盧軍靈 李淑暢

(晉煤集團(tuán)沁水藍(lán)焰煤層氣有限責(zé)任公司, 山西 048006)

卸壓煤層氣地面直井開發(fā)技術(shù)就是通過保護(hù)層的開采卸壓效應(yīng)使得上覆巖層發(fā)生移動(dòng)變形, 進(jìn)而使鄰近煤層出現(xiàn)大量裂隙而產(chǎn)生明顯的“卸壓增透增流”效應(yīng), 從而實(shí)現(xiàn)煤層氣的大流量抽采, 因此卸壓煤層氣地面直井抽采將是煤層氣開發(fā)的一個(gè)重要發(fā)展方向。但是, 卸壓煤層氣開發(fā)實(shí)踐中的井孔穩(wěn)定性問題極為突出, 煤層氣井在短期抽采后便失穩(wěn)破壞而產(chǎn)氣中斷, 所以卸壓煤層氣地面井的井孔穩(wěn)定性問題亟待解決, 而研究煤層氣井的破壞方式是基礎(chǔ), 其對(duì)卸壓抽采煤層氣抽采的井位部署和井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化有著重要的意義, 而探討這些問題的出發(fā)點(diǎn)是研究上覆巖層的移動(dòng)變形特征。

1 卸壓開采覆巖移動(dòng)變形特征

1．1 卸壓開采上覆巖層的“三帶”分布

煤層開采后, 其上覆巖層要發(fā)生移動(dòng)和變形。經(jīng)長(zhǎng)期觀測(cè)證實(shí)： 覆巖的移動(dòng)變形具有明顯的分帶性, 其分布特征與地質(zhì)、采礦等條件有關(guān)。在采用走向長(zhǎng)壁全部垮落法開采緩傾斜中厚煤層時(shí), 只要采深達(dá)到一定深度, 覆巖的破壞和移動(dòng)便可出現(xiàn)三個(gè)具有代表性的部分, 自下而上分別稱為： 冒落帶、裂隙帶和彎曲帶, 一般將這三個(gè)部分簡(jiǎn)稱為“三帶”(如圖1) 。

圖1 覆巖破壞移動(dòng)分帶示意圖

1．2 卸壓開采上覆巖層的移動(dòng)形式

巖體受采動(dòng)影響以前都經(jīng)過多次反復(fù)的地質(zhì)作用, 形成了由結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的地質(zhì)體。根據(jù)觀測(cè)和研究的成果分析, 在整個(gè)巖層移動(dòng)的過程中, 開采煤層上覆巖層移動(dòng)的形式概括為以下幾種：

(1) 彎曲： 這是巖層移動(dòng)變形的主要形式。當(dāng)?shù)叵旅簩硬沙龊? 上覆巖層中的各個(gè)分層即開始沿巖層層面的法線方向, 向采空區(qū)依次彎曲。如果巖層在彎曲過程中所產(chǎn)生的拉伸變形超過了該種巖石的抗拉強(qiáng)度極限, 則巖層內(nèi)將出現(xiàn)裂隙乃至斷裂而使巖層失去連續(xù)性, 但巖層仍保持其層狀形式。

(2) 冒落： 是指巖體從整體巖層中分離并成塊狀破碎而垮落下來, 冒落是彎曲形式的發(fā)展。此時(shí), 巖層不再保持其原來的層狀形式。這是巖層移動(dòng)過程中最劇烈的移動(dòng)形式, 它通常只發(fā)生在采空區(qū)直接頂板巖層中。直接頂板巖層垮落后, 由于破碎而使其體積增大, 充填采空區(qū)并促使其上部的巖層移動(dòng)減弱。

(3) 離層： 采空區(qū)上覆巖層由于豎向移動(dòng)變形的大小和速度不同而使巖層面之間或?qū)永砻嬷g產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象稱為離層, 離層的發(fā)生主要是由于頂板以上拉應(yīng)力達(dá)到層間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度所致, 也可由拉剪作用形成不規(guī)則的離層, 規(guī)模較大的離層是由于采動(dòng)影響程度較大和巖層的抗彎強(qiáng)度不同而產(chǎn)生的。

(4) 層間錯(cuò)動(dòng)： 這種移動(dòng)方式是傾斜巖層或是巖層彎曲后在重力產(chǎn)生的沿層面下滑力的作用下,或者由于移動(dòng)過程中相鄰巖層水平移動(dòng)的大小或方向不同而使層面或?qū)娱g軟弱帶兩側(cè)的巖層產(chǎn)生相對(duì)滑移而造成, 這類破壞主要發(fā)生在不同巖層交界處或軟弱面, 而且和巖層傾角關(guān)系密切, 巖層傾角越大其沿層面的滑移越明顯。

上述破壞形式的出現(xiàn)是由巖體本身的結(jié)構(gòu)特征、物理力學(xué)性質(zhì)和采動(dòng)影響程度等共同決定, 從力學(xué)機(jī)理上可歸結(jié)為四種常見的破壞機(jī)制即： 張破壞、剪破壞、結(jié)構(gòu)體滾動(dòng)和結(jié)構(gòu)體沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)。

2 卸壓煤層氣地面井的受力情況

地面鉆井是在井眼中下入各級(jí)套管并用水泥環(huán)封閉套管與井壁間的空間而形成, 地面鉆井的破壞實(shí)質(zhì)上是套管的損壞。卸壓煤層氣地面井套管失穩(wěn)破壞的直接原因是煤層開采引起的巖層移動(dòng)變形,所以卸壓煤層氣地面井的受力主要是巖層移動(dòng)變形施加于鉆井套管上的外載力。因此, 依據(jù)巖層移動(dòng)變形特征知, 卸壓煤層氣地面井所受的基本外載力有軸向拉 (壓) 力、徑向外擠壓力、層間滑移剪切力以及它們的共同作用力。

(1) 軸向拉 (壓) 力

煤層氣地面井的軸向拉力主要是由套管的自重和巖層移動(dòng)變形引起的松散層疏水壓實(shí)、厚堅(jiān)硬巖層下部離層引起, 其中最重要的是離層形成的拉伸應(yīng)力。

套管受自重的拉伸力在所有油氣井都存在, 自重引起軸向拉力是由下而上逐漸增大, 在井口處,套管軸向拉力最大, 其計(jì)算如下式：

式中 q——套管名義單位平均重量 (包括接箍在內(nèi)) , kg/m;

L——套管長(zhǎng)度, m;

T——井口處套管軸向拉力, kg。

考慮浮力時(shí), 套管柱在泥漿中的重量計(jì)算如下式：

式中 γm——泥漿密度, g/cm3;

γs——套管鋼材密度, g/cm3;

Tb——套管在泥漿中的重量, kg。

松散層的疏水固結(jié)沉降理論上會(huì)對(duì)鉆井套管產(chǎn)生軸向壓力。在厚松散層發(fā)育區(qū), 煤層開采引起的巖層移動(dòng)溝通了地層水力聯(lián)系, 致使松散層中的水沿著導(dǎo)水裂隙排出。隨著大量松散層中水的流失,松散層中的有效應(yīng)力增大, 松散層趨于壓實(shí), 由于套管固結(jié)在井筒中, 所以, 套管隨固井水泥環(huán)一起變形。由于鋼的強(qiáng)度高, 因而上覆巖層負(fù)荷集中于套管上, 引起套管軸向壓縮應(yīng)力, 并且松散層壓實(shí)的程度越大則鉆井套管受到的壓力就越大。如果施加于套管上的壓力超過了套管的極限強(qiáng)度, 套管就會(huì)發(fā)生彎曲變形或者脆性破裂, 但是這種情況在實(shí)際中很少發(fā)生, 目前套管基本上能夠抵抗軸向壓縮變形。

巖層離層的發(fā)生使得鉆井套管受軸向拉伸力的作用。離層是采動(dòng)覆巖移動(dòng)變形的主要形式, 是由于巖層的豎向變形和速度差異而產(chǎn)生, 主要發(fā)生于上下巖層巖性及厚度差異較大的地層之間, 而且二者巖性和厚度差異越大則離層越明顯, 套管所受的拉伸力就越大, 套損的可能性就越大 (如圖2) 。

圖2 卸壓開采覆巖離層與套管縮徑變形

(2) 徑向擠壓力

徑向擠壓力主要是由于強(qiáng)大的地層流體壓力和易流變的泥巖、鹽巖在地應(yīng)力作用下蠕變產(chǎn)生的,常規(guī)油氣井套管很大一部分是受徑向擠壓力而破壞的, 這種徑向擠壓破壞主要發(fā)生于地應(yīng)力較大的深部地層, 而且這種力隨著時(shí)間的增加逐漸增大。卸壓煤層氣地面井的深度普遍較淺, 因而煤層氣地面井不像石油天然氣井那樣會(huì)受到較大的擠壓力, 雖然巖層移動(dòng)的結(jié)構(gòu)體滾動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)也可以形成徑向擠壓力, 但是這種擠壓力仍然較小, 而且也不普遍。所以徑向擠壓力不是卸壓煤層氣地面井的主要破壞力。

(3) 層間滑移剪切力

層間滑移剪切力主要是受卸壓開采的層間滑移造成, 層間滑移是巖層移動(dòng)的主要形式, 因而套管受層間滑移剪切破壞也最普遍。層間滑移剪切力對(duì)卸壓煤層氣地面井的破壞是最重要的, 受層間滑移剪切力破壞較嚴(yán)重的淮南礦區(qū)有90%以上的井孔因此破壞; 另外其對(duì)井孔的破壞程度最嚴(yán)重, 受該力破壞的井孔大多被直接錯(cuò)斷而停止產(chǎn)氣。

(4) 雙軸共同作用力

煤層開采造成的巖層移動(dòng)變形很復(fù)雜, 所以施加于套管上的載荷不可能為單一的軸向拉力、徑向擠壓力或者剪切力, 往往是諸多力共同作用的情況較多。雙軸作用力是指套管在受軸向力的同時(shí),套管還受徑向上的擠壓力或者剪切力的作用。研究表明,當(dāng)有軸向載荷作用時(shí),套管的抗擠抗剪強(qiáng)度大幅下降,所以這種雙軸作用力對(duì)套管損壞影響很大。

3 卸壓煤層氣地面井破壞方式

常規(guī)油氣田開發(fā)中套管破壞主要是由于地應(yīng)力作用或是注水使泥巖段膨脹、蠕變而擠毀、剪毀套管, 或是套管受化學(xué)、生物腐蝕作用受損, 煤層氣地面直井的破壞可部分借鑒常規(guī)油氣井的套損經(jīng)驗(yàn), 但是兩者在破壞主因上存在較大的差異, 煤層氣地面直井由于受到煤層采動(dòng)引起的巖層移動(dòng)的影響, 套管的破壞方式主要體現(xiàn)在力學(xué)因素的損壞,套管的受力情況諸如以上所分析, 因而與之對(duì)應(yīng)卸壓煤層氣地面井的破壞方式有下面四種：

(1) 軸向拉伸力引起的變形破壞, 這種破壞方式主要是由巖層采動(dòng)的離層造成, 其破壞形態(tài)主要是縮徑變形 (圖3) 。

(2) 徑向擠壓力引起的變形破壞, 破壞形態(tài)主要是橢圓形變形、徑向凹陷變形和彎曲變形。這種破壞方式目前不是卸壓煤層氣地面井的主要破壞方式, 可以暫時(shí)不做重點(diǎn)考慮, 但是以后隨著煤層氣井向深部發(fā)展, 徑向擠壓力破壞將會(huì)轉(zhuǎn)變成煤層氣井破壞的主要方式 (見圖4、圖5、圖6) 。

圖3 套管縮徑變形

圖4 套管橢圓形變形

圖5 套管彎曲變形

(3) 層間剪切力引起的變形和錯(cuò)斷破壞, 這是受上覆巖層的層間滑動(dòng)造成, 破壞力較弱則為彎曲變形破壞, 若破壞力較強(qiáng)則發(fā)生錯(cuò)斷破壞 (圖7) 。

(4) 雙軸作用下的錯(cuò)斷破壞, 在軸向拉力的作用下套管的抗擠抗剪強(qiáng)度下降, 所以導(dǎo)致套管主要發(fā)生錯(cuò)斷破壞。

圖6 套管徑向凹陷變形

圖7 套管錯(cuò)斷 (據(jù)劉合, 2003)

上述四種破壞方式中, 對(duì)煤層氣井影響最大的是軸向拉伸破壞和徑向剪切破壞, 以及二者的共同作用, 同時(shí), 也可看出卸壓煤層氣地面井套管的破壞形態(tài)主要是錯(cuò)斷和變形兩種, 并以錯(cuò)斷為主。套管錯(cuò)斷對(duì)煤層氣井的影響不必多說, 而對(duì)于套管變形, 由于一定程度的變形對(duì)氣井影響并不大, 所以煤層氣井可以允許小幅度變形, 但是套管的變形是隨著煤層的采動(dòng)不斷地變化的, 隨著采動(dòng)的進(jìn)行,套管的輕微變形可能逐漸演變?yōu)閲?yán)重變形而影響產(chǎn)氣。另外, 值得注意的是套管變形若是發(fā)生在套管接頭處, 會(huì)使套管產(chǎn)生密封性破壞, 可能導(dǎo)致水或者泥砂進(jìn)入井孔堵孔而停止產(chǎn)氣, 所以變形也應(yīng)該引起足夠的重視。

卸壓煤層氣地面井的破壞除受軸向力、層間剪切力以及雙軸作用力外, 也會(huì)像常規(guī)油氣井那樣受到化學(xué)腐蝕作用和機(jī)械磨損作用, 但是相對(duì)于煤層開采造成的巖層及應(yīng)力的劇烈調(diào)整對(duì)井孔的影響而言太小, 可以不作為重點(diǎn)研究對(duì)象。

4 結(jié)論

(1) 受煤層采動(dòng)影響, 上覆巖層移動(dòng)變形形式主要表現(xiàn)為彎曲、冒落、離層、層間滑移。

(2) 依據(jù)巖層移動(dòng)變形特征, 卸壓煤層氣地面井所受的基本外載力有軸向拉 (壓) 力、徑向外擠壓力、層間滑移剪切力以及它們的共同作用力。

(3) 根據(jù)卸壓煤層氣井的受力情況知其破壞方式有： 軸向拉伸變形破壞、徑向擠壓變形破壞、層間剪切變形和錯(cuò)斷破壞、以及雙軸共同作用下的錯(cuò)斷破壞, 其中徑向擠壓變形破壞目前不是卸壓煤層氣地面井的主要破壞方式, 可以暫不做考慮。

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