公式得 P 1 0 0 [ 3 a h 1 0 一 2 C 1 ， 0 【 P P 一 1 ] ／ [ H] 式中， P 表示防止深部煤岩坍塌的最小钻井液密 度，g ／ c m ； 叩 表示应力非线性修正系数 ； a h 1 、O h 2 分别表示对应地层的最大 、最小地应力 ，MP a； c t g 4 5 。 ～0 ／ 2 ， 臼为煤岩 内摩擦角 ； P p 表示孔 隙流 体压力 ，MP a； H表示深度 ，m。 根 据 L a n g m u i r 公 式 Q p ／ P L 十 尸 。式 中， 为 L a n g mu i r 吸附常数 ， c m ／ g； P为气体压力， MP a； 只 表示 L a n g mu i r 压力常数 ，MP a 。 3 讨论 深部地层环境下，假设含气煤埋藏深度是 1 5 0 0 m，孔隙度 为1 0 ％， 为O ．8 ，孔隙流体压力 为 5 MP a ，固体单相煤的弹性模量 为1 8 4 8 MP a ， 泊松 比 3 ， 为0 ． 1 6 ，1 5 、2 0 MP a围压下的抗压强度分 别为 1 0 0 、1 2 0 MP a ， ， 为 2 9 ． 8 2 5 c m ／ g ，尸 I 为 2 ． 8 9 MP a ，G 为 1 4 0 m2 ／ g ，R为 8 - 3 1 4 J ／ mo l K ，T 为 3 5 3 ． 1 5 K， 为一 2 4 ． 8 9 c m ／ mo l ，C为 l 9 8 6 c m。 ／ mo l ， 叩 为 1 ，最 大 地 应力 为 4 5 MP a ，最 小地 应力 为 2 7 MP a ，B i o t 系数为 0 ． 8 5 。 根据公式 ，单相煤岩、只考虑孔隙流体压力作 用和同时兼顾考虑解吸／ 吸附作用 非力学作用 影 响的含气煤在 1 5 、2 0 MP a 围压下的应力 一 应变曲 线 孔隙流体压力为 5 MP a 如 图 3和图 4所示 。 1 2 0 1 0 0 鞋 O O．o o O．01 0 ． 0 2 0 ． 0 3 0 ． 0 4 0 ． 0 5 轴向应变 l o 图 3 煤岩全程应力随应变的变化曲线 围压为 1 5 MP a 根据祝捷等人的推导 n 3 ，相同围压下同一煤样 含气煤到达峰值强度时的轴向应变 s 和单相煤到达 峰值强度 的轴 向应变 8 z 差值很小 ，因此 ，近似认为 2者相等 。根据这一假设 ，1 5 、2 0 MP a围压下不同 状况煤的最大抗压强度如表 l 所示 。 1 4 0 1 2 0 l 0 o 8 O 6 0 4 0 2 O O O ． 0 o O ． O l O．O 2 O ． 0 3 0 ． 0 4 0．05 0 ． 0 6 0 ． 0 7 0 ． 0 8 轴向应变 l 0 。 图 4 煤岩全程应力随应变的变化曲线 围压为 2 0 MP a 表 1 不同状况下含气煤的最大抗压强度 MP a 根据摩尔 一 库伦法则，可计算出此时单相煤、 只考虑孔隙压力作用和兼顾考虑解吸 ／ 吸附作用含 气煤黏聚力分别为 1 0 、1 8和 2 3 ． 3 7 MP a ，对应的内 摩擦角分别为 3 7 。 、3 1 。 、7 。 ，此时求得不同状况下 煤岩摩尔 ． 库伦强度包络线如图 5 所示。 1 2 0 重 蘖 46。0 2 0 0 O 2 0 4 o 6 0 8 O 1 0 0 1 2 0 轴向应力／ MP a 图 5 不同状况下煤岩摩尔 ． 库伦强度包络线 如图所示， 孑 L 隙流体的作用会使含气煤的摩尔一 库伦强度包络线面积明显变小 ，也就是说 ，在相 同 的围压条件下，孔隙流体作用的影响使含气煤更容 易产生破坏，而且这种影响随着围压增大而增大。 研究表 明，这种影 响主要包括 2个方面 的内容 一 是游离气通过孔隙压力作为体积力影响煤体的力 学性质 ； 二是吸附气则通过解吸 ／ 吸附作用产生附 加影响。通常情况下，随着孔隙流体压力的升高煤 的强度 包括峰值强度和残余强度 降低。这是因 为随着孑 L 隙压力的升高，使得煤抵抗破坏的能力下 降 ； 同时游离气一定程度上阻碍了裂缝的收缩，促 使其扩展 ，减弱了宏观面上的摩擦系数，从而使得 ∞ ．d 嗣 妻 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 钻 并 液 与 完 并 液 2 0 1 2年 1月 煤体的强度降低。一定温度下，微小的孔隙压力变 化都将使煤吸附和解吸大量的煤层气，从而使煤的 力学性质产生极大改变，这种作用的影响同孔隙流 体压力的大小有关。通常情况下，吸附煤层气可以 减弱煤体内部裂隙表面的张力，从而使得煤体骨架 部分发生相对膨胀，导致煤体颗粒之间的作用力减 弱，被破坏时所需要的表面能减少，减弱了煤体的 强度。 长久以来，石油界对于拟连续体煤岩井壁稳定 的理论基础均来源于经典弹性力学 ，这个理论体系 最大的缺陷在于忽略了孔隙流体对于岩石本身岩石 力学的影响。按照F a ir h u r s t 方程的计算结果，维护 井壁稳定的最小钻井液密度仅仅是 1 ．O 7 g ／ c I I 13 ，但 是综合考虑孔隙流体作用的影响后，计算得出维护 井壁稳定 的最小钻井液密度为 1 ． 6 1 g ／ c m ，也就是 说在 1 5 0 0 m地层环境下，如果依照F a ir h u r s t 方程 计算出的钻井液密度钻进煤层， 必然产生井壁失稳。 4 结论 1 ． 深部地层环境下，对拟连续体煤岩，由于煤 层底 、顶板岩石透气性系数较小 ，高地应力促使煤 层保持较高的孔隙流体压力，从而使得孔隙流体压 力的影响不容忽略。 2 ． 突破弹性力学 F a i r h u r s t 方程原理的限制，采 用经典混合物理论的本构建模方法， 反映孑 L 隙流体 对煤岩作用的实际情况，对计算钻井液密度窗口具 有指导意义 。 3 ． 三轴应力条件下含气煤总体应变不仅和骨架 应变以及孔隙率有关，而且与吸附作用产生的体积 应变以及孔隙率的变化有关 ； 总体应力与孔隙压力、 孔隙率、气体的等温吸附特征以及固体骨架的弹性 模量和泊松比有关，前 3 项可通过试验得到，固体 骨架的弹性模量和泊松 比可通过常规岩石力学试验 参数计算得出。采用本构方程，可以根据室内实验 单相煤应力随应变的变化曲线反算深部地层条件下 的应力随应变的变化曲线。 参 考 文 献 [ 1 ] 梁冰，章梦涛，潘一山，等 ． 瓦斯对煤的力学性质及力 学响应影响的试验研究 [ J ] ． 岩土工程学报，1 9 9 5 ， 1 7 5 1 2 ． 1 8 ． 【 2 ] 姚宇平，周世宁 ． 含瓦斯煤的力学性质 [ J ] ． 中国矿业大 学学报 ，1 9 8 8 2 8 7 9 3 ． 【 3 ] 姜耀东，祝捷 ，赵毅鑫，等 ． 基于混合物理论的含瓦斯 煤本构方程 [ J ] ． 煤炭学报，2 0 0 7 ，3 2 1 1 1 1 3 2 ． 1 1 3 7 ． [ 4 ] 陈金刚，张世雄 ，黄志伟 ， 等 ． 煤岩力学参数与其基质 收缩性性能的耦合效应 『 J ] ． 武汉理工大学学报，2 0 0 4 ， 2 6 1 1 6 7 ． 7 0 ． [ 5 ] 陈金刚，陈庆发 ． 煤岩力学性质对其基质 自调节能力的 控制效应 [ J ] ． 天然气工业，2 0 0 5 ，2 5 2 1 4 0 1 4 3 ． [ 6 ] Go o d ma n R E ． I n t r o d u c t i o n t o Ro c k Me c h a n i c s [ C ] ． Ne w Yo r k， J o h n W i l e y S o n s ． TI C 2 1 8 8 2 8 ． 【 7 ] Ge n t z i s T， De i s ma n N， C h a l a t u r n y k R J ． Ge o me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d p e r me a b i l i t y o f c o a l s f r o m t h e F o o t h i l l s a n d Mo u n t a i n r e g i o n s o f we s t e r n C a n a d a [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f C o a l Ge o l o g y ，2 0 0 7 ， 6 9 3 1 5 3 1 6 4 ． [ 8 ] T h o ma s G e n t z i s ，Na t h a n De i s ma n ， R i c h a r d J ． A me t h o d t o p r e d i c t g e o me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d mo d e l we l l s t a b i l i ty i n h o r i z o n t a l b o r e h o l e s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Co a l Ge o l o g y，2 0 0 9，7 8 2 1 4 9 1 6 0 ． [ 9 ] 刘 向君，罗平亚 ． 岩石力学与石油工程 [ M] ． 北京 石 油工业出版社，2 0 0 4 ． [ 1 0 ]孟召平 ，彭苏萍 ． 含煤岩系岩石力学性质控制因素探讨 [ J ] ． 岩石力学与工程学报，2 0 0 2 ，1 2 2 1 0 2 ． 1 0 6 ． [ 1 1 ]郭文兵，李小双 ． 深部煤岩体高温高围压下力学性质的 研究现状与展望 [ J ] ． 河南理工大学学报， 2 0 0 7 ， 2 6 1 l 6 ． 1 9 ． [ 1 2 】祝捷，姜耀东，赵毅鑫，等 ． 考虑吸附作用的含气煤 本构方程 [ J ] ． 岩石力学 与工程学报 ，2 0 0 9 ，2 8 2 3 2 9 6 ． 3 3 0 1 ． 【 1 3 】边继祖，张献丰，魏兰 ． 三交地区煤层气井钻井液技术 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 1 ，1 8 6 4 7 4 9 ． [ 1 4 ]陈在君，刘顶运，李登前 ． 煤层垮塌机理分析及钻井液 防塌探讨 [ J ] _ 钻井液与完井液，2 0 0 7 ，2 4 4 2 8 ． 2 9 ． 收稿 日期2 0 1 1 - 1 0 ． 2 5 ；H GF 1 1 0 6 N 5 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m