贵州省织纳煤田煤层气井固井难点分析

李 勇 郝海洋 畅利民 黄明勇 蔡 路 班金彭

(贵州省地质矿产勘查开发局一一五地质大队，贵州 551400)

1 织纳煤田煤层特征

贵州省织纳煤田是“中-薄煤层群”的典型煤田之一。含煤地层由西向东，由陆相过渡到海陆交互相，其中上二叠统龙潭组为该区内最主要的含煤地层。该区除了M6号煤层较大程度受构造破坏外，其余煤层原生结构较完整。贵州省上二叠统煤层数量较多，累计厚度虽大但单层偏薄，且各层间距不均。煤层多、薄、纵向分散，多煤层合采技术具有较好的可行性。然而，纵向上分散的多煤层与隔层，不仅不利于固井质量的提高，可能会导致固井后层间窜流的发生，也不利于煤层的压裂改造的选层和后期的排采工程。调节合理的套压值，对多煤层合采排采制度的建立至关重要。因为高套压容易造成上部煤层的裸露，而低套压又会增加流压，因此探索适合单井的套压对煤层气的排采尤为重要。而固井质量的优劣决定着煤层与生产套管间的密封性好坏，直接影响整个套管-水泥环-地层封固系统的层间分隔能力。

2 织纳煤田某煤层气井测录井结果

图1给出了该井M14号、M16号煤层井段录井曲线与岩性解释结果。从图1中可以看出，井深220～260m层段主要存在两个煤层，经地质分析为该区的M14号和M16号煤层。

图1 M14号、M16号煤层的标准测井曲线

M14号煤层位于龙潭组二段中下部，分上、中、下三个薄煤层，以上分层为主；三个煤层常分叉又合并，整体为一个煤层组。各个煤层间有厚度约1m的泥岩或炭质泥岩相隔，构成薄煤层的顶板和底板。

而M16号煤层位于龙潭组二段下部，平均厚度约2m，属于结构简单的较稳定型煤层，该煤层原生结构完整，具有较好的物性条件。顶板为粉砂岩及粉砂质泥岩，直接底板为根土岩，间接底板为粉砂岩或细砂岩。

此外，从图1中井径变化曲线可看出：煤层段的井径不规则程度大，说明钻井过程中，对煤层段的防塌、护壁措施失效；M14号煤层井眼呈现“糖葫芦”形状，而M16号煤层井眼呈现“大肚子”形状。从岩性分析结果来看，M14号煤内部出现煤泥互层段。煤泥互层段会加剧井径的不规则，会影响固井时顶替效率的提高，从而不利于煤层段水泥环与地层的固井质量。

3 织纳煤田某煤层气井固井工艺及固井质量分析

为较好的封隔上覆岩层中的含水层，该井采用两开井身结构设计，一开钻至141m，完钻井深357m，两个开次水泥浆均返至地面。根据该井的试井结果，M16号煤层有效厚度为2.26m、煤层静温20.60℃、地层压力2.652MPa、压力系数1.041，从压力系数分析本层属常压储层。

一开采用密度1.76g/cm3水泥浆，上返至地面。二开水泥浆上返至地面：0～140m井段，采用密度为1.75～1.82g/cm3的水泥浆固井；140～355.86m以下井段，采用密度为1.82～1.85g/cm3水泥浆固井。二开固井施工中注入隔离液4m3。因为井底温度为29℃(井深为357m井底处)，为确保安全固井施工，进行了水泥浆、隔离液和钻井液的配伍性实验，实验结果如图2所示，三种不同体积比的混合液的初凝时间在178min以上，能够有效的保证注水泥施工的安全进行。此外，常压29℃条件下养护24小时的上述二开两种水泥浆体系的抗压强度均大于14MPa。

图2 钻井液、隔离液和水泥浆间的配伍性实验结果

固井施工结束后，候凝48小时，进行了CBL/VDL测试。本文着重关注了M14号与M16号煤层段的固井质量，因此截取了井深220～260m的测井曲线，如图3所示。

从图3中可以看出，非煤层段的第一界面和第二界面的固井质量为优质，也就是说两个煤层的顶底板层位的水泥环与套管和地层的胶结质量较好；同时也可以看出，煤层段的水泥环与套管和地层的胶结质量受到了煤层段的影响。

M14号煤层第一界面的声幅最大达到35%，而整个M14号煤层的套管-水泥环界面声幅均在20%以上，表明该层位水泥环与套管的胶结质量不如非煤层段；M14号煤层第二界面(包括M14号煤层-水泥界面和水泥-隔层界面)表现出了相对于顶板泥岩-水泥界面较弱的胶结质量。而M16号煤层的第一界面的声幅在10%～20%间，说明该层位煤层和套管的胶结质量不够理想，而第二界面的胶结质量为优质。

因此，从上述井段的CBL/VDL测井曲线可以看出，非煤层段固井质量较好，含煤层段的固井质量没有达到预期目标，尤其是第二界面复杂的M14号煤层，经射孔和水力压裂后，将严重降低水泥环-地层封固体系的层间封隔能力，可能导致压裂液通过第二界面向层间窜流，也可能致使排采期非煤层水窜入煤层，影响压降漏斗的形成和扩展，从而影响单井煤层气产量。

图3 M14号、M16号煤层的CBL/VDL测试曲线

4 讨论

对煤层气井来说，固井的关键地方在套管-水泥界面和水泥-地层界面：前者可能由于套管上泥膜清洗率较差或者“边壁效应”，降低水泥环与套管的胶结质量，在第一界面处产生弱胶结区或微环隙，当水泥浆性能不稳定、失水量大时，甚至在第一界面处产生“水带”；后者可能因为煤岩的坍塌使井径扩大，降低隔离液对泥浆的顶替及清洗效率，甚至在垮塌区窝存“死泥浆”，从而给第二界面的胶结造成物理和化学污染，降低第二界面的层间封隔能力。相对于顶板和底板的低渗透率及较好的力学性能，水泥环与煤层的接触界面是整个封固系统的薄弱区，因为井径的不规则、泥饼的存在等都将严重降低第二界面的胶结质量。结合上述案例，分析了织纳煤田煤层气井的固井难点，同时综述目前国内可为该区固井提供借鉴的技术研究。

4.1 织纳煤田煤层气井固井难点

(1)煤层“多而薄”，构造复杂

织纳煤田煤层多、薄、纵向分散，单煤层组可能由多个薄煤层构成(比如该井M14号煤层)，井径不规则程度大，造成水泥浆与地层(煤层/隔层)胶结差；尤其是隔层较薄时，难以保证不同煤层间的封隔质量。织纳煤田褶皱与断层发育，常钻遇裂隙或岩溶地层，为钻井施工带来难题，同时影响着固井质量的提高。

(2)煤层井径不规则，储层压力低，固井易漏失

煤层裂缝、割理发育，非均质性强，机械强度较低，因此力学性能不稳定。钻井过程中，在多种外力作用下井壁极易破碎，引起井径不规则，使煤层井段呈现出“大肚子”或“糖葫芦”，进而影响顶替效率。根据M16号煤层试井结果，煤储层压力2.652MPa，采用1.82～1.85g/cm3常规固井水泥浆固井，极易造成水泥浆向煤层的入侵，甚至压漏煤层。

(3)煤层埋藏较浅，固井顶替效率低

织金某井的目的层是M14号和M16号煤层，井深在257m以浅。由于煤层浅，固井时替浆量较少，很难达到紊流顶替的流态，因此顶替效率低。在不规则段，涡存的“死泥浆”，会造成固井水泥浆的污染，严重影响第二界面的胶结质量。

(4)井底温度低，水泥浆设计要求高

M16号煤层的温度仅为20.60℃，这就要求固井所用水泥浆具备优良的性能，尤其要提高低密度水泥浆的早期强度和后期强度。在控制水泥水泥水化速度和水泥石力学强度的同时，还要充分兼顾水泥浆的失水量和沉降稳定性，以免对煤层进行二次污染。此外，水泥浆应具备直角稠化特性。

(5)保护煤层难度大

织金某井各煤层属于常压储层，但是煤层孔隙压力小，钻井液及固井水泥浆的设计难度较大，而且几乎不可能做到钻井液和水泥浆滤失量的“零滤失”；钻完井过程中固相对煤层的污染可能会造成煤层渗透率的永久伤害，煤储层的水锁伤害和化学伤害也为后期的煤层气开采造成不良影响。

我国煤储层普遍具有非均质性强、裂缝和割理发育、压力梯度低等特点，钻进过程中井壁易坍塌，且极易伤害煤储层，基于上述煤层气资源的实际情况，决定了我们不可能照搬欧美的技术和经验。因此，应根据我国煤层气井的实际情况，来探索适合我国特殊煤层的固井技术，尤其是针对贵州省织纳煤田“多而薄”煤层群地层特点，研究出更适应该煤田煤层气井的固井技术。

4.2 提高固井质量的技术研究

为尽可能的保护煤层，国内外研究者获得了一系列的研究成果，可以为贵州省织纳煤田煤层气井固井质量的提高提供借鉴。

目前探索出的固井工艺基本以优化水泥浆性能和保护煤储层为落脚点，总结出的固井技术主要有：(1)优化水泥浆体系：低密度高强度的泡沫水泥，(超)低密度水泥浆，低失水量水泥浆，双膨胀水泥浆；(2)优化固井工艺：塞流顶替技术，双级注水泥固井工艺，“穿鞋带帽，留出煤层”新工艺，绕煤层固井技术等。近年，出现了煤层气井固井施工中应用有效隔离液提高固井质量的相关研究报道。顾军等提出的MCS技术无需变更钻井液及水泥浆，在现场应用中取得了显著的效果。

国内外煤层气井固井研究学者对固井工艺和水泥浆体系的研究工作取得了有意义的进展。煤层的强应力敏感和低压低渗透率特性，需要整个钻完井过程中采取相关措施保护储层。固井作业中，如果水泥浆设计及施工工艺不合理，会使钻进过程中保护储层的努力付诸东流。油气井固井的成功与否与套管-水泥-地层界面的封固质量的优劣密切相关，基于贵州省织纳煤田煤层气井固井的多重难点，在借鉴国内外有效的固井技术外，仍需开展进一步的探索研究工作。

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