离散单元法评价煤层井壁稳定性

摘 要

摘要 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

摘要 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47 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。

关键词  离散单元法  离散元  节理  煤层  井壁稳定性  评价

煤层属于裂缝发育的地层,研究表明[1-2],煤层中存在有两组近于垂直的面割理和端割理。这些割理相互交叉切割,煤体被切割成为一个个不连续的近似斜方体的小块,连同其他次级节理等裂隙形成了复杂的裂隙系统,这就破坏了煤层的完整性,使煤层更具有破碎易塌的特点,同时煤岩抗剪强度(3.283.98 MPa)比一般砂岩、泥岩低,内摩擦角为19°~22°,属破碎性易塌岩层,易发生剪切破坏。由于煤层的特殊性,增加了研究煤层钻井井壁稳定性的难度。就煤层井壁稳定而言,近年来国内外在这方面所做工作并不是很多,按发表文章时间看[3-6],李嗣贵利用离散单元法(UDEC)对煤层井眼周围的应力、位移及裂缝张开情况进行了计算分析,得出钻井液与以上参数的一些规律性认识。I.Palmer认为在煤储层中钻进时钻井液密度过高,可能导致地层张应力破坏,反之则产生剪应力破坏。张哲利用RFPA3D渗流与应力耦合作用分析系统,结合工程实例,对煤层气开采过程中钻进结构效应比较明显的煤岩层水平井眼的尺寸效应,进行了数值试验分析。鲜保安利用断裂力学的方法研究了煤层的井壁稳定,把井壁附近裂纹简化为小孔,分析了小孔附近裂纹的应力集中,指出煤层井眼周围小孔孔边的裂纹应力集中程度较高。屈平等继续从断裂力学的角度探讨了节理煤层的井壁稳定机理,并构建了井壁稳定性的评价方法。

上述研究人员从各个方面对煤层井壁稳定性分析,取得了一定研究价值。本项研究选取山西省沁水盆地樊庄3号煤层为例,该煤岩距地面深度700 m,设边长为2 m的正方形作为研究对象,井眼尺寸为9 152.4 mm。运用UDEC离散元软件考察煤层在低压范围内井壁稳定性,并建立判断煤层井壁稳定性的评价方法。

1离散单元法

离散单元法是针对节理岩土体提出的一种适用于模拟岩土体大位移的数值方法。它是在块体准刚性假设的前提下,以牛顿第二定律为理论基础,用微小运动状态的求解模拟岩体的大位移。基本思想是将所研究的物体看作被节理在内部分割的离散状块体单元,块体间通过边界接触力相互联系,边界接触力是用物理方程来描述的。当所研究的块体在力系的作用下或边界条件发生变化时,单元就在牛顿第二运动定律的作用下发生平移或转动,允许调整各个块体单元的接触关系,接触关系的调整产生新的接触力,在该力的作用下产生新的位移。即:在不平衡力的作用下,块体产生运动,不断调整位移、调整接触力,最终块体可能达到新的平衡状态,也可能一直运动下去。离散单元法的理论基础是结合不同本构关系的牛顿第二定律,因而可以采用动态松弛法或静态松弛法进行求解。所谓动态松弛法是把非线性静力学问题化为动力学问题求解的一种数值方法,其数学物理基础包括以下2方面。

1)力与位移的关系,如图l所示。

 

式中Fn为法向力,Kn为法向刚度系数,Un为叠合尺度。

 

式中ΔFs为剪切力的增量;Ks为节理的剪切刚度系数;ΔUs为相对位移。式(1)和式(2)表示的是弹性情况,有时在能量不可逆耗散过程中,即在塑性条件下,需要考虑岩体的破坏条件。

2)运动方程,如图2所示。

 

式中FxFy分别为xy方向上的合力;M为合力矩。其中(x0y0)为块体B质心坐标,力矩以逆时针方向为正。对公式(3)求导可以得出块体质心的运动方程,对质心的运动方程进行向前差分格式数值积分可以得到岩块质心沿xy方向的速度和位移。

煤层属于节理发育的岩体,采用离散单元法,能够很好地描述岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移,同时又能计算岩块内部的变形与应力分布。

2 数值模拟

笔者所采用的数值模拟工具是UDEC离散元软件[7]。该软件主要用于岩石边坡的渐进破坏研究及评价岩体的节理、裂隙、断层、层面对地下工程和岩石基础的影响,对研究不连续特征的潜在破坏模型是十分理想的工具。

2.1 煤层基本参数

笔者选择的研究对象为3号煤层,煤层的各种力学参数设置参照众多研究成果,见表l2

 

2.2 模型建立

选取3号煤所处地层进行分析。假设据地面深度为700 m,设边长为2 m的正方形作为研究对象,井眼尺寸为øl52.4 mm。为尽量研究关心区域,在建模过程中,井眼附近区域内单元尺寸按真实节理大小设计,其他区域采用双倍节理间距设计。模型主要受应力边界条件σx、σy、σz,位移边界xyz以及井眼有效压力pi约束(34)(之所以用有效压力pi,是为了简化分析因素,将各种井底因素简化为力学因素,不考虑渗流)

 

2.3 结果分析

通过改变井眼有效压力值pi (pi=0 MPa1 MPa2 MPa3 MPa4 MPa5 MPa6 MPa8 MPa),得出相应压力值下形成井眼后模型的各种宏观、微观变化。

2.3.1 改变井眼有效压力值pi后,模型宏观发生局部块体分离

由图5模拟结果显示,改变井眼有效压力值pi井眼形状未发生较大变化,井眼形状保持完好(图中蓝色区域),说明井壁未出现明显垮塌或缩径,只是局部块体发生分离(图中红色区域),节理间距略有变化。

 

2.3.2模型微观变化显示随着pi值增大,井壁附近最大位移逐渐减小

5上能直观看出井壁附近块体变化情况但不明显,为进一步查看微观变化,取出井壁附近位移变化矢量图,如图6所示。

 

由位移矢量图可见,井底压力在0 MP。时位移变化最大,随后开始减小,到5 MPa后又明显增大,取出各pi值时最大位移量进行比较有如图7关系。

 

从图7上可见,随着pi值增大井壁附近最大位移逐渐减小,去除误差影响,认为随着压力增加,井底压力对煤层井壁支撑作用加强,而这种支撑作用保持一定水平,pi值在18 MPa范围内,最大位移变化区间为0.0040.006 m,仅从这个角度讲,只能说明整个块体的位移分离情况,并不知道各个块体是否已经产生破坏,所以下面对各个状态进行定量判断块体单元强度情况。

2.3.3 随着pi值增大,块体失效数目逐渐减少

笔者采用岩石力学中应用最为广泛的Mohr-Cou-lomb强度判定准则,应用直线型强度曲线对井眼附近块体进行强度判断。直线性表达式为:

 

式中σ为正应力;τ为剪切力;σ1为最大主应力;σ2为最小主应力;C为内聚力;ψ为内摩擦角,其中σ和τ通过最大最小应力值求出,结合上述分析取出井眼附近块体应力数据,经整理转换得出不同pi值下井眼附近块体强度状态。限于篇幅,在此列出4种状态井眼附

近块体强度状态(8)

 

上述分析可见,在0 MPa1 MPa时候井眼附近块体失效较多,随着压力增加,块体失效数目逐渐减少。将上述各状态中总的块体数N除以未失效块体数n的比值设为安全系数,从而得出以下关系,如图9所示。

 

从图上可见,在0l MPa两种状态中,块体安全系数均小于20%,而块体的安全系数在28 MPa几种状态下都超过78%,所以在这些压力状态下井壁更加稳定。将最大位移与安全系数分布进行耦合,得出煤层在低压范围内最佳稳定区间(10)

 

 

从图l0上看,安全系数越高,而最大位移量越小,即两者重合区域最大范围即为最佳稳定区间,故将煤层在低压范围内井壁稳定性分为4个部分,其中1区间由于位移量最大,安全系数最低,故该煤层在该区间的井内压力下,井壁极其不稳定;在区间2、区间4位移曲线和安全系数围成区间几乎相当,可以预见这两个压力区间内井壁稳定性等级相当;区间3最大位移量在整个模拟过程中趋于最小范围,而安全系数保持在较高水平,故该区间内煤层稳定性系数最高。所以,当井底压力在47 MPa区间时,煤层井壁在该煤层参数下最佳稳定。

3 结论与建议

3.1 结论

笔者利用适合模拟节理性煤层的UDEC离散元软件对直井煤层在低压范围内进行了模拟研究,从宏观到微观,从定性到定量分析了煤层井壁随边界条件变化趋势,从模拟求解图和判断方法上对煤层井壁稳定性进行了评价,建立了一种评价煤层稳定性方法。

1)从总体上看,模型在08 MPa的低压范围内,煤层井壁未发生明显变化,井壁保持完好,从微观的位移矢量上看,模型最大位移随着模拟压力增加而减小,在l MPa%<pi8 MPa过程中,最大位移变化区间为0.0040.006 m

2)通过定量分析各种状态井眼附近块体失效情况,从安全系数上看,块体在28 MPa几种状态下都超过78%。

3)综合位移变化情况和块体在各种情况下的定量分析,得出煤层在该煤层参数下最佳稳定压力区间为47 MPa.

3.2 建议

1)从以上模拟可见,在47 MPa变化过程中井眼井壁稳定性最佳,故在该煤层参数下的3号煤层在欠平衡钻进过程中井底压力应维持在该区间范围内。

2)离散元分析应用于模拟节理煤层的应用还不是很多,主要是这类数值模拟对原始数据的要求很高,故本文通过尝试建立起一种评价煤层井壁稳定性方法,在这方面还需要进一步完善。

 

参考文献

[]] 梁大川,蒲晓林,徐兴华.煤岩坍塌的特殊性及钻井液对策[J].西南石油学院!学报,200224(6)28-30.

[2] 李志刚,乌效鸣.煤岩力学特性测试与煤层气井水力压裂力学机理研究[J].石油钻探技术,200028(3)11-14.

[3] 李嗣贵,邓金根,李明志.节理破碎地层井壁稳定的离散元分析[J].岩石力学与工程学报,200221(增刊)2139-2143.

[4] PALMER IMOSCHOVIDIS ZCAMERSON J. Coal failure and consequences for coal bed methane wells[C]//paper 96872 presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition9-12 October 2005DallasTexasUSA. New YorkSPE2005.

[5] 张哲,唐春安,李连崇,等.煤层气开采过程井壁稳定性的数值试验研究[J].中国矿业,200615(9)56-58.

[6] 屈平,申瑞臣,杨恒林,等.节理煤层井壁稳定性的评价模型[J].石油学报,200930(3)456-459

[7]Itasca Consulting Group Inc. UDEC(Universal Distinct E1c1TIent Code)users manualversion3.o[M].MinneapolisItasca Consulting Group1996.

 

本文作者:尹虎  李黔  郭亮   蒋理波  李强

作者单位:西南石油大学    中国石油吐哈油田工程技术研究院   中国石化中原油田普光分公司采气厂