李 勇 郝海洋 暢利民 黃明勇 蔡 路 班金彭

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一五地質(zhì)大隊(duì)，貴州 551400)

1 織納煤田煤層特征

貴州省織納煤田是“中-薄煤層群”的典型煤田之一。含煤地層由西向東，由陸相過渡到海陸交互相，其中上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為該區(qū)內(nèi)最主要的含煤地層。該區(qū)除了M6號(hào)煤層較大程度受構(gòu)造破壞外，其余煤層原生結(jié)構(gòu)較完整。貴州省上二疊統(tǒng)煤層數(shù)量較多，累計(jì)厚度雖大但單層偏薄，且各層間距不均。煤層多、薄、縱向分散，多煤層合采技術(shù)具有較好的可行性。然而，縱向上分散的多煤層與隔層，不僅不利于固井質(zhì)量的提高，可能會(huì)導(dǎo)致固井后層間竄流的發(fā)生，也不利于煤層的壓裂改造的選層和后期的排采工程。調(diào)節(jié)合理的套壓值，對(duì)多煤層合采排采制度的建立至關(guān)重要。因?yàn)楦咛讐喝菀自斐缮喜棵簩拥穆懵?，而低套壓又?huì)增加流壓，因此探索適合單井的套壓對(duì)煤層氣的排采尤為重要。而固井質(zhì)量的優(yōu)劣決定著煤層與生產(chǎn)套管間的密封性好壞，直接影響整個(gè)套管-水泥環(huán)-地層封固系統(tǒng)的層間分隔能力。

2 織納煤田某煤層氣井測(cè)錄井結(jié)果

圖1給出了該井M14號(hào)、M16號(hào)煤層井段錄井曲線與巖性解釋結(jié)果。從圖1中可以看出，井深220～260m層段主要存在兩個(gè)煤層，經(jīng)地質(zhì)分析為該區(qū)的M14號(hào)和M16號(hào)煤層。

圖1 M14號(hào)、M16號(hào)煤層的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)井曲線

M14號(hào)煤層位于龍?zhí)督M二段中下部，分上、中、下三個(gè)薄煤層，以上分層為主；三個(gè)煤層常分叉又合并，整體為一個(gè)煤層組。各個(gè)煤層間有厚度約1m的泥巖或炭質(zhì)泥巖相隔，構(gòu)成薄煤層的頂板和底板。

而M16號(hào)煤層位于龍?zhí)督M二段下部，平均厚度約2m，屬于結(jié)構(gòu)簡單的較穩(wěn)定型煤層，該煤層原生結(jié)構(gòu)完整，具有較好的物性條件。頂板為粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖，直接底板為根土巖，間接底板為粉砂巖或細(xì)砂巖。

此外，從圖1中井徑變化曲線可看出：煤層段的井徑不規(guī)則程度大，說明鉆井過程中，對(duì)煤層段的防塌、護(hù)壁措施失效；M14號(hào)煤層井眼呈現(xiàn)“糖葫蘆”形狀，而M16號(hào)煤層井眼呈現(xiàn)“大肚子”形狀。從巖性分析結(jié)果來看，M14號(hào)煤內(nèi)部出現(xiàn)煤泥互層段。煤泥互層段會(huì)加劇井徑的不規(guī)則，會(huì)影響固井時(shí)頂替效率的提高，從而不利于煤層段水泥環(huán)與地層的固井質(zhì)量。

3 織納煤田某煤層氣井固井工藝及固井質(zhì)量分析

為較好的封隔上覆巖層中的含水層，該井采用兩開井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一開鉆至141m，完鉆井深357m，兩個(gè)開次水泥漿均返至地面。根據(jù)該井的試井結(jié)果，M16號(hào)煤層有效厚度為2.26m、煤層靜溫20.60℃、地層壓力2.652MPa、壓力系數(shù)1.041，從壓力系數(shù)分析本層屬常壓儲(chǔ)層。

一開采用密度1.76g/cm3水泥漿，上返至地面。二開水泥漿上返至地面：0～140m井段，采用密度為1.75～1.82g/cm3的水泥漿固井；140～355.86m以下井段，采用密度為1.82～1.85g/cm3水泥漿固井。二開固井施工中注入隔離液4m3。因?yàn)榫诇囟葹?9℃(井深為357m井底處)，為確保安全固井施工，進(jìn)行了水泥漿、隔離液和鉆井液的配伍性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，三種不同體積比的混合液的初凝時(shí)間在178min以上，能夠有效的保證注水泥施工的安全進(jìn)行。此外，常壓29℃條件下養(yǎng)護(hù)24小時(shí)的上述二開兩種水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度均大于14MPa。

圖2 鉆井液、隔離液和水泥漿間的配伍性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

固井施工結(jié)束后，候凝48小時(shí)，進(jìn)行了CBL/VDL測(cè)試。本文著重關(guān)注了M14號(hào)與M16號(hào)煤層段的固井質(zhì)量，因此截取了井深220～260m的測(cè)井曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看出，非煤層段的第一界面和第二界面的固井質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)，也就是說兩個(gè)煤層的頂?shù)装鍖游坏乃喹h(huán)與套管和地層的膠結(jié)質(zhì)量較好；同時(shí)也可以看出，煤層段的水泥環(huán)與套管和地層的膠結(jié)質(zhì)量受到了煤層段的影響。

M14號(hào)煤層第一界面的聲幅最大達(dá)到35%，而整個(gè)M14號(hào)煤層的套管-水泥環(huán)界面聲幅均在20%以上，表明該層位水泥環(huán)與套管的膠結(jié)質(zhì)量不如非煤層段；M14號(hào)煤層第二界面(包括M14號(hào)煤層-水泥界面和水泥-隔層界面)表現(xiàn)出了相對(duì)于頂板泥巖-水泥界面較弱的膠結(jié)質(zhì)量。而M16號(hào)煤層的第一界面的聲幅在10%～20%間，說明該層位煤層和套管的膠結(jié)質(zhì)量不夠理想，而第二界面的膠結(jié)質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)。

因此，從上述井段的CBL/VDL測(cè)井曲線可以看出，非煤層段固井質(zhì)量較好，含煤層段的固井質(zhì)量沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，尤其是第二界面復(fù)雜的M14號(hào)煤層，經(jīng)射孔和水力壓裂后，將嚴(yán)重降低水泥環(huán)-地層封固體系的層間封隔能力，可能導(dǎo)致壓裂液通過第二界面向?qū)娱g竄流，也可能致使排采期非煤層水竄入煤層，影響壓降漏斗的形成和擴(kuò)展，從而影響單井煤層氣產(chǎn)量。

圖3 M14號(hào)、M16號(hào)煤層的CBL/VDL測(cè)試曲線

4 討論

對(duì)煤層氣井來說，固井的關(guān)鍵地方在套管-水泥界面和水泥-地層界面：前者可能由于套管上泥膜清洗率較差或者“邊壁效應(yīng)”，降低水泥環(huán)與套管的膠結(jié)質(zhì)量，在第一界面處產(chǎn)生弱膠結(jié)區(qū)或微環(huán)隙，當(dāng)水泥漿性能不穩(wěn)定、失水量大時(shí)，甚至在第一界面處產(chǎn)生“水帶”；后者可能因?yàn)槊簬r的坍塌使井徑擴(kuò)大，降低隔離液對(duì)泥漿的頂替及清洗效率，甚至在垮塌區(qū)窩存“死泥漿”，從而給第二界面的膠結(jié)造成物理和化學(xué)污染，降低第二界面的層間封隔能力。相對(duì)于頂板和底板的低滲透率及較好的力學(xué)性能，水泥環(huán)與煤層的接觸界面是整個(gè)封固系統(tǒng)的薄弱區(qū)，因?yàn)榫畯降牟灰?guī)則、泥餅的存在等都將嚴(yán)重降低第二界面的膠結(jié)質(zhì)量。結(jié)合上述案例，分析了織納煤田煤層氣井的固井難點(diǎn)，同時(shí)綜述目前國內(nèi)可為該區(qū)固井提供借鑒的技術(shù)研究。

4.1 織納煤田煤層氣井固井難點(diǎn)

(1)煤層“多而薄”，構(gòu)造復(fù)雜

織納煤田煤層多、薄、縱向分散，單煤層組可能由多個(gè)薄煤層構(gòu)成(比如該井M14號(hào)煤層)，井徑不規(guī)則程度大，造成水泥漿與地層(煤層/隔層)膠結(jié)差；尤其是隔層較薄時(shí)，難以保證不同煤層間的封隔質(zhì)量?？椉{煤田褶皺與斷層發(fā)育，常鉆遇裂隙或巖溶地層，為鉆井施工帶來難題，同時(shí)影響著固井質(zhì)量的提高。

(2)煤層井徑不規(guī)則，儲(chǔ)層壓力低，固井易漏失

煤層裂縫、割理發(fā)育，非均質(zhì)性強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度較低，因此力學(xué)性能不穩(wěn)定。鉆井過程中，在多種外力作用下井壁極易破碎，引起井徑不規(guī)則，使煤層井段呈現(xiàn)出“大肚子”或“糖葫蘆”，進(jìn)而影響頂替效率。根據(jù)M16號(hào)煤層試井結(jié)果，煤儲(chǔ)層壓力2.652MPa，采用1.82～1.85g/cm3常規(guī)固井水泥漿固井，極易造成水泥漿向煤層的入侵，甚至壓漏煤層。

(3)煤層埋藏較淺，固井頂替效率低

織金某井的目的層是M14號(hào)和M16號(hào)煤層，井深在257m以淺。由于煤層淺，固井時(shí)替漿量較少，很難達(dá)到紊流頂替的流態(tài)，因此頂替效率低。在不規(guī)則段，渦存的“死泥漿”，會(huì)造成固井水泥漿的污染，嚴(yán)重影響第二界面的膠結(jié)質(zhì)量。

(4)井底溫度低，水泥漿設(shè)計(jì)要求高

M16號(hào)煤層的溫度僅為20.60℃，這就要求固井所用水泥漿具備優(yōu)良的性能，尤其要提高低密度水泥漿的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度。在控制水泥水泥水化速度和水泥石力學(xué)強(qiáng)度的同時(shí)，還要充分兼顧水泥漿的失水量和沉降穩(wěn)定性，以免對(duì)煤層進(jìn)行二次污染。此外，水泥漿應(yīng)具備直角稠化特性。

(5)保護(hù)煤層難度大

織金某井各煤層屬于常壓儲(chǔ)層，但是煤層孔隙壓力小，鉆井液及固井水泥漿的設(shè)計(jì)難度較大，而且?guī)缀醪豢赡茏龅姐@井液和水泥漿濾失量的“零濾失”；鉆完井過程中固相對(duì)煤層的污染可能會(huì)造成煤層滲透率的永久傷害，煤儲(chǔ)層的水鎖傷害和化學(xué)傷害也為后期的煤層氣開采造成不良影響。

我國煤儲(chǔ)層普遍具有非均質(zhì)性強(qiáng)、裂縫和割理發(fā)育、壓力梯度低等特點(diǎn)，鉆進(jìn)過程中井壁易坍塌，且極易傷害煤儲(chǔ)層，基于上述煤層氣資源的實(shí)際情況，決定了我們不可能照搬歐美的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。因此，應(yīng)根據(jù)我國煤層氣井的實(shí)際情況，來探索適合我國特殊煤層的固井技術(shù)，尤其是針對(duì)貴州省織納煤田“多而薄”煤層群地層特點(diǎn)，研究出更適應(yīng)該煤田煤層氣井的固井技術(shù)。

4.2 提高固井質(zhì)量的技術(shù)研究

為盡可能的保護(hù)煤層，國內(nèi)外研究者獲得了一系列的研究成果，可以為貴州省織納煤田煤層氣井固井質(zhì)量的提高提供借鑒。

目前探索出的固井工藝基本以優(yōu)化水泥漿性能和保護(hù)煤儲(chǔ)層為落腳點(diǎn)，總結(jié)出的固井技術(shù)主要有：(1)優(yōu)化水泥漿體系：低密度高強(qiáng)度的泡沫水泥，(超)低密度水泥漿，低失水量水泥漿，雙膨脹水泥漿；(2)優(yōu)化固井工藝：塞流頂替技術(shù)，雙級(jí)注水泥固井工藝，“穿鞋帶帽，留出煤層”新工藝，繞煤層固井技術(shù)等。近年，出現(xiàn)了煤層氣井固井施工中應(yīng)用有效隔離液提高固井質(zhì)量的相關(guān)研究報(bào)道。顧軍等提出的MCS技術(shù)無需變更鉆井液及水泥漿，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了顯著的效果。

國內(nèi)外煤層氣井固井研究學(xué)者對(duì)固井工藝和水泥漿體系的研究工作取得了有意義的進(jìn)展。煤層的強(qiáng)應(yīng)力敏感和低壓低滲透率特性，需要整個(gè)鉆完井過程中采取相關(guān)措施保護(hù)儲(chǔ)層。固井作業(yè)中，如果水泥漿設(shè)計(jì)及施工工藝不合理，會(huì)使鉆進(jìn)過程中保護(hù)儲(chǔ)層的努力付諸東流。油氣井固井的成功與否與套管-水泥-地層界面的封固質(zhì)量的優(yōu)劣密切相關(guān)，基于貴州省織納煤田煤層氣井固井的多重難點(diǎn)，在借鑒國內(nèi)外有效的固井技術(shù)外，仍需開展進(jìn)一步的探索研究工作。

參 考 文 獻(xiàn)

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