汪萬紅

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710054)

0 引言

隨著我國煤礦開采范圍的擴(kuò)大、開采強(qiáng)度和深度的增加，高瓦斯礦井越來越多，瓦斯對煤礦安全生產(chǎn)的威脅也越來越大，嚴(yán)重制約著煤礦的安全生產(chǎn)和煤炭工業(yè)的安全發(fā)展。煤礦區(qū)煤層氣的開發(fā)利用是保障煤炭這一主體能源安全生產(chǎn)和國家能源安全的重要措施。它在煤層氣資源開發(fā)中占有越來越重要的地位，既是防治煤礦瓦斯災(zāi)害的根本途徑，又是實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)煤層氣資源利用，保障國家能源安全的必由之路[1]。

垂直井開發(fā)方式因技術(shù)最成熟，工藝簡單、投資成本低，在我國煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)中應(yīng)用廣泛。垂直井開發(fā)工程主要包括鉆井、固井、完井、儲層改造(以水力壓裂為主)、排采等環(huán)節(jié)。各個環(huán)節(jié)有機(jī)銜接，煤層氣井才可能獲得產(chǎn)氣量的成功。固井工程是垂直井開發(fā)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是一次性工程，如果質(zhì)量不好，一般情況下難以補(bǔ)救，其質(zhì)量好壞直接關(guān)系到后續(xù)煤儲層水力壓裂改造效果，并影響產(chǎn)氣效果。此外，對于煤礦區(qū)來說，固井質(zhì)量不好，也給后期煤炭開采帶來了安全隱患。

針對上述情況，本文以彬長礦區(qū)大佛寺煤礦地面煤層氣開發(fā)實(shí)踐為例。通過對比分析常規(guī)固井和變密度固井兩種工藝的特點(diǎn)及質(zhì)量，從煤層氣開發(fā)效果和煤礦安全生產(chǎn)的角度討論了兩種工藝的優(yōu)劣，以尋求適合于煤礦區(qū)垂直井的固井工藝，為煤礦區(qū)地面垂直井煤層氣開發(fā)固井工藝提供參考和借鑒。

1 大佛寺煤礦地質(zhì)概況

大佛寺煤礦位于彬長礦區(qū)南部。彬長礦區(qū)是國家“十二五”規(guī)劃建設(shè)的大型、特大型現(xiàn)代化礦井群的重點(diǎn)礦區(qū)，也是國家規(guī)劃確定的大型煤炭基地—黃隴基地的主力礦區(qū)，煤炭資源地質(zhì)儲量和煤層氣資源量都非常豐富。但同時，彬長礦區(qū)也是高瓦斯礦區(qū)，近年來隨著礦區(qū)各礦井的陸續(xù)投產(chǎn)和煤炭開采，瓦斯超限時有發(fā)生，嚴(yán)重制約了煤炭的正常、安全生產(chǎn)，瓦斯治理形勢比較嚴(yán)峻。

大佛寺煤礦地處陜西省咸陽市北部，面積71.48 km2，是高瓦斯礦井。構(gòu)造條件簡單，整體上為一走向近EW，傾向北的單斜構(gòu)造形態(tài)。區(qū)內(nèi)以褶皺為主，斷層稀少；侏羅系延安組為本區(qū)唯一含煤地層，主采煤層4煤和4上煤煤層穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、厚度大。4煤煤層全厚平均11.65m，屬特厚煤層，是地面煤層氣開發(fā)的主要目標(biāo)煤層，含0～2層夾矸，全區(qū)可采，煤層埋藏淺，一般400～650m；水文地質(zhì)條件簡單。

2 固井工藝及質(zhì)量

2009年，為減少大佛寺煤礦瓦斯災(zāi)害，保護(hù)大氣環(huán)境，并充分利用煤層氣這一潔凈能源，陜西彬長新生能源有限公司開始在大佛寺煤礦進(jìn)行地面煤層氣開發(fā)試驗(yàn)工作。截止2015年底，已施工垂直井和水平井共計(jì)40余口(組)進(jìn)行煤礦瓦斯預(yù)抽采，其中垂直井28口。礦區(qū)產(chǎn)氣潛力較好，水平井最高日產(chǎn)氣量為30 537m3，垂直井最高日產(chǎn)氣量為3 043m3。

28口垂直井均采用二開井身結(jié)構(gòu)，一開采用Ф311.15mm鉆頭鉆至松軟層以下20m后，下入J55鋼級Ф244.5mm表層套管，注水泥漿封固地表疏松層。二開采用Φ215.9mm鉆頭鉆至4煤層底板以下60m完鉆，下入J55鋼級Ф139.7mm生產(chǎn)套管，注水泥漿固井。

采用了兩種固井工藝。第一種采用常規(guī)固井工藝，設(shè)計(jì)水泥漿密度≤1.60g/cm3，水泥漿返至4煤層段以上200m；第二種采用變密度固井工藝，設(shè)計(jì)4煤層段以上水泥漿密度≤1.60g/cm3，其他段水泥漿密度1.80g/cm3，固井水泥漿返至地面(表1)。

結(jié)果顯示，采用常規(guī)固井工藝的27口垂直井中，2口井固井質(zhì)量優(yōu)良，22口井固井質(zhì)量合格，3口井固井質(zhì)量基本合格(表2、圖1)；采用變密度固井工藝的C01井固井質(zhì)量優(yōu)良?？傮w來看，采用常規(guī)固井工藝的井固井質(zhì)量基本合格率較高(11%)，優(yōu)良井比例低(7%)。雖然采用變密度固井工藝的井比常規(guī)固井工藝的井?dāng)?shù)量少，但質(zhì)量明顯高于后者。

表1 兩種固井工藝基本參數(shù)表

圖1 常規(guī)固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)圖Figure 1 Statistical chart of conventional well cementing qualities

3 兩種固井工藝比較分析

煤礦區(qū)地面煤層氣開發(fā)主要是服務(wù)于煤礦安全生產(chǎn)，兼顧經(jīng)濟(jì)效益，與以能源開發(fā)為目的商業(yè)性開發(fā)項(xiàng)目有所不同。鑒于此，本次主要從固井工藝對煤層氣開發(fā)效果、煤礦安全生產(chǎn)影響兩方面，進(jìn)行兩種固井工藝的優(yōu)劣比較。

3.1 煤層氣開發(fā)效果

固井對煤層氣開發(fā)的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面是固井水泥漿對井筒附近煤儲層的污染，即儲層傷害；另一方面是固井質(zhì)量好壞直接關(guān)系到后續(xù)煤儲層水力壓裂增產(chǎn)措施，即儲層改造。煤層氣開發(fā)要求固井質(zhì)量要高，即層間封隔要好，同時要求固井施工對煤層的傷害要小。

(1)儲層傷害。固井作業(yè)過程中，固井水泥漿中的水泥、外加劑或外摻料等固相介質(zhì)在壓力作用下滲入煤儲層孔、裂隙中，造成孔、裂隙堵塞，增大井筒附近煤儲層的表皮系數(shù)，影響煤儲層滲透性。固井對煤層氣井產(chǎn)能的影響表現(xiàn)為對井筒附近煤儲層的污染上[2-3]。

常規(guī)固井工藝設(shè)計(jì)水泥漿密度≤1.60g/cm3，同時設(shè)計(jì)水泥漿返至4煤層以上200m，相對于變密度固井工藝設(shè)計(jì)水泥漿返至地面(表1)，其煤儲層受到的水泥漿液柱壓力相對較小，對井筒附近煤儲層孔、裂隙堵塞程度低，對滲透性影響也小，故對儲層的傷害相對小。

(2)儲層改造。目前完井方式主要有裸眼完井和套管射孔完井兩種。在我國， 由于受煤層物性的限制，絕大多數(shù)的煤層氣井需要進(jìn)行水力壓裂，所以裸眼完井應(yīng)用較少，套管射孔完井是主要的完井方法。固井是套管射孔完井技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。固井質(zhì)量不好，即對煤儲層和頂?shù)装宸夤滩缓茫毫褧鸶Z流，導(dǎo)致壓裂改造失敗或壓裂后水淹，嚴(yán)重削弱了水力壓裂對煤層氣儲層的改造效果。并間接影響產(chǎn)氣效果。

表2 固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

采用常規(guī)固井工藝的27口垂直井，對固井質(zhì)量優(yōu)良和合格的井采用了水力壓裂儲層改造措施，而對其他固井質(zhì)量基本合格的3口井，為避免發(fā)生水力壓裂過程中的竄流現(xiàn)象采用了其他儲層改造措施；采用變密度固井工藝的C01井，固井質(zhì)量優(yōu)良，采用了水力壓裂儲層改造措施。

從后續(xù)水力壓裂儲層改造和產(chǎn)氣效果來看，采用常規(guī)固井工藝的井總體產(chǎn)氣效果不佳，且各井存在差異。產(chǎn)氣好的4口井，平均日產(chǎn)氣量>1 000 m3，產(chǎn)氣較好的井2口，500 m3<平均日產(chǎn)氣量<1 000 m3，產(chǎn)氣一般的井16口，平均日產(chǎn)氣量<500 m3，不產(chǎn)氣的井5口(圖2)；采用變密度固井的C01井，煤層段水泥漿密度1.80g/cm3，更好地封固了煤層段，壓裂和產(chǎn)氣效果都較好。微地震壓裂監(jiān)測結(jié)果顯示，C01井壓裂產(chǎn)生了北東向主裂縫，主裂縫總長度為207.3 m，裂縫向兩翼延伸較均衡。裂縫影響高度為20.5 m，裂縫產(chǎn)狀為垂直。同時C01井于2011年10月4日開始排采，截至2016年12月31日，累計(jì)產(chǎn)氣316.53×104m3，最高日產(chǎn)氣量為2 155.14m3，平均日產(chǎn)氣量為1 672.54 m3(圖3)。

圖2 常規(guī)固井工藝垂直井產(chǎn)氣效果統(tǒng)計(jì)圖Figure 2 Statistical chart of conventional cementing vertical well gas production effects

圖3 C01井排采曲線圖Figure 3 Well C01 drainage curve

3.2 煤礦安全生產(chǎn)

從煤礦安全生產(chǎn)的角度出發(fā)，固井的主要目的是封閉煤系中的含水層，并防止上覆地層水的下泄和底部巖層水的上突，為煤礦生產(chǎn)提供安全保障。

大佛寺煤礦開采的直接充水含水層為侏羅系延安組、直羅組砂巖裂隙含水層，威脅較大的含水層為洛河組砂巖含水層。洛河組砂巖含水層厚度大，由于地處區(qū)域徑流帶，使含水層富水性較強(qiáng)且補(bǔ)給充足，成為礦區(qū)主要的水害因素[4]。

采用常規(guī)固井的27口垂直井，根據(jù)水泥返深情況，5口井完全封固白堊系洛河組砂巖含水層，而有22口井未完全封固(表2、圖4)，煤炭開采引起的巖層移動導(dǎo)致煤層氣井變形破壞。在采動影響下，采場上覆巖層發(fā)生離層、擠壓和層間滑移，使得地面瓦斯抽采鉆井在巖層移動的影響下發(fā)生變形甚至破壞。如果對含水層封固不好，煤層氣井可能成導(dǎo)水通道，溝通含水層，給后期煤炭開采帶來一定的安全隱患；采用變密度固井工藝的1口垂直井則完全封固了白堊系洛河組砂巖含水層，對后續(xù)煤礦開采影響小。

綜上所述，采用常規(guī)固井工藝的27口垂直井，固井質(zhì)量基本合格井比例較高、優(yōu)良井比例低。固井過程中煤儲層受到的水泥漿液柱壓力相對較小，對煤儲層滲透性和傷害都較小。大部分井后續(xù)采取水力壓裂增產(chǎn)措施后整體產(chǎn)氣效果不佳，產(chǎn)氣好的井僅4口。固井質(zhì)量基本合格的3口井為避免發(fā)生水力壓裂過程中的竄流現(xiàn)象而采用其他的增產(chǎn)措施。同時，22口井未完全封固礦區(qū)主要的水害因素——白堊系洛河組砂巖含水層，僅有5口井完全封固，給后期煤炭開采帶來了一定的安全隱患。

圖4 采用常規(guī)固井的井對洛河組含水層封固情況統(tǒng)計(jì)圖Figure 4 Statistical chart of conventional well cementing sealing effects on Luohe Formation aquifer

采用變密度固井工藝的C01井設(shè)計(jì)水泥漿返至地面，施工過程中儲層受到的水泥漿液柱壓力相對較高，對儲層的傷害相對大。煤層段水泥漿密度1.80g/cm3，更好地封固了煤層段，通過水力壓裂增產(chǎn)措施，該井裂縫向兩翼延伸較均衡，主裂縫總長度為207.3 m，提高了近井地帶的滲透率，建立了有效的產(chǎn)氣通道，產(chǎn)氣效果好，平均日產(chǎn)氣量為1 672.54m3。同時，該井完全封固白堊系洛河組砂巖含水層，對煤礦后期煤炭開采影響較小。

4 結(jié)論

(1)彬長礦區(qū)大佛寺煤礦28口地面垂直井采用了常規(guī)固井和變密度固井兩種工藝。采用常規(guī)固井工藝煤層氣井的固井質(zhì)量總體沒有采用變密度固井工藝的煤層氣井好；

(2)采用常規(guī)固井工藝的煤層氣井對煤儲層傷害小，但由于固井質(zhì)量基本合格井比例較高、優(yōu)良井比例低，影響了后續(xù)煤儲層改造手段和效果，導(dǎo)致氣井總體產(chǎn)氣效果不佳。同時，大部分井未完全封固白堊系洛河組砂巖含水層，給后期煤炭開采帶來了一定的安全隱患；采用變密度固井工藝的煤層氣井，固井質(zhì)量優(yōu)良，后續(xù)水力壓裂儲層改造效果好，產(chǎn)氣量高。并且完全封固了白堊系洛河組砂巖含水層，對后期煤炭開采影響較?。?/p>

(3)綜合考慮上述因素，采用變密度固井工藝的煤層氣井具有固井質(zhì)量高、產(chǎn)氣效果好、對后期煤炭安全開采影響小的優(yōu)勢，可為煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)提供參考和借鑒。