固井水泥漿侵入對煤儲層壓裂裂縫延展的影響

陳立超 王生維 張典坤 李 瑞 呂帥鋒

1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學礦業(yè)學院 2. 煤與煤層氣共采國家重點實驗室?晉煤集團 3. 中國地質(zhì)大學（武漢）資源學院

0 引言

由于煤儲層屬于裂縫型儲層，并且煤巖抗張強度較低，通常認為在煤儲層壓裂裂縫起裂階段耗能較低，即使在氣井壓裂施工過程中破裂壓力異常高也粗略地認為是應力異?；蛎悍鄱氯?，而對導致壓力異常的材料方面的影響因素則未深究。大量礦井解剖實例證實，近井煤儲層受固井水泥漿侵入的影響嚴重。對處于不同部位的煤層氣井而言，固井水泥漿的侵入形態(tài)及規(guī)模存在著如下差異：①對處于硬煤大裂隙的氣井，固井水泥漿沿井壁煤巖裂隙擠侵到儲層內(nèi)，并在裂縫內(nèi)形成“板片狀”膠結(jié)濾餅；②對處于構(gòu)造軟煤的氣井，固井水泥石在井眼擴徑且在橢圓長軸方向上加厚，導致后續(xù)射孔困難。針對上述煤儲層固井水泥漿侵入的問題，已有的研究工作主要集中在固井水泥漿對儲層物性的傷害機制[1-4]、固井水泥環(huán)完整性評價及固井工藝改進[5-8]、低密度水泥漿優(yōu)化等方面[9-10]，而針對近井部位固井水泥漿侵入形式及規(guī)模、水泥漿侵入對煤儲層壓裂裂縫延展的影響機制及其與排采初期煤層氣井開采效果的內(nèi)在關聯(lián)等研究得較少。

筆者選取沁水盆地煤儲層中基質(zhì)—裂隙發(fā)育組合類型迥異的區(qū)塊，對部署在不同部位的氣井，系統(tǒng)刻畫了固井水泥漿侵入形式和規(guī)模，分析了不同固井水泥漿侵入形式下煤儲層的壓裂力學判據(jù)，針對深部氣井難于開挖解剖固井水泥漿侵入特征的實際困難，提出了破裂壓力當量的定義，進而對鄭莊區(qū)塊39口煤層氣井的壓裂排采數(shù)據(jù)進行了分析，總結(jié)了固井水泥漿侵入對煤層氣井壓裂、排采的影響的情況。

1 煤層氣井固井水泥漿侵入形式及規(guī)模

基于沁水盆地煤儲層發(fā)育的基質(zhì)、裂隙的組合類型，結(jié)合礦井解剖結(jié)果，筆者總結(jié)了氣井部署在3種部位（硬煤基質(zhì)、構(gòu)造煤或發(fā)育較厚軟分層煤以及硬煤裂隙帶）固井水泥漿的侵入形式，如圖1所示。

位于硬煤基質(zhì)的氣井，井筒周圍煤儲層完整、致密，力學穩(wěn)定性好，井眼擴徑幅度很小，井壁煤巖無主導型大裂隙發(fā)育，因此鉆完井液主要以離子擴散和緩慢擠滲的濾失方式侵入儲層，其中鉆井液由于黏度小侵入略深，見圖1-a中井筒附近的白色條帶，而水泥漿基本保留在井筒環(huán)空內(nèi)以規(guī)則的薄水泥環(huán)狀分布，易射穿；在構(gòu)造煤位置的氣井井眼煤巖垮塌嚴重，在最小水平主應力σh方向井眼大幅擴徑，水泥環(huán)呈紡錘狀，難射穿（圖1-b），井壁煤巖損傷嚴重，但裂隙屬于彌散型，少有主導型裂隙，因而固井水泥漿入侵按照滲透和擴散的形式進行，入侵深度有限；位于硬煤裂隙帶的氣井，由于井眼附近煤巖大裂隙發(fā)育，且為張性裂隙，固井水泥漿在重力和泵壓作用下以“熔巖流”形式沿裂縫面向儲層深部擠侵，并在大型構(gòu)造節(jié)理縫內(nèi)形成“板片狀”膠結(jié)濾餅（圖1-c），固井水泥漿與鉆井液聚合物濾餅及煤巖間形成了清晰的膠結(jié)界面，該界面會對水力壓裂造成干擾。固井水泥漿侵入形式及規(guī)模如表1所示。

圖1 沁水盆地煤層氣井固井水泥漿侵入形態(tài)及規(guī)模的礦井解剖圖

表1 固井水泥漿侵入形態(tài)、規(guī)模的特征統(tǒng)計表

2 固井水泥漿侵入對煤儲層水力壓裂的影響

2.1 不同固井水泥漿侵入方式下的壓裂力學判據(jù)

依據(jù)前述3種煤層氣井固井水泥漿侵入方式和沁水盆地煤儲層壓裂裂縫延展特征的礦井解剖，筆者提出了與之相應的3種煤儲層壓裂裂縫的起裂、延展斷裂力學判據(jù)。如圖1-a所示，位于硬煤基質(zhì)的氣井環(huán)空規(guī)則，水泥環(huán)較薄，射孔穿透率高；固井水泥石對壓裂的影響輕微，要實現(xiàn)裂縫起裂及延伸，注入流體壓力僅需抵抗煤巖抗張強度；壓裂裂縫起裂、延展的斷裂力學條件分別為裂縫端部應力強度因子KIc大于煤巖起裂斷裂韌度 ，及裂縫端部應力強度因子KIc大于煤巖失穩(wěn)斷裂韌度 ；位于該部位的氣井，壓裂裂縫起裂和延展的難度均較低。如圖1-b所示，位于構(gòu)造煤的氣井擴徑嚴重，井筒環(huán)空截面水泥呈橢圓狀，橢圓長軸與最小水平主應力方向一致，該方向上固井水泥環(huán)可加厚5～10 cm，導致射孔穿透率低或未射穿；由于壓裂裂縫起裂先要壓開加厚水泥環(huán)，即注入流體壓力需抵抗水泥環(huán)的抗張強度，相應壓裂裂縫起裂的斷裂力學條件為裂縫端部應力強度因子KIc大于水泥石起裂斷裂韌度 ，而壓開水泥環(huán)后壓裂液能量僅需抵抗煤巖抗張強度，裂縫延展的斷裂力學條件為裂縫端部應力強度因子KIc大于損傷型煤巖的失穩(wěn)斷裂韌度 ；位于該部位的氣井，壓裂裂縫起裂難度較高，但壓開水泥環(huán)后裂縫延展難度較低。如圖1-c所示，位于硬煤裂隙帶的氣井井眼擴徑適度，水泥環(huán)厚度適中，射孔穿透率較高；固井水泥漿在壓力作用下沿近井大裂隙擠侵到儲層內(nèi)形成“板片狀”膠結(jié)濾餅；在壓裂裂縫起裂和延展初期，注入流體壓力需抵抗水泥—煤巖膠結(jié)界面的抗張強度，在裂縫延展后期流體壓力抵抗的則是煤巖材質(zhì)的抗張強度；壓裂裂縫起裂、延展初期及延展后期的斷裂力學條件分別為壓裂裂縫端部應力強度因子KIc大于水泥—煤巖膠結(jié)界面的起裂斷裂韌度及應力強度因子KIc大于煤巖失穩(wěn)斷裂韌度

2.2 深部煤層氣井固井水泥漿侵入方式預測

對于煤層埋藏較深且區(qū)內(nèi)無礦井解剖條件的區(qū)塊（如鄭莊區(qū)塊），無法直接觀測氣井固井水泥漿的侵入特征，為實現(xiàn)此類區(qū)塊煤層氣井水力壓裂效果的評價，研究固井水泥漿侵入對氣井開采效果的影響，有必要提出一種固井水泥漿侵入形式及近井煤儲層基質(zhì)—裂隙發(fā)育組合類型的預測方法。

2.2.1 預測原理及方法

由于近井部位煤儲層基質(zhì)—裂隙發(fā)育組合類型不同，破裂壓力也不同，其值的高低反映了近井部位材料破裂的難易程度，如果能建立破裂壓力與不同材質(zhì)抗張強度之間的關系，則通過分析施工壓力即可判斷井下固井水泥漿的侵入方式及煤層的基質(zhì)—裂隙發(fā)育組合類型，從而為評價儲層壓裂造縫效果、分析固井水泥漿侵入方式與煤層氣產(chǎn)出效率的內(nèi)在關聯(lián)提供重要依據(jù)。

通常，破裂壓力除受近井部位材料抗張強度的影響外，氣井井筒內(nèi)的靜液柱壓力、壓裂液流動摩阻及作用于壓裂裂縫壁面上的最小主應力等也是影響其值高低的重要因素[11,12]。對于同一研究區(qū)內(nèi)的不同氣井，由于煤層埋藏深度、井筒長度及應力大小等因素，要構(gòu)建破裂壓力與近井材料抗張強度之間的關系，需要確定水力壓裂過程中實際作用于近井部位材料的那部分有效致裂能量。為此，筆者提出了“破裂壓力當量”的概念，通過去除井筒液柱壓力、壓裂液流動摩阻及作用于壓裂裂縫壁面上的最小主應力等因素，將破裂壓力統(tǒng)一為僅衡量井筒附近材料破裂難度的實際能量消耗值，從而判斷不同氣井近井部位材料起裂的難易程度。破裂壓力當量的計算式為：

式中pt表示破裂壓力當量，MPa；pf表示煤層氣井壓裂曲線讀取的破裂壓力，MPa；pH表示煤層氣井井筒的靜液柱壓力，MPa；pM表示煤層氣井井筒管柱的沿程摩阻，MPa；σh表示作用在煤巖壓裂裂縫壁面上的最小主應力，MPa。

依據(jù)煤巖抗張強度、水泥石抗張強度及水泥—煤巖膠結(jié)界面處抗張強度的比較關系，提出了煤層氣井固井水泥漿侵入方式的判據(jù)：①破裂壓力當量pt小于1.50 MPa時，固井水泥漿均勻充注在氣井井眼—套管環(huán)空，認為氣井位于硬煤基質(zhì)；②pt介于1.50～9.00 MPa時，固井水泥漿沿井壁構(gòu)造節(jié)理縫擠侵到儲層內(nèi)形成膠結(jié)濾餅，認為氣井位于硬煤裂隙帶；③pt大于9.00 MPa時，固井水泥漿在井眼環(huán)空垮塌空間加厚形成紡錘體，認為氣井位于構(gòu)造煤。

2.2.2 預測結(jié)果

利用上述計算方法，筆者對沁水盆地鄭莊區(qū)塊39口氣井破裂壓力當量進行了計算，并對各氣井近井煤儲層基質(zhì)—裂隙發(fā)育組合類型進行了預測，同時還統(tǒng)計了各氣井的壓裂施工、排采數(shù)據(jù)，包括在排水階段的前7個月氣井累計凈產(chǎn)水量（即累計產(chǎn)水量與加液量的差值，當累計產(chǎn)水量大于加液量時，該值為正，反之則為負）、壓后壓降速率[13]（即壓后停泵壓力與儲層壓力之差除以裂縫延展時間）及產(chǎn)氣階段的前3個月氣井日均產(chǎn)氣量（表2）。依據(jù)上述方法進行分析，認為39口煤層氣井中有10口位于硬煤基質(zhì)，且全部屬于鄭一采氣作業(yè)區(qū)；14口氣井位于硬煤裂隙帶，其中10口屬于鄭一采氣作業(yè)區(qū)，4口屬于鄭二采氣作業(yè)區(qū)；15口氣井部署于構(gòu)造煤，其中大部分井屬于鄭二采氣作業(yè)區(qū)，僅3口井屬于鄭一采氣作業(yè)區(qū)。

上述預測結(jié)果反映了鄭莊區(qū)塊煤儲層基質(zhì)—裂隙組合發(fā)育的非均質(zhì)規(guī)律，受燕山期構(gòu)造應力場控制該區(qū)塊煤儲層大裂隙主體為NNE及NW向[14-16]，且靠近寺頭斷層帶的鄭一采氣作業(yè)區(qū)煤儲層裂隙發(fā)育程度高，受寺頭斷層影響在伸展構(gòu)造應力環(huán)境下形成一系列NE—SW向構(gòu)造節(jié)理帶，因此鄭一采氣作業(yè)區(qū)內(nèi)煤儲層總體為硬煤基質(zhì)和硬煤裂隙帶交互的裂縫型儲層系統(tǒng)格局；而鄭莊研究區(qū)西北部（鄭二采氣作業(yè)區(qū)）受一系列走向近SN及NW—SE向緊閉褶皺構(gòu)造的影響，鄭二采氣作業(yè)區(qū)總體為一左旋的脆性剪切構(gòu)造應力環(huán)境，并在收斂端產(chǎn)生一定的應力集中，因此鄭二采氣作業(yè)區(qū)內(nèi)煤儲層較為破碎，構(gòu)造煤較發(fā)育。

本次通過計算破裂壓力當量，得出的鄭莊區(qū)塊煤儲層基質(zhì)—裂隙組合類型及大裂隙發(fā)育特征規(guī)律，與筆者前期的研究結(jié)論是相吻合的[13]。

3 固井水泥漿侵入對煤層氣井壓裂、排采的影響

3.1 煤層氣井的排采特征

如圖2所示，煤層氣井在排水階段的前7個月累計凈產(chǎn)水量隨pt的增大而減少。位于硬煤基質(zhì)的氣井，固井水泥漿侵入輕微，壓裂裂縫起裂后與最近的天然大裂隙溝通而形成縫網(wǎng)，該類氣井的泄流面積大，壓后儲層的滲透性好，壓裂液返排速度快，氣井初期產(chǎn)液量大；而位于硬煤裂隙帶的氣井，固井水泥漿沿井壁煤巖裂隙擠侵到儲層內(nèi)形成濾餅，為克服煤巖—濾餅界面的膠結(jié)強度消耗了大量壓裂液能量，因而壓裂裂縫短而寬，氣井泄流面積有限但主裂縫導流能力較好，氣井產(chǎn)水量為中等；位于構(gòu)造煤的氣井固井水泥環(huán)較厚，在壓裂裂縫起裂階段為壓開水泥環(huán)需消耗大量能量，導致壓裂裂縫較短，氣井初期產(chǎn)水量小。

壓降速率參數(shù)反映了壓裂液的濾失速率及儲層的整體改造效果，主要由裂縫壁面面積及壁面滲透率控制。如圖3所示，位于硬煤基質(zhì)的氣井，近井煤巖脆性指數(shù)高，可壓性好，壓裂后形成的裂縫長，且裂縫壁面面積大，因此壓裂液濾失速率大，且壓后泵壓快速泄壓；位于構(gòu)造煤的氣井，由于壓裂后形成的裂縫較短，裂縫壁面面積有限，且由于煤體被損傷，后期重新壓實后多形成致密低滲的“鏡面”構(gòu)造，使得該類氣井壓裂后壓降速率較慢；位于硬煤裂隙帶的氣井，由于固井水泥漿侵入后在壓裂裂縫一側(cè)為阻隔壓裂液濾失的水泥濾餅，盡管壓裂后形成的總的裂縫壁面面積較位于構(gòu)造煤氣井的大，但有效滲水裂縫壁面面積有限，因此該類氣井壓裂液的濾失速率也較慢。

如圖4所示，位于硬煤基質(zhì)的氣井，由于固井水泥漿侵入輕微，壓裂后形成的裂縫較長，排采初期氣井排水降壓的負擔較重，壓降傳遞慢、產(chǎn)氣晚，表現(xiàn)為初期產(chǎn)氣量較低，但隨著壓降漏斗外擴，氣井累計產(chǎn)氣量大，產(chǎn)氣形式屬于“細水長流型”；位于構(gòu)造煤的氣井，由于井眼水泥環(huán)加厚導致壓裂裂縫集中在井筒附近，儲層整體改造范圍有限，但由于構(gòu)造煤煤層氣的解吸速度快，使得該類氣井見氣早、初期產(chǎn)氣量較高，但后期產(chǎn)氣量衰減快，且由于構(gòu)造煤的滲透性差以及構(gòu)造煤粉顆粒對裂縫的堵塞[17-18]，該類氣井后期產(chǎn)氣量甚至呈現(xiàn)斷崖式下降的趨勢，總體上的產(chǎn)氣效果較差；相對而言，位于硬煤裂隙帶的氣井，壓裂后形成的裂縫多為短寬型，盡管氣井泄流面積有限，但排水降壓傳遞效率高，氣井上產(chǎn)較快，經(jīng)歷較短的排水降壓期（介于幾天～1周）就可產(chǎn)氣，且在產(chǎn)氣初期（1～2年內(nèi)）也能夠保持較好的產(chǎn)氣能力，是沁水盆地高產(chǎn)部位具有代表性的產(chǎn)氣形式。

3.2 不同固井水泥漿侵入方式對煤層氣井壓裂、排采的影響

鄭莊區(qū)塊位于寺頭斷層以西上盤部位，其中鄭一采氣作業(yè)區(qū)由于靠近寺頭斷層帶，受古構(gòu)造應力場控制使得區(qū)內(nèi)煤儲層發(fā)育一系列走向NNE的大型構(gòu)造節(jié)理，本區(qū)現(xiàn)今最大水平主應力σH方位為北偏東45°。如圖5-a所示，對位于硬煤基質(zhì)的氣井，壓裂初期裂縫起裂延展方位嚴格受σH控制，裂縫方位為北偏東40°～45°，當壓裂裂縫與天然大裂隙相交后，壓裂裂縫將沿天然裂隙方位延展，形成規(guī)模化縫網(wǎng)，煤儲層實現(xiàn)深度改造；壓裂時施工壓力變化特征為初期略高，出現(xiàn)壓力峰值，此為抵抗煤巖抗張強度的表現(xiàn)，煤巖致裂后泄壓壓力穩(wěn)定（圖5-b），該階段注入壓裂液能量與煤巖斷裂耗能達到平衡；排采期間，由于氣井壓裂裂縫長，井控面積大，氣井產(chǎn)氣量緩慢增加到峰值，并可在峰值部位穩(wěn)產(chǎn)較長時間，而后產(chǎn)氣量緩慢下降（圖5-c）。

表2 鄭莊區(qū)塊煤層氣井破裂壓力當量及近井煤儲層基質(zhì)—裂隙發(fā)育組合預測結(jié)果表

圖2 pt與氣井累計凈產(chǎn)水量

圖3 pt與氣井壓裂后壓降速率（vp）的關系曲線圖

圖4 pt與排采初期氣井產(chǎn)氣量（Qg）的關系曲線圖

位于構(gòu)造煤的氣井，壓裂造縫困難，礦井解剖發(fā)現(xiàn)壓裂液形成的水射流會在近井構(gòu)造煤體中淘洗擴容，形成短寬縫（或稱為洞穴）（圖5-d）；壓裂初期施工泵壓較高（圖5-e），壓裂液注入的能量用于壓開水泥石，尤其壓開煤層段中部最厚部位最難，導致大量壓裂液沿靠近煤層頂?shù)装宀课簧淇卓籽圻M入儲層而壓開了煤層與頂?shù)装宓慕缑妫纬伞癟”形或“工”字形復合壓裂裂縫[12,19]；水泥環(huán)壓開后施工泵壓快速下降，后續(xù)壓裂液能量主要克服損傷煤體的抗張強度，并繼續(xù)進行擴容；該類氣井在排采初期很快見產(chǎn)，而后由于氣井泄流面積小及構(gòu)造煤粉源顆粒的運移堵塞[20]，產(chǎn)氣量迅速衰減（圖5-f）。

位于硬煤裂隙帶的氣井，壓裂裂縫主要沿天然大裂隙方位延展（圖5-g）；在壓裂初期為壓開近井煤巖—水泥濾餅界面，施工泵壓較高，裂縫延展過程施工泵壓逐漸降低，當壓裂裂縫延展到水泥尖滅位置時，為使前方煤巖起裂，施工泵壓略有提升（圖5-h）；氣井在排采初期日產(chǎn)氣量快速上升并達到峰值，由于壓裂裂縫長度有限導致穩(wěn)產(chǎn)時間較短，后期氣井產(chǎn)氣量緩慢下降（圖5-i）。

4 結(jié)論

1）基于沁水盆地廢棄煤層氣井礦井解剖結(jié)果，總結(jié)了3種煤層氣井固井水泥漿的侵入方式：固井水泥漿正常充注型（硬煤基質(zhì)）、加厚型（構(gòu)造煤）及煤巖—水泥膠結(jié)界面型（硬煤裂隙帶）。

2）固井水泥漿正常充注型壓裂裂縫起裂的斷裂力學條件為裂縫端部應力強度因子大于煤巖起裂斷裂韌度,裂縫延展的斷裂力學條件為裂縫端部應力強度因子大于煤巖失穩(wěn)斷裂韌度；對于加厚型，裂縫起裂的斷裂力學條件為裂縫端部應力強度因子大于水泥材料的起裂斷裂韌度，裂縫延展的斷裂力學條件為裂縫端部應力強度因子大于損傷型煤巖的失穩(wěn)斷裂韌度；對于煤巖—水泥膠結(jié)界面型，裂縫起裂與初期延展的斷裂力學條件為裂縫端部應力強度因子大于膠結(jié)界面的起裂斷裂韌度，后期延展的斷裂力學條件為裂縫端部應力強度因子大于煤巖的失穩(wěn)斷裂韌度。

3）破裂壓力當量pt小于1.50 MPa時，固井水泥漿均勻充注在氣井井眼—套管環(huán)空，氣井位于硬煤基質(zhì)；pt介于1.50～9.00 MPa時，固井水泥漿沿井壁構(gòu)造節(jié)理縫擠侵到儲層內(nèi)形成膠結(jié)濾餅，氣井位于硬煤裂隙帶；pt大于9.00 MPa時，固井水泥在井眼環(huán)空垮塌空間加厚形成紡錘體，氣井位于構(gòu)造煤。

圖5 固井水泥漿侵入對煤層氣井壓裂、排采的綜合影響模式圖

4）位于硬煤基質(zhì)的氣井在排采期間氣井產(chǎn)氣量緩慢增加到峰值，并可在峰值部位穩(wěn)產(chǎn)較長時間，而后產(chǎn)氣量緩慢下降；位于構(gòu)造煤的氣井在排采初期很快見產(chǎn)，隨后產(chǎn)氣量迅速衰減；位于硬煤裂隙帶的氣井在排采初期產(chǎn)氣量快速上升并達到峰值，但穩(wěn)產(chǎn)時間較短，而后產(chǎn)氣量緩慢下降。

5）本次研究的成果可以為深化煤儲層壓裂裂縫延展理論并為煤層氣井水力壓裂施工方案優(yōu)化提供支撐。