煤層氣井固井質(zhì)量影響因素分析

饒 曉，馬俊強(qiáng)

(廣東煤炭地質(zhì)局，廣州 510440)

我國(guó)煤層氣資源豐富，儲(chǔ)量約為37萬(wàn)億m3，開發(fā)潛力巨大。開發(fā)利用煤層氣不但可以填補(bǔ)清潔能源供給缺口，還可以兼顧煤礦安全。在國(guó)家政策激勵(lì)下，“十一五”我國(guó)煤層氣資源開發(fā)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，“十二五”期間則已完成產(chǎn)業(yè)化，“十三五”規(guī)劃又對(duì)煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了更高要求[1]，這就亟需在煤層氣勘探開發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)去尋找突破，以期為煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

固井作業(yè)是煤層氣開發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。固井質(zhì)量好壞將影響到后期壓裂和采氣作業(yè)效果以及煤層氣井壽命[2-5]。對(duì)于煤層氣井固井工藝技術(shù)前人已做了大量研究[6-9]，但是由于起步晚，地質(zhì)條件各異，現(xiàn)有工藝大多還是是照搬油田固井方法。由于煤層氣井有其本身的特殊性(如封固段長(zhǎng)度、巖性、地層壓力等)，導(dǎo)致作業(yè)手段沒(méi)有針對(duì)性，以致出現(xiàn)部分井封固不甚理想[10-12]。通過(guò)整理貴州盤州多口井生產(chǎn)資料及固井質(zhì)量，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法，分析總結(jié)井徑變化、井斜等因素對(duì)固井質(zhì)量的影響規(guī)律，以期找到影響封固質(zhì)量的主控因素，并有針對(duì)的加以改善，為煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

1.1 地層構(gòu)造

勘查區(qū)位于貴州省六盤水市盤縣北部，分屬松河鄉(xiāng)、普古鄉(xiāng)管轄。

鉆遇地層從上至下為：第四系、三疊系永寧鎮(zhèn)組、飛仙關(guān)組、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M、峨眉山玄武巖組。地質(zhì)構(gòu)造屬揚(yáng)子地臺(tái)(Ⅰ級(jí))—黔中南臺(tái)拗(Ⅱ級(jí))—六盤水?dāng)嘞?Ⅲ級(jí))。

1.2 含煤地層

主要含煤地層為二疊系龍?zhí)督M，厚341m，含煤47～66層，一般為50余層。含煤總厚37～47m，一般為41m，含煤系數(shù)12%。含可采煤層17層，可采總厚23.51m，可采含煤系數(shù)7.1%?？刹擅簩又饕植荚诤旱貙由隙魏椭卸蔚纳喜?，下段的下部。上段可采煤層為薄至中厚層，結(jié)構(gòu)一般較簡(jiǎn)單，煤層厚度及其間距多數(shù)比較穩(wěn)定；可采煤層為中厚煤層，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單至較復(fù)雜，煤層厚度及其間距有一定變化；下段可采煤層多為薄煤層，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煤層間距比較穩(wěn)定，而煤層厚度變化較大。煤質(zhì)以焦煤為主，肥煤次之，部分瘦煤，少量氣煤和1/3焦煤。

2 鉆井基本數(shù)據(jù)

本次研究選用了貴州煤田新銳地質(zhì)勘查有限公司從2015年8月至2016年9月施工的7口煤層氣地面抽采試驗(yàn)井，井型為叢式定向斜井。

7口井中的4口采用二開井身結(jié)構(gòu)，一、二開均采用套管完井方式。一開鉆徑φ311.1mm，表層套管管徑φ244.5mm；二開鉆徑φ215.9mm，生產(chǎn)套管管徑φ139.7mm。另外3口井采用三開結(jié)構(gòu)，一開鉆徑φ444.5mm，表層套管管徑φ375.0mm；二開鉆徑φ311.1mm，中間套管管徑φ244.5mm，三開鉆徑φ215.9mm，生產(chǎn)套管管徑φ139.7mm。

3 井眼狀況

3.1 井徑變化

3.1.1 井徑與固井質(zhì)量關(guān)系

對(duì)M1—M7井固井質(zhì)量差的井段井徑進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。以某井第二界面膠結(jié)情況為例，為方便作圖，分別為固井質(zhì)量好、中、差段賦值為1、2、3，作圖1，以直觀反映固井質(zhì)量和井徑關(guān)系。

圖1 第二界面膠結(jié)質(zhì)量與井徑關(guān)系Figure 1 Relationship between second interface cementing quality and well diameter

由圖1可以看出，在井徑擴(kuò)大處，多數(shù)對(duì)應(yīng)著固井質(zhì)量高值，也即是說(shuō)容易產(chǎn)生固井質(zhì)量下降的情況。原因是井徑不規(guī)則影響鉆井液頂替效率，井眼忽大忽小，特別是井徑超標(biāo)，加扶正器后套管也難以居中，井眼中存在頂替液難以到達(dá)的死角，很難將死角處的積存鉆井液頂替干凈，造成水泥與井壁膠結(jié)質(zhì)量差。

3.1.2 相關(guān)性分析

為了解井徑變化與固井質(zhì)量之間的相關(guān)性，采用SPSS軟件對(duì)井徑值和固井質(zhì)量(賦值)進(jìn)行斯皮爾曼擬合，結(jié)果如表1。

表1 界面膠結(jié)質(zhì)量與井徑相關(guān)性

前人總結(jié)[15-16]，0～0.3為微正相關(guān)、0.3～0.5為實(shí)正相關(guān)、0.5～0.8為顯著正相關(guān)、0.8～1.0為高度正相關(guān)。由表1可知，第一界面膠結(jié)質(zhì)量與井徑相關(guān)性在0～0.3，為微正相關(guān)；第二界面膠結(jié)質(zhì)量與井徑相關(guān)性在0.3～0.5，為實(shí)正相關(guān)。說(shuō)明井徑變化對(duì)固井質(zhì)量影響較大，尤其是第二界面的固井質(zhì)量。

3.2 井斜

當(dāng)井斜增大時(shí)，由于重力和套管本身的原因，套管在井眼內(nèi)偏離井眼中心的部位增多，造成環(huán)空間隙不均勻：環(huán)空間隙小的地方流動(dòng)阻力大，而環(huán)空間隙大的地方流動(dòng)阻力小，流速快，除影響頂替效果外還容易產(chǎn)生鉆井液竄槽，影響固井質(zhì)量。表2為各井封固質(zhì)量好、中、差占其總封固長(zhǎng)度的比例。

由表2和圖2可以看出，除去M6井?dāng)?shù)據(jù)(整體固井質(zhì)量差)，井斜角與第一界面的膠結(jié)質(zhì)量差數(shù)據(jù)大致呈正相關(guān)性，即隨著井斜增大，鉆井液漿與套管(第一界面)膠結(jié)質(zhì)量變差，M6井整體膠結(jié)質(zhì)量較差，可作為異常值剔除；而第二界面膠結(jié)程度在圖中顯示與井斜相關(guān)性不大。

表2 固井質(zhì)量情況

圖2 井斜與膠結(jié)質(zhì)量相關(guān)性Figure 2 Interdependency between well deviation and cementing quality

4 鉆井液性能

水泥漿和鉆井液之間的密度差對(duì)頂替效率的影響，這種影響稱為浮力效應(yīng)。鉆井液密度低，相對(duì)密度差大，浮力效應(yīng)顯著，特別是在大斜度井中套管處于偏心情況下，密度差的作用將更加明顯的體現(xiàn)出來(lái)，其作用可能使窄間隙處的鉆井液先開始頂替。適當(dāng)降低鉆井液密度，增加浮力效應(yīng)，可以提高頂替效率。

表3 鉆井液性能

由表3可以看出，M6的鉆井液密度明顯與其它井有較大差異，結(jié)合固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為鉆井液密度較大是導(dǎo)致M6井固井質(zhì)量差的一個(gè)重要因素。M6井鉆井液粘度較其它井較高，也是導(dǎo)致其固井質(zhì)量較差的因素之一。

5 井壁暴露時(shí)間

統(tǒng)計(jì)1～7井從完鉆到固井開始中間經(jīng)歷的時(shí)間，此處稱為井壁暴露時(shí)間。

表4 井壁暴露時(shí)間

結(jié)合表2、表4，做井壁暴露時(shí)間與第二界面膠結(jié)質(zhì)量關(guān)系圖(圖4)。

圖3 井壁暴露時(shí)間與第二界面膠結(jié)質(zhì)量關(guān)系Figure 3 Relationship between side wall exposure time and second interface cementing quality

由圖3可以看出，隨著井壁暴露時(shí)間的增加，第二界面膠結(jié)優(yōu)質(zhì)率逐漸降低。這是因?yàn)樵诿簩託饩赉@后和下套管固井工序期間，每隔一段時(shí)間需要循環(huán)鉆井液，可能會(huì)造成井眼更不規(guī)則。如可能出現(xiàn)的情況為：砂巖段濾失量增加，形成過(guò)厚的泥餅；煤層段井壁坍塌；泥巖段縮徑等。所以為提高固井質(zhì)量需減少井壁暴露時(shí)間，在鉆井作業(yè)完成后，盡快進(jìn)行下套管固井作業(yè)。

6 結(jié)論

1)井徑擴(kuò)大和井斜是影響固井質(zhì)量的主要因素。在鉆井施工過(guò)程中應(yīng)采取積極措施，盡量減少擴(kuò)徑和控制井斜；合理使用套管扶正器，制定針對(duì)性措施，保證套管居中度達(dá)到要求。

2)鉆井液性能也是影響固井質(zhì)量的因素之一。密切關(guān)注鉆井液密度、粘度、切力和失水量，及時(shí)調(diào)整其性能，以減少其對(duì)固井質(zhì)量的影響。

3)在鉆井作業(yè)結(jié)束后，及時(shí)下套管進(jìn)行固井作業(yè)，減少裸眼暴露時(shí)間；固井過(guò)程中全程監(jiān)控水泥漿密度、排量等達(dá)到要求。