煤层气井固井质量影响因素分析

饶 晓，马俊强

(广东煤炭地质局，广州 510440)

我国煤层气资源丰富，储量约为37万亿m3，开发潜力巨大。开发利用煤层气不但可以填补清洁能源供给缺口，还可以兼顾煤矿安全。在国家政策激励下，“十一五”我国煤层气资源开发已实现商业化，“十二五”期间则已完成产业化，“十三五”规划又对煤层气产业的发展提出了更高要求[1]，这就亟需在煤层气勘探开发的各个环节去寻找突破，以期为煤层气产业发展做出贡献。

固井作业是煤层气开发的一个重要环节。固井质量好坏将影响到后期压裂和采气作业效果以及煤层气井寿命[2-5]。对于煤层气井固井工艺技术前人已做了大量研究[6-9]，但是由于起步晚，地质条件各异，现有工艺大多还是是照搬油田固井方法。由于煤层气井有其本身的特殊性(如封固段长度、岩性、地层压力等)，导致作业手段没有针对性，以致出现部分井封固不甚理想[10-12]。通过整理贵州盘州多口井生产资料及固井质量，运用统计的方法，分析总结井径变化、井斜等因素对固井质量的影响规律，以期找到影响封固质量的主控因素，并有针对的加以改善，为煤层气产业的发展做出贡献。

1 研究区地质背景

1.1 地层构造

勘查区位于贵州省六盘水市盘县北部，分属松河乡、普古乡管辖。

钻遇地层从上至下为：第四系、三叠系永宁镇组、飞仙关组、二叠系上统龙潭组、峨眉山玄武岩组。地质构造属扬子地台(Ⅰ级)—黔中南台拗(Ⅱ级)—六盘水断陷(Ⅲ级)。

1.2 含煤地层

主要含煤地层为二叠系龙潭组，厚341m，含煤47～66层，一般为50余层。含煤总厚37～47m，一般为41m，含煤系数12%。含可采煤层17层，可采总厚23.51m，可采含煤系数7.1%。可采煤层主要分布在含煤地层上段和中段的上部，下段的下部。上段可采煤层为薄至中厚层，结构一般较简单，煤层厚度及其间距多数比较稳定；可采煤层为中厚煤层，结构较简单至较复杂，煤层厚度及其间距有一定变化；下段可采煤层多为薄煤层，结构较复杂，煤层间距比较稳定，而煤层厚度变化较大。煤质以焦煤为主，肥煤次之，部分瘦煤，少量气煤和1/3焦煤。

2 钻井基本数据

本次研究选用了贵州煤田新锐地质勘查有限公司从2015年8月至2016年9月施工的7口煤层气地面抽采试验井，井型为丛式定向斜井。

7口井中的4口采用二开井身结构，一、二开均采用套管完井方式。一开钻径φ311.1mm，表层套管管径φ244.5mm；二开钻径φ215.9mm，生产套管管径φ139.7mm。另外3口井采用三开结构，一开钻径φ444.5mm，表层套管管径φ375.0mm；二开钻径φ311.1mm，中间套管管径φ244.5mm，三开钻径φ215.9mm，生产套管管径φ139.7mm。

3 井眼状况

3.1 井径变化

3.1.1 井径与固井质量关系

对M1—M7井固井质量差的井段井径进行了统计。以某井第二界面胶结情况为例，为方便作图，分别为固井质量好、中、差段赋值为1、2、3，作图1，以直观反映固井质量和井径关系。

图1 第二界面胶结质量与井径关系Figure 1 Relationship between second interface cementing quality and well diameter

由图1可以看出，在井径扩大处，多数对应着固井质量高值，也即是说容易产生固井质量下降的情况。原因是井径不规则影响钻井液顶替效率，井眼忽大忽小，特别是井径超标，加扶正器后套管也难以居中，井眼中存在顶替液难以到达的死角，很难将死角处的积存钻井液顶替干净，造成水泥与井壁胶结质量差。

3.1.2 相关性分析

为了解井径变化与固井质量之间的相关性，采用SPSS软件对井径值和固井质量(赋值)进行斯皮尔曼拟合，结果如表1。

表1 界面胶结质量与井径相关性

前人总结[15-16]，0～0.3为微正相关、0.3～0.5为实正相关、0.5～0.8为显著正相关、0.8～1.0为高度正相关。由表1可知，第一界面胶结质量与井径相关性在0～0.3，为微正相关；第二界面胶结质量与井径相关性在0.3～0.5，为实正相关。说明井径变化对固井质量影响较大，尤其是第二界面的固井质量。

3.2 井斜

当井斜增大时，由于重力和套管本身的原因，套管在井眼内偏离井眼中心的部位增多，造成环空间隙不均匀：环空间隙小的地方流动阻力大，而环空间隙大的地方流动阻力小，流速快，除影响顶替效果外还容易产生钻井液窜槽，影响固井质量。表2为各井封固质量好、中、差占其总封固长度的比例。

由表2和图2可以看出，除去M6井数据(整体固井质量差)，井斜角与第一界面的胶结质量差数据大致呈正相关性，即随着井斜增大，钻井液浆与套管(第一界面)胶结质量变差，M6井整体胶结质量较差，可作为异常值剔除；而第二界面胶结程度在图中显示与井斜相关性不大。

表2 固井质量情况

图2 井斜与胶结质量相关性Figure 2 Interdependency between well deviation and cementing quality

4 钻井液性能

水泥浆和钻井液之间的密度差对顶替效率的影响，这种影响称为浮力效应。钻井液密度低，相对密度差大，浮力效应显著，特别是在大斜度井中套管处于偏心情况下，密度差的作用将更加明显的体现出来，其作用可能使窄间隙处的钻井液先开始顶替。适当降低钻井液密度，增加浮力效应，可以提高顶替效率。

表3 钻井液性能

由表3可以看出，M6的钻井液密度明显与其它井有较大差异，结合固井质量统计数据，可以认为钻井液密度较大是导致M6井固井质量差的一个重要因素。M6井钻井液粘度较其它井较高，也是导致其固井质量较差的因素之一。

5 井壁暴露时间

统计1～7井从完钻到固井开始中间经历的时间，此处称为井壁暴露时间。

表4 井壁暴露时间

结合表2、表4，做井壁暴露时间与第二界面胶结质量关系图(图4)。

图3 井壁暴露时间与第二界面胶结质量关系Figure 3 Relationship between side wall exposure time and second interface cementing quality

由图3可以看出，随着井壁暴露时间的增加，第二界面胶结优质率逐渐降低。这是因为在煤层气井完钻后和下套管固井工序期间，每隔一段时间需要循环钻井液，可能会造成井眼更不规则。如可能出现的情况为：砂岩段滤失量增加，形成过厚的泥饼；煤层段井壁坍塌；泥岩段缩径等。所以为提高固井质量需减少井壁暴露时间，在钻井作业完成后，尽快进行下套管固井作业。

6 结论

1)井径扩大和井斜是影响固井质量的主要因素。在钻井施工过程中应采取积极措施，尽量减少扩径和控制井斜；合理使用套管扶正器，制定针对性措施，保证套管居中度达到要求。

2)钻井液性能也是影响固井质量的因素之一。密切关注钻井液密度、粘度、切力和失水量，及时调整其性能，以减少其对固井质量的影响。

3)在钻井作业结束后，及时下套管进行固井作业，减少裸眼暴露时间；固井过程中全程监控水泥浆密度、排量等达到要求。