(徐州221008，中國礦業大學資源與地球科學學院煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室)
文摘:在分析射孔完井優缺點的基礎上，結合山西沁水盆地寺河礦區壹口井采用的完井工藝，探討了射孔完井工藝在沁水盆地煤層氣井的適應性。發現每個地區的地層性質都有其獨特性，需要根據本地區地層的區域具體特點改進煤層氣井鉆井工藝。在煤層氣鉆井完井過程中，必須高度重視壓力對煤層的損害；研究低密度、低固相、高強度的水泥漿體系及其他低傷害、高效壓裂液是煤層氣鉆完井技術的重要保證。
關鍵詞:沁水盆地煤層氣射孔鉆完井
沁水盆地煤層氣射孔完井技術適應性研究
楊蔡芳
( 1.中國礦業大學資源與地球科學學院，煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，徐州，221008
文摘:以沁水盆地寺河煤礦的完井工藝為基礎，分析了射孔完井的優勢，並對其在沁水盆地煤層氣井的適應性進行了探討。結果表明:每個地區的地層都有其獨特的性質，有必要根據該地區的具體特點對煤層氣井的鉆井工藝做出相應的改進；煤層氣鉆完井過程中必須高度重視煤層的壓力傷害；研究更多的低密度、低固相、高強度水泥漿等低傷害、高效壓裂液是煤層氣鉆井完井技術的重要保證。
關鍵詞:沁水盆地；CBM穿孔；鉆孔；完成
項目支持:國家“973”煤層氣項目(2009CB219605)、國家科技重大專項(2011ZX05034)、國家自然科學基金重點項目(40730422)、青年科學基金項目(40802032)。
職位描述:楊慶龍，男，7月出生，1987，在讀中國礦業大學資源與地球科學學院碩士研究生。他的專業是煤層氣勘探與開發，聯系電話:13852485883，郵箱:yangqiong 325 @ 126 . com。
20世紀90年代以來，隨著地面煤層氣開采技術的引進，山西地面煤層氣開發利用發展迅速。截至2009年底，10余家中外企業在沁水煤層氣田建設了2621多口煤層氣井，地面煤層氣年抽采能力達到22億立方米。因為直井鉆井成本低，工藝簡單，技術最成熟。煤層氣的開發方式主要是地面直井。多分支水平井和叢式井的成功試驗標誌著中國煤層氣開發技術的重大突破，但由於該技術屬於實驗階段，大規模開發尚需時日。目前主要的完井方式有裸眼洞穴完井和套管射孔完井。套管射孔完井技術具有地層適用範圍廣、層間隔離好、可選擇性完井、有利於水力壓裂和采氣、井壁穩定、使用壽命長、修井方便等優點[1]。因此，該地區主要的優化完井技術仍然是套管射孔完井，裸眼洞穴完井的適用性有待研究。
1鉆孔的目的
該井是壹口煤層氣開發井，該井鉆遇層位在上石炭統太原組3號煤層底板以下41.54米。該井揭露的煤系地層厚度為82.36米，主要可采煤層為1。3號煤層位於山西組底部，外觀呈金屬光澤，其次為鏡質組和暗色煤。鉆孔深度443.85 ~ 450.45米，厚度6.6米，測井444.02 ~ 450.62米，厚度6.6米，結構簡單。鉆探的目的是為了開發利用3號煤層中的煤層氣，降低煤層中的瓦斯含量。
這口井的技術
該井井身結構符合設計要求，井身質量合格(圖1)。
圖1煤層氣井身結構示意圖
2.1井筒結構
(1)壹開井徑φ311.15mm，井深41.06m(鉆至基巖26.05m)。下直徑為φ244.50毫米的表層套管，表層套管長度為40.23米，以便於向井內註入水泥漿。固井水泥返回地面。
(2)二開井徑φ215.90mm，井深492.16m，完鉆。下φ139.70mm生產套管，長度490.49米，高出地面0.28米。固井水泥返高187.50米
(3)封堵深度487.66米，人工井底深度487.00米
2.2井眼質量審查
最終孔在489.00米處的斜度為1.1，該井最大斜度在375.00米處，斜度為1.3。全井全角變化率在400米處最大，為1.7/25米。
全井平均井徑224.20mm，平均井徑擴大率4.82%，井眼規則。非煤系地層平均井徑225.92米，平均擴徑率4.46%。煤系地層平均鉆孔直徑為223.56毫米，平均擴孔率為3.54%。全井最大井徑在3號煤層底板山西組泥巖坍塌帶，近深度450 ~ 475 m，最大井徑301.57mm，最大擴大率39.68%。
井底水平位移5.10m，全井方位角272° ~ 285°，閉合方位角279°。沒有發現井眼變形。
2.3鉆具和鉆井液的設計
鉆具組合見表1。
表1 BHA
鉆井液要求:盡可能使用與煤層水物理化學性質相似的活性水進行鉆井；井下異常情況需要用鉆井液鉆進時，應嚴格按照保護煤層的要求控制好鉆井液的固相含量(特別是微粒和膠粒的含量)和濾失量[2]。
該井采用清水鉆井，非煤系地層鉆井泥漿比重保持在1.05g/m3以下，煤系地層鉆井泥漿比重保持在1.02g/m3以下，完全滿足甲方鉆井要求..
2.4固井質量
對水泥漿的要求:嚴格控制水泥漿失水，壹般不超過200mL，水泥石高壓強度要達到14MPa以上；水泥必須在煤層頂部以上至少200米，固井質量才合格。
生產套管要求:套管柱內要有短管，便於磁定位測井校正射孔深度。短套管下入深度在煤層頂界5 ~ 10m範圍內；套管接箍、扶正器等套管附件應盡量避開煤層。
該井套管和水泥漿的使用情況見表2。
3號煤層頂板到水泥返高面的距離為252.52m，在完井壓力測試中，在15MPa的壓力下，經過30分鐘的檢測，壓力降為0。固井質量合格。根據測井曲線，含煤地層固井優良率為100%，非含煤地層固井合格率為100%。
2.5完井設計
井筒與煤層連接的技術要求:井筒與煤層的連接方式采用射孔槍射孔方式。射孔孔徑為10 ~ 15毫米；孔眼幾何形狀的短軸與長軸之比小於0.8；孔徑軌跡必須沿套管表面呈螺旋狀分布，任何截面上最多只能有壹個射孔；孔密度為15 ~ 25孔/米，射孔除了有效穿透套管和水泥環外，還應盡可能穿透煤層損害帶，進入無損害帶。
表2套管和水泥漿
該井3號煤層采用套管射孔完井，全孔深采用牙輪鉆頭鉆進。在套管、水泥膠結和密封煤層後，用射孔器將套管、水泥環和部分煤層射穿。射孔參數見表3。
表3射孔參數
2.6壓裂設計
該井采用水基壓裂水力壓裂。配液量及配方為:活性水650m3，鉆井液用HT01潤滑防塌劑325.0kg，鉆井液用HT2(腐植酸鉀)防塌劑325.0kg。配方是清水+0.05%HT01+0.05%HT2。支撐劑選用石英砂，粒徑0.15 ~ 0.3 mm，制備量10.0m3，粒徑0.45 ~ 0.9 mm，制備量26.0m3，壓裂車及輔助設備車輛名稱及數量見表4。
表4壓裂車及輔助設備車輛名稱和數量
該井3號煤層設計註入液體566.1m3，註入石英砂36 m3(0.15 ~ 0.3mm石英砂10.0m3，粒徑0.45~0.9mm石英砂26.0 m3)；實際註入液體569.6m3，加石英砂36.0 m3(0.15 ~ 0.3mm石英砂10.0m3，0.45~0.9mm石英砂26.0m3)，加砂率100%，達到設計要求。
3排水效果及技術分析
3.1排水效果
該井於2009年6月6日開始排水和生產作業。截至2010年4月9日，該井煤層氣產能隨時間的變化如圖2所示。
從圖中可以看出，該井排采6個月後，產氣峰值達到1，000m3/d。隨著排水采氣過程的持續，排水采氣效果穩定在1，000m3/d，之後無明顯改善。測井計算的煤層自然滲透率為(0.1 ~ 1)×10-3 μm 2，含氣量高達22.5m3/t，儲層參數較好，與其煤層氣井產能明顯不符。
圖2煤層氣井早期產能變化曲線
3.2工藝技術分析
通過對該井排水效果的分析，綜合項目的技術特點，除了地質條件的影響，項目目前采用的射孔完井技術存在壹些不足[3]。形成了較大的表皮系數，降低了煤儲層的有效滲透率，對煤儲層造成了較大的傷害。采用射孔完井時，對煤層氣儲層的損害包括鉆井過程中的鉆井液、固井過程中的水泥漿和射孔壓裂。
該井鉆井方式為常規清水鉆井，但常規煤層氣鉆井方式在該地區有壹定的局限性。這是因為該區下二疊統山西組巖性由灰色、深灰色泥巖、砂質泥巖、淺灰色砂巖和煤層組成，鉆井液從井底返回地面時依次穿過泥巖-煤層-灰巖-第四系土層。由於泥巖是水敏性地層，與活性水鉆井液接觸後必然引起體積膨脹，作用在煤儲層上的應力增大，導致煤儲層滲透率降低，尤其是近井地帶，嚴重影響煤層氣向井筒滲流。同時泥巖造漿能力強(從測井資料可以看出，在450.00 ~ 475.00 m範圍內，井徑達到301.57mm，井徑膨脹率達到39.68%。另壹方面也證明了泥巖的造漿能力)。雖然該井采用清水鉆井，控制地面鉆井液體系固相含量，保持比重在1.02g/m3以下等。，鉆井液通過泥巖時，通過泥巖的造漿作用形成普通的泥漿體系，這種泥漿直接與煤系地層接觸，會對煤層造成較大的傷害。
鉆井液的性能包括鉆井液密度、粘度、失水、含砂量和pH值，其中最重要的是鉆井液密度。該井固井方法采用密度為1.85g/cm3的水泥漿。水泥漿固井過程中，由於水泥漿密度大，井筒內存在較高的圍壓，煤層的應力敏感性也會造成儲層損害。壓力敏感性是指煤層有效壓力的變化對煤儲層微觀結構的影響，表現為煤層孔隙度和滲透率隨圍壓增大而降低的現象。因為煤層是彈塑性體，在高圍壓下裂隙是閉合的，這種閉合是不能完全恢復的。鄭毅[4]等人認為密度為1.85g/cm3的水泥漿對煤儲層造成的液柱壓力傷害不可低估。如果鉆完井過程中液柱壓力不控制在煤層壓力以下，會引起煤層的應力變化和塑性變形，使滲透率不能完全恢復，從而影響產氣量。
射孔壓裂過程壹方面是為氣流建立幾個流動通道與井筒連通，另壹方面會對產氣儲層造成很大傷害，有時甚至超過鉆井傷害，從而使煤層氣井產能很低。壓裂液對煤層的傷害也是煤層氣井增產效果不理想的重要原因。該井采用水基壓裂水力壓裂。水基壓裂液成本低，性能好，使用方便，應用最廣。但熊有明[5]等人研究發現，我國大部分煤層不含水。目前，水基壓裂液多用於增產改造，但壓裂液返排率僅為35% ~ 68%，剩余水仍留在煤層中。由於煤巖的強吸附性，壓裂液的吸附會引起煤巖基質的膨脹，堵塞劈理，從而降低劈理的孔隙度和滲透率，限制煤層氣的解吸[6]，在壹定程度上造成二次傷害，極大地影響煤層氣的產量；此外，由於煤層松軟，煤粉多，壓裂砂的支撐效果相對較差，井筒周圍的壓裂砂會因泄壓而回註到井筒中，這也是部分井壓裂無效的重要原因。壓裂後，有些井的產能只有自然產能的20% ~ 30%，甚至完全喪失。此外，固井液和壓裂液中的固體顆粒侵入煤儲層，直接堵塞煤儲層的孔道，會導致煤儲層的絕對滲透率和相對滲透率降低，對煤層氣井的產能產生較大影響。
基於以上分析和該井的實際情況，在完井過程中，為了達到煤層氣井增產穩產的效果，需要采取各種措施，盡量減少完井對地層的傷害。在固井過程中，需要降低作用在煤層上的有效應力，因此需要在保證強度的前提下，降低固井所用水泥漿的密度，使用低密度水泥漿、泡沫水泥漿等。目前，國外成熟的煤層氣井固井技術主要包括在水泥漿中加入固體減壓劑(如粉煤灰、空心微球等)形成高強、低密度、低失水水泥漿，在水泥漿中加入氮氣形成泡沫水泥漿等。在鉆進過程中，要減少鉆井液與煤層的接觸。考慮到該井煤層上下均有土層，馬永峰[7]等人提出在煤層中使用套管外封隔器，有效地防止了鉆井液與煤層接觸。最小化對煤層的損害。同時，封隔器的使用還解決了固井過程中煤層壓敏性、水泥漿滲透等壹系列問題。如果開采多煤層煤層氣，就有可能分段對煤層進行射孔和壓裂。在壓裂過程中，需要降低壓裂液的失水和固相含量。開發低傷害高效壓裂液是目前亟待解決的關鍵問題，也是今後的發展趨勢。泡沫壓裂液和清潔壓裂液適用於低壓低滲煤層氣儲層，在沁水盆地取得了良好的效果[8]。目前該技術成本較高，應用範圍有限，但前景良好。這是壹項適合我國煤層氣儲層條件的新技術。
4結論
煤層滲透性低，孔隙壓力低。煤儲層保護壹直是煤層氣鉆井完井施工中必須考慮的關鍵問題。鉆井液、固井液和完井液對煤儲層的汙染程度直接影響到對目標煤層理化參數的正確評價和產能的準確評價[9]。如果不重視完井技術，采取不當措施，煤層氣產能會受到很大影響。煤儲層保護的核心是使所采用的鉆完井工藝對煤層傷害小，不傷害煤層。
(1)每個地區的地層屬性都是唯壹的。在摸清了地下煤系地層的地質環境後，需要根據本地區地層的區域性具體特點，改進煤層氣井的鉆井工藝。否則很難保證不會對煤儲層造成更大的傷害。
(2)高度重視煤層氣鉆完井過程中壓力對煤層的損害，在保證攜帶巖屑和潤滑鉆具基本功能的前提下，盡量減少鉆井液的固相含量和失水。研究低密度、低固相、高強度的水泥漿體系，進壹步降低煤層液柱壓力。
(3)從目前的發展來看，水力壓裂仍是未來煤層氣增產的首選和主要措施，低傷害高效壓裂液的研究應繼續進行。
參考
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[2]孫茂元，黃生小學. 1998 .煤層氣開發利用手冊[M].北京煤炭工業出版社204 ~ 237
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熊有明，童敏，潘英德。1996.煤層氣完井方式的選擇[J].石油鉆井技術，2: 48 ~ 51
[6]王，，郭大力，紀勇。2008.煤層氣增產措施及存在的問題[J].煤，3: 33 ~ 36
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