貴州省織納煤田煤層氣井固井難點分析

李 勇 郝海洋 暢利民 黃明勇 蔡 路 班金彭

(貴州省地質礦產勘查開發局一一五地質大隊，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，其中上二疊統龍潭組為該區內最主要的含煤地層。該區除了M6號煤層較大程度受構造破壞外，其余煤層原生結構較完整。貴州省上二疊統煤層數量較多，累計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，不僅不利于固井質量的提高，可能會導致固井后層間竄流的發生，也不利于煤層的壓裂改造的選層和后期的排采工程。調節合理的套壓值，對多煤層合采排采制度的建立至關重要。因為高套壓容易造成上部煤層的裸露，而低套壓又會增加流壓，因此探索適合單井的套壓對煤層氣的排采尤為重要。而固井質量的優劣決定著煤層與生產套管間的密封性好壞，直接影響整個套管-水泥環-地層封固系統的層間分隔能力。

2 織納煤田某煤層氣井測錄井結果

圖1給出了該井M14號、M16號煤層井段錄井曲線與巖性解釋結果。從圖1中可以看出，井深220～260m層段主要存在兩個煤層，經地質分析為該區的M14號和M16號煤層。

圖1 M14號、M16號煤層的標準測井曲線

M14號煤層位于龍潭組二段中下部，分上、中、下三個薄煤層，以上分層為主；三個煤層常分叉又合并，整體為一個煤層組。各個煤層間有厚度約1m的泥巖或炭質泥巖相隔，構成薄煤層的頂板和底板。

而M16號煤層位于龍潭組二段下部，平均厚度約2m，屬于結構簡單的較穩定型煤層，該煤層原生結構完整，具有較好的物性條件。頂板為粉砂巖及粉砂質泥巖，直接底板為根土巖，間接底板為粉砂巖或細砂巖。

此外，從圖1中井徑變化曲線可看出：煤層段的井徑不規則程度大，說明鉆井過程中，對煤層段的防塌、護壁措施失效；M14號煤層井眼呈現“糖葫蘆”形狀，而M16號煤層井眼呈現“大肚子”形狀。從巖性分析結果來看，M14號煤內部出現煤泥互層段。煤泥互層段會加劇井徑的不規則，會影響固井時頂替效率的提高，從而不利于煤層段水泥環與地層的固井質量。

3 織納煤田某煤層氣井固井工藝及固井質量分析

為較好的封隔上覆巖層中的含水層，該井采用兩開井身結構設計，一開鉆至141m，完鉆井深357m，兩個開次水泥漿均返至地面。根據該井的試井結果，M16號煤層有效厚度為2.26m、煤層靜溫20.60℃、地層壓力2.652MPa、壓力系數1.041，從壓力系數分析本層屬常壓儲層。

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。因為井底溫度為29℃(井深為357m井底處)，為確保安全固井施工，進行了水泥漿、隔離液和鉆井液的配伍性實驗，實驗結果如圖2所示，三種不同體積比的混合液的初凝時間在178min以上，能夠有效的保證注水泥施工的安全進行。此外，常壓29℃條件下養護24小時的上述二開兩種水泥漿體系的抗壓強度均大于14MPa。

圖2 鉆井液、隔離液和水泥漿間的配伍性實驗結果

固井施工結束后，候凝48小時，進行了CBL/VDL測試。本文著重關注了M14號與M16號煤層段的固井質量，因此截取了井深220～260m的測井曲線，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量為優質，也就是說兩個煤層的頂底板層位的水泥環與套管和地層的膠結質量較好；同時也可以看出，煤層段的水泥環與套管和地層的膠結質量受到了煤層段的影響。

M14號煤層第一界面的聲幅最大達到35%，而整個M14號煤層的套管-水泥環界面聲幅均在20%以上，表明該層位水泥環與套管的膠結質量不如非煤層段；M14號煤層第二界面(包括M14號煤層-水泥界面和水泥-隔層界面)表現出了相對于頂板泥巖-水泥界面較弱的膠結質量。而M16號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質量不夠理想，而第二界面的膠結質量為優質。

因此，從上述井段的CBL/VDL測井曲線可以看出，非煤層段固井質量較好，含煤層段的固井質量沒有達到預期目標，尤其是第二界面復雜的M14號煤層，經射孔和水力壓裂后，將嚴重降低水泥環-地層封固體系的層間封隔能力，可能導致壓裂液通過第二界面向層間竄流，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展，從而影響單井煤層氣產量。

圖3 M14號、M16號煤層的CBL/VDL測試曲線

4 討論

對煤層氣井來說，固井的關鍵地方在套管-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”，降低水泥環與套管的膠結質量，在第一界面處產生弱膠結區或微環隙，當水泥漿性能不穩定、失水量大時，甚至在第一界面處產生“水帶”；后者可能因為煤巖的坍塌使井徑擴大，降低隔離液對泥漿的頂替及清洗效率，甚至在垮塌區窩存“死泥漿”，從而給第二界面的膠結造成物理和化學污染，降低第二界面的層間封隔能力。相對于頂板和底板的低滲透率及較好的力學性能，水泥環與煤層的接觸界面是整個封固系統的薄弱區，因為井徑的不規則、泥餅的存在等都將嚴重降低第二界面的膠結質量。結合上述案例，分析了織納煤田煤層氣井的固井難點，同時綜述目前國內可為該區固井提供借鑒的技術研究。

4.1 織納煤田煤層氣井固井難點

(1)煤層“多而薄”，構造復雜

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

(2)煤層井徑不規則，儲層壓力低，固井易漏失

煤層裂縫、割理發育，非均質性強，機械強度較低，因此力學性能不穩定。鉆井過程中，在多種外力作用下井壁極易破碎，引起井徑不規則，使煤層井段呈現出“大肚子”或“糖葫蘆”，進而影響頂替效率。根據M16號煤層試井結果，煤儲層壓力2.652MPa，采用1.82～1.85g/cm3常規固井水泥漿固井，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號和M16號煤層，井深在257m以淺。由于煤層淺，固井時替漿量較少，很難達到紊流頂替的流態，因此頂替效率低。在不規則段，渦存的“死泥漿”，會造成固井水泥漿的污染，嚴重影響第二界面的膠結質量。

(4)井底溫度低，水泥漿設計要求高

M16號煤層的溫度僅為20.60℃，這就要求固井所用水泥漿具備優良的性能，尤其要提高低密度水泥漿的早期強度和后期強度。在控制水泥水泥水化速度和水泥石力學強度的同時，還要充分兼顧水泥漿的失水量和沉降穩定性，以免對煤層進行二次污染。此外，水泥漿應具備直角稠化特性。

(5)保護煤層難度大

織金某井各煤層屬于常壓儲層，但是煤層孔隙壓力小，鉆井液及固井水泥漿的設計難度較大，而且幾乎不可能做到鉆井液和水泥漿濾失量的“零濾失”；鉆完井過程中固相對煤層的污染可能會造成煤層滲透率的永久傷害，煤儲層的水鎖傷害和化學傷害也為后期的煤層氣開采造成不良影響。

我國煤儲層普遍具有非均質性強、裂縫和割理發育、壓力梯度低等特點，鉆進過程中井壁易坍塌，且極易傷害煤儲層，基于上述煤層氣資源的實際情況，決定了我們不可能照搬歐美的技術和經驗。因此，應根據我國煤層氣井的實際情況，來探索適合我國特殊煤層的固井技術，尤其是針對貴州省織納煤田“多而薄”煤層群地層特點，研究出更適應該煤田煤層氣井的固井技術。

4.2 提高固井質量的技術研究

為盡可能的保護煤層，國內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量的提高提供借鑒。

目前探索出的固井工藝基本以優化水泥漿性能和保護煤儲層為落腳點，總結出的固井技術主要有：(1)優化水泥漿體系：低密度高強度的泡沫水泥，(超)低密度水泥漿，低失水量水泥漿，雙膨脹水泥漿；(2)優化固井工藝：塞流頂替技術，雙級注水泥固井工藝，“穿鞋帶帽，留出煤層”新工藝，繞煤層固井技術等。近年，出現了煤層氣井固井施工中應用有效隔離液提高固井質量的相關研究報道。顧軍等提出的MCS技術無需變更鉆井液及水泥漿，在現場應用中取得了顯著的效果。

國內外煤層氣井固井研究學者對固井工藝和水泥漿體系的研究工作取得了有意義的進展。煤層的強應力敏感和低壓低滲透率特性，需要整個鉆完井過程中采取相關措施保護儲層。固井作業中，如果水泥漿設計及施工工藝不合理，會使鉆進過程中保護儲層的努力付諸東流。油氣井固井的成功與否與套管-水泥-地層界面的封固質量的優劣密切相關，基于貴州省織納煤田煤層氣井固井的多重難點，在借鑒國內外有效的固井技術外，仍需開展進一步的探索研究工作。

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