郭 亮

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710077）

由于煤層質(zhì)地松軟脆弱、化學性質(zhì)敏感，相對于油氣井，可用于煤層氣井的增產(chǎn)措施有限，目前，能被較為廣泛和成熟的應用的僅有壓裂技術(shù)[1-2]，雖然業(yè)內(nèi)也普遍認識到保持煤層段的潔凈有助于提高瓦斯析出，但在實際施工中對此采取針對性技術(shù)措施的很少，絕大多數(shù)情況下，僅以即將鉆遇煤層前用清水代替泥漿作為常規(guī)手段，減少對煤層造成污染[3-4]，這樣雖然可以輕微緩解對煤層滲透率和化學性質(zhì)的破壞，但實際施工中根本不能確保水源的絕對潔凈，且大量殘留在井內(nèi)的鉆井液泥漿組分、巖屑，以及新產(chǎn)生的煤粉依然會破壞瓦斯析出通道，實際應用效果并不理想。

楊林等人[5]統(tǒng)計了臨汾A 區(qū)塊L18 井組附近38口井的生產(chǎn)維護情況，其中44%的井組由于煤粉原因影響了排采，試圖通過修井恢復產(chǎn)量；魏迎春等人[6]開展了實驗，在洗井液中加入煤粉分散劑溶液，對煤粉的運移機理進行了研究，旨在改善煤粉對排采造成的影響；王少雷等人[7]對煤層氣井中的空氣動力洗井工藝進行了研究，基于流體動力原理以物理手段進行洗井，提前改造儲層，疏通煤儲層裂縫以減少后期煤粉釋放。目前，前人的大量研究均指出了在排采過程中，伴隨瓦斯析出同時不斷產(chǎn)生的煤粉是制約續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣的重要原因之一[5-9]，但并未考慮到，在完井之后、排采之前的雙方交接階段，井內(nèi)殘存的黏土等泥質(zhì)組分正在對儲層造成污染，這種污染對產(chǎn)氣量的影響會伴隨一口井的所有排采階段，部分膠著在井壁及井底的頑固泥餅、黏土絮凝物很難通過物理手段有效清除，還會在未來的排采過程中緩慢分散釋放，與新產(chǎn)生的煤粉等固相物質(zhì)相互黏附、沉淀，形成“煤泥”，加劇了煤粉的破壞力，造成儲層的二次污染甚至堵塞，嚴重威脅著一口井的生命周期。在這個階段，采取有效的化學洗井措施，可以充分清理井內(nèi)的黏土組分，短期內(nèi)可大幅提高瓦斯導流能力與煤層滲透率，長期來說，可延長穩(wěn)產(chǎn)時間、擴大產(chǎn)量，降低排采中期修井的幾率。在其他相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域，周鵬等人[10]研究了多種黏土分散劑對礦物分散行為的影響規(guī)律和機理，焦磷酸鈉溶液可有效阻礙黏土顆粒間相互聚集和重力沉降；陳浩文等人[11]采用焦磷酸鈉溶液開展了地熱井清洗試驗，有效改善了井身被泥漿、巖屑污染堵塞的情況，提高了后期抽水試驗效果?；谏鲜霈F(xiàn)狀，以在淮北地區(qū)某煤礦施工地面瓦斯預抽放井組為契機，從洗井增產(chǎn)角度對其井身結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，以焦磷酸鈉溶液作為黏土分散劑設計了洗井工序，通過化學手段充分清潔裸露煤層與瓦斯析出通道，進一步提高井組瓦斯預抽采效果，降低井下瓦斯突出風險，保障巷道掘進安全；通過在井間設置多組對照應用試驗的方式，定量定性的探究了各組洗井工藝對于增加瓦斯抽放量的實質(zhì)作用與效果，并優(yōu)選出一套最經(jīng)濟高效的方案[12-15]。

1 洗井工藝研究對象

淮北地區(qū)某煤礦為高瓦斯煤礦，主采煤層為82煤與10 煤，平均厚度分別為1.81 m 與3.22 m。82煤為瓦斯強突出煤層，全采區(qū)均處于突出危險區(qū)，為解決該礦生產(chǎn)中瓦斯突出問題，減少煤礦安全生產(chǎn)隱患，選定10 煤層作為82煤的保護層進行開采，保證82煤層獲得更長的瓦斯釋放時間。

工程目標是在10 煤某工作面對應的地面施工4 口瓦斯抽放直井，4 口井沿煤層傾斜方向布置，井位排布與掘進方向相同，井口位于10 煤工作面外圍，距其回風巷50 m，井間距80 m。終孔位置位于距10 煤頂板20 m 的裂隙帶內(nèi)，當頂板垮落后，有利于從具有大量裂隙的跨落帶抽采瓦斯。鉆井穿透被保護的82煤層，82煤層的瓦斯壓力也得到一定程度釋放，系統(tǒng)的消除礦井突出危險。

本次洗井增產(chǎn)工藝的設計與應用既以這4 口井為對象，4 口井鄰近，其地面情況、井身結(jié)構(gòu)、鉆遇地層情況、排采方式均高度一致，對于判斷不同洗井工藝造成的產(chǎn)氣效果差異十分有利。

2 井身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與篩管設計

為了給洗井作業(yè)創(chuàng)造有利條件的同時最大限度的保護井身結(jié)構(gòu)，排除井底坍縮等意外因素對本次研究的影響，保障產(chǎn)氣數(shù)據(jù)被順利收集，將礦方三開裸眼完井的設計優(yōu)化為下入篩管完井。

井身采取三開設計為：①一開φ311.15 mm 鉆至310 m，進入基巖20 m 以上，下入φ244.5 mm×11.05 mm 套管，固井，水泥漿返至井口；②二開φ215.9 mm 終孔深度524 m 至530 m 不等，鉆至82煤以上20 m 處，下入φ177.8 mm×9.19 mm 套管，固井，水泥漿返至井口；③三開φ139.7 mm 終孔深度691～701 m，穿透待采煤層82煤，鉆至10 煤以上20 m 處，下入篩管。

篩管作為瓦斯析出后進入井筒的通道十分關(guān)鍵，既要保證瓦斯運移暢通無阻，還應有足夠的強度支撐保護井壁[16-17]。以此為前提，篩管布孔采用圓孔方式，增大管身孔隙率，提高瓦斯抽放效果，也為洗井液沖刷井壁提供了流道，創(chuàng)造了有利的作業(yè)條件。

篩管串上端經(jīng)反絲接頭與鉆桿連接，下放探底后鉆具正轉(zhuǎn)解扣座入井底，為保證三開篩管串在井下姿態(tài)穩(wěn)定，篩管串頂部10 m 留在二開套管內(nèi)。三開篩管的主要加工參數(shù)及標準為：①篩管材質(zhì)：N80；②井徑：152.4 mm；③篩管外徑：139.7 mm；④篩管壁厚：9.17 mm；⑤篩管圓孔直徑：20 mm；⑥篩管圓孔相位分布：60°；⑦篩管圓孔軸向距離：100 mm；⑧篩管圓孔面密度：5.28%。

3 洗井增產(chǎn)工藝

3.1 焦磷酸鈉溶液洗井原理

常規(guī)鉆井施工中，膨潤土是鉆井液中最不可或缺的主要原料，可有效提高鉆井液攜帶性和流變性，保護井壁，提高反屑率。膨潤土是以蒙脫石為主要成分的黏土礦物，本次采用的膨潤土試樣主要化學組成SiO2、Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3的含量分別為70.37%、13.03%、3.67%、1.97%、1.21%, 其余組分不足1%。這些化學組分共構(gòu)成的鋁氧八面體、硅氧四面體夾層式結(jié)構(gòu)為單斜晶系，特殊的層狀結(jié)構(gòu)讓膨潤土組分具有很大的比表面積與較強的吸附性，同時，大量存在的-OH 親水基團使其在水溶液中表現(xiàn)出很強的懸浮性、分散性與觸變性，添加了膨潤土的鉆井液處于動態(tài)循環(huán)時物態(tài)為流動性良好的溶膠液體，靜置一段時間后物態(tài)會轉(zhuǎn)化為凝膠，不易產(chǎn)生析離水或形成沉淀。這種特性使其極易粘附在井壁上，絮凝物再通過鉆具反復擠壓，形成泥餅，泥餅進一步吸附泥質(zhì)組分，逐漸增厚、增密，有效保護井壁的同時，會降低巖層滲透率，封堵儲層裂隙，破壞煤層瓦斯析出通道。

焦磷酸鈉作為分散劑常用來降低膨潤土的團聚程度，廣泛應用于各個行業(yè)，其水溶液呈弱堿性，會與泥漿中的Ca+2、Al+3、Mg+2、Fe+2等離子組分發(fā)生強烈的絡合反應，進而滲透井壁泥皮、泥餅，削弱其中黏土顆粒間的膠結(jié)力，逐漸乳化、分散、水解，破壞其締合結(jié)構(gòu)。利用焦磷酸鈉溶液洗井，使其浸泡在井筒內(nèi)，再反覆沖洗、振蕩，與泥漿組分發(fā)生充足的化學反應，可以很好的對井身進行潔凈，更加充分的暴露煤層與瓦斯析出通道。

3.2 洗井工藝基本操作單元的設計

本次洗井作業(yè)計劃在不同井組中采用不同的工藝步驟，但對各個步驟擬采用的的基本操作單元預先進行設計，不同井組洗井作業(yè)時再對基本操作單元進行差異化的組合，形成不同的洗井方案。

1）清水驅(qū)替及沖洗方法。完井后對井筒進行初步?jīng)_洗，下φ89 mm 鉆桿探至井底口袋后開泵注入清水，驅(qū)替泥漿，至井口返出液體由泥漿轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為渾濁的臟水后開始提升鉆桿，由下自上沖刷下入篩管的井段，并在出水口經(jīng)過82煤所在深度時多次上下串動、旋轉(zhuǎn)鉆桿進行沖洗，直至井口返出清水，結(jié)束作業(yè)。

2）焦磷酸鈉溶液的浸泡與沖洗方法。按照1.00%的質(zhì)量分數(shù)[11]制備焦磷酸鈉洗井溶液，保證不發(fā)生井漏失返的情況下，下φ89 mm 鉆桿探至井底口袋后開泵注入焦磷酸鈉溶液驅(qū)替清水，至井口返出鐵銹色溶液3 min 后停泵，在出水口經(jīng)過82煤所在深度時再次開泵，多次上下串動、旋轉(zhuǎn)鉆桿對煤層部位進行沖洗，之后上提鉆桿，按設計時間進行浸泡，靜置焦磷酸鈉溶液待其與泥質(zhì)組分充分反應。另外，根據(jù)試驗設置，部分分組會多次重復本操作，再次注入焦磷酸鈉溶液沖洗浸泡，直到完成設置任務。在焦磷酸鈉溶液浸洗階段，假如浸泡時間過長、沖洗次數(shù)過多，會導致工期冗長，增大井壁坍塌風險；浸泡時間過短、沖洗次數(shù)過少，焦磷酸鈉溶液與泥質(zhì)組分反應不充分，達不到預期效果，在對上述因素充分考慮的情況下，沖洗次數(shù)設計1～3 次、單次浸泡時間設計為8～12 h 為宜，不同井組采取不同的措施。

3.3 洗井設備選型

1）洗井設備選型。洗井采用的主要設備以本工程鉆井施工所采用設備為基礎(chǔ)，開展作業(yè)時有針對性的調(diào)整泵沖、排量與循環(huán)方式等參數(shù)，洗井設備配套情況為：①TSJ－2600 鉆機1 臺，提吊與下放鉆桿；②F800 泥漿泵1 臺，最高功率627 kW，最大排量41.5 L/s；③8V190 柴油機1 臺，740 kW；④20 m3固控罐1 臺，儲存、混合洗井液；⑤φ89 mm 鉆桿80根，注入洗井液。

2）泵參的設置。本次洗井作業(yè)采用F800 泥漿泵對洗井液進行注入、循環(huán)，為提高水力射流速度與沖洗強度，泵參的設置以排量最大化為原則，洗井作業(yè)中泵參數(shù)的設置為：①沖程：229 mm；②沖數(shù)：160 min；③功率：588 kW；④缸套直徑：170 mm；⑤額定壓力：13.6 MPa；⑥吸入管口法蘭直徑：254 mm；⑦排出管口法蘭直徑：130 mm；⑧排量：38.92 L/s。

4 應用效果分組對照

在排采方式上，洗井作業(yè)結(jié)束后安裝孔口設備，在φ244.5 mm 套管裸露出地面部分以上0.6 m 處焊接厚度為30 mm 的法蘭盤，在φ177.8 mm 套管露出末端焊接短管、彎頭及法蘭盤，其中1 個法蘭盤中間留φ12 mm 出氣孔眼，另1 個法蘭盤供下入電纜使用，2 個法蘭盤由8 顆M20 螺絲連接，托盤上有4 塊均勻分布的100 mm×50 mm×15 mm 加強筋，用以防止φ177.8 mm 套管因地層采動而可能造成的下沉，在托盤位置焊接50 mm×4 mm 扁鐵埋入地下3.5 m，作為避雷接地端，并在地面加設水泥砂漿墩。井口連接瓦斯流量計對瓦斯排放量進行統(tǒng)計。

為確切驗證焦磷酸鈉溶液洗井對瓦斯抽采效果的影響，現(xiàn)場施工對4 口井采用了不同的洗井工藝，各井洗井措施與工序?qū)φ毡硪姳?。

表1 各井洗井措施與工序?qū)φ毡鞹able 1 Comparison table of well-washing measures and working procedures in each well

其中，1#井僅采用清水沖洗，也是大多數(shù)井隊鉆完井后采取的常規(guī)洗井方式，隨即開展排采工作，2#、3#、4#井先使用與1#井完全相同的方式進行清水沖洗，再使用焦磷酸鈉溶液進行進一步?jīng)_洗與浸泡，工藝流程上進一步設置差異：在焦磷酸鈉溶液洗井次數(shù)上，2#井清洗1 次，而3#、4#井為3 次，在焦磷酸鈉溶液單次浸泡時長上，2#、3#井為8 h，4#井為12 h。

以上各方案的工藝流程遵循本文3.2 中設計的基本操作單元進行，對4 口井分別進行不同程度的清洗。在后期的排采階段，嚴格收集記錄產(chǎn)氣數(shù)據(jù)，用以分析和研究不同的洗井措施對于提高產(chǎn)氣量是否能產(chǎn)生不同的效果。

4 口井在完成掘前預抽采的安全保障任務后便可關(guān)停。其中，排采時間最短的4#井開井后僅57 d即關(guān)停，而其他3 口井排采時間均大于60 d。因此，本次洗井增產(chǎn)效果研究的數(shù)據(jù)采集周期為該井首次開井采氣起的60 d 內(nèi)，統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)為4 口井的井口壓力與單日瓦斯流量，周期內(nèi)每日采集1 次數(shù)據(jù)，各井井口壓力統(tǒng)計對比圖如圖1，各井日產(chǎn)氣量統(tǒng)計對比圖如圖2。

圖1 各井井口壓力統(tǒng)計對比圖Fig.1 Wellhead pressure statistical comparison diagram of each well

圖2 各井日產(chǎn)氣量統(tǒng)計對比圖Fig.2 Daily gas production statistical comparison diagram of each well

排采期間1#井第44 d、2#井第26 d、4#井第48 d 數(shù)據(jù)歸0 是由于管路調(diào)整、井口維護導致的臨時關(guān)井情況，當日數(shù)據(jù)未予統(tǒng)計，不列入整體分析。統(tǒng)計周期內(nèi)，各井井口壓力與單日瓦斯流量的最大值與平均值見表2。

表2 各井井口壓力與單日產(chǎn)氣量的最高值與平均值Table 2 Maximum and average values of wellhead pressure and daily gas production of each well

通過對各井井口壓力與日產(chǎn)氣量的匯總分析，2組數(shù)據(jù)的起伏變化呈高度正相關(guān)性，而井間不同洗井措施的應用對產(chǎn)氣效果產(chǎn)生了不同的影響：

1）1#井未經(jīng)過焦磷酸鈉溶液洗井與長時間浸泡，井口壓力、瓦斯流量數(shù)據(jù)是4 口井中最低的。

2）2#井采用了焦磷酸鈉溶液洗井，但浸泡次數(shù)比3#、4#井少2 次，單次浸泡時間比4#井短4 h，產(chǎn)氣效果略好于1#井。

3）3#、4#井都經(jīng)過3 次焦磷酸鈉溶液洗井浸泡，井口壓力與單日瓦斯流量數(shù)據(jù)顯著高于1#、2#井，增產(chǎn)效果明顯。

4）3#、4#井的單次浸泡時間相差4 h，但兩者的產(chǎn)氣數(shù)據(jù)并無明顯差距。

試驗結(jié)果表明，3#、4#井的洗井措施增產(chǎn)效果最好，但3#井相對4#井的作業(yè)工期短12 h，相對于只采用清水沖洗的1#井，在長達60 d 的排采觀測期間，井口壓力最大值提高至1.4 倍，井口壓力平均值提高至1.42 倍，日產(chǎn)氣量最大值提高至1.8 倍，日產(chǎn)氣量平均值提高至1.65 倍。

在綜合考慮洗井作業(yè)工期、經(jīng)濟性、增產(chǎn)效果等因素的情況下，浸洗次數(shù)越多，浸泡時長越久，增產(chǎn)效果越好，但過分增加浸洗次數(shù)與時長，不能進一步提高產(chǎn)氣量，3#井方案能夠達到洗井增產(chǎn)的預期，無需過度增加浸洗次數(shù)與時長，該方案增產(chǎn)效果最好、經(jīng)濟性最強。

5 結(jié) 語

1）參與本次焦磷酸鈉洗井工藝試驗的4 口井，鉆遇地層情況相同、采用的鉆完井工藝與排采方式完全一致，能夠排除在不同工程中進行試驗所造成的誤差與不可預測變量。預先設計洗井工藝的基本操作單元，再通過單元的不同形式組合，形成井間單一變量對比，產(chǎn)氣數(shù)據(jù)差異具有更高的對比價值，體現(xiàn)出的增產(chǎn)效果確鑿可靠。

2）焦磷酸鈉溶液洗井可以有效提高瓦斯抽放井、煤層氣井的產(chǎn)氣量。按試驗設計的洗井工藝方法操作，完井后用先用清水沖洗1 次，再采用質(zhì)量分數(shù)為1.00%焦磷酸鈉溶液浸泡、沖洗3 次，其中單次浸泡時長8 h，這樣的工藝流程為本次應用試驗優(yōu)選出的最經(jīng)濟高效的作業(yè)方案，對其他類似工程具有指導意義。