煤矿区煤层气垂直井固井工艺探讨——以彬长矿区大佛寺煤矿为例

汪万红

(中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054)

0 引言

随着我国煤矿开采范围的扩大、开采强度和深度的增加，高瓦斯矿井越来越多，瓦斯对煤矿安全生产的威胁也越来越大，严重制约着煤矿的安全生产和煤炭工业的安全发展。煤矿区煤层气的开发利用是保障煤炭这一主体能源安全生产和国家能源安全的重要措施。它在煤层气资源开发中占有越来越重要的地位，既是防治煤矿瓦斯灾害的根本途径，又是实现煤矿区煤层气资源利用，保障国家能源安全的必由之路[1]。

垂直井开发方式因技术最成熟，工艺简单、投资成本低，在我国煤矿区煤层气开发中应用广泛。垂直井开发工程主要包括钻井、固井、完井、储层改造(以水力压裂为主)、排采等环节。各个环节有机衔接，煤层气井才可能获得产气量的成功。固井工程是垂直井开发中的关键环节，是一次性工程，如果质量不好，一般情况下难以补救，其质量好坏直接关系到后续煤储层水力压裂改造效果，并影响产气效果。此外，对于煤矿区来说，固井质量不好，也给后期煤炭开采带来了安全隐患。

针对上述情况，本文以彬长矿区大佛寺煤矿地面煤层气开发实践为例。通过对比分析常规固井和变密度固井两种工艺的特点及质量，从煤层气开发效果和煤矿安全生产的角度讨论了两种工艺的优劣，以寻求适合于煤矿区垂直井的固井工艺，为煤矿区地面垂直井煤层气开发固井工艺提供参考和借鉴。

1 大佛寺煤矿地质概况

大佛寺煤矿位于彬长矿区南部。彬长矿区是国家“十二五”规划建设的大型、特大型现代化矿井群的重点矿区，也是国家规划确定的大型煤炭基地—黄陇基地的主力矿区，煤炭资源地质储量和煤层气资源量都非常丰富。但同时，彬长矿区也是高瓦斯矿区，近年来随着矿区各矿井的陆续投产和煤炭开采，瓦斯超限时有发生，严重制约了煤炭的正常、安全生产，瓦斯治理形势比较严峻。

大佛寺煤矿地处陕西省咸阳市北部，面积71.48 km2，是高瓦斯矿井。构造条件简单，整体上为一走向近EW，倾向北的单斜构造形态。区内以褶皱为主，断层稀少；侏罗系延安组为本区唯一含煤地层，主采煤层4煤和4上煤煤层稳定性好、结构简单、厚度大。4煤煤层全厚平均11.65m，属特厚煤层，是地面煤层气开发的主要目标煤层，含0～2层夹矸，全区可采，煤层埋藏浅，一般400～650m；水文地质条件简单。

2 固井工艺及质量

2009年，为减少大佛寺煤矿瓦斯灾害，保护大气环境，并充分利用煤层气这一洁净能源，陕西彬长新生能源有限公司开始在大佛寺煤矿进行地面煤层气开发试验工作。截止2015年底，已施工垂直井和水平井共计40余口(组)进行煤矿瓦斯预抽采，其中垂直井28口。矿区产气潜力较好，水平井最高日产气量为30 537m3，垂直井最高日产气量为3 043m3。

28口垂直井均采用二开井身结构，一开采用Ф311.15mm钻头钻至松软层以下20m后，下入J55钢级Ф244.5mm表层套管，注水泥浆封固地表疏松层。二开采用Φ215.9mm钻头钻至4煤层底板以下60m完钻，下入J55钢级Ф139.7mm生产套管，注水泥浆固井。

采用了两种固井工艺。第一种采用常规固井工艺，设计水泥浆密度≤1.60g/cm3，水泥浆返至4煤层段以上200m；第二种采用变密度固井工艺，设计4煤层段以上水泥浆密度≤1.60g/cm3，其他段水泥浆密度1.80g/cm3，固井水泥浆返至地面(表1)。

结果显示，采用常规固井工艺的27口垂直井中，2口井固井质量优良，22口井固井质量合格，3口井固井质量基本合格(表2、图1)；采用变密度固井工艺的C01井固井质量优良。总体来看，采用常规固井工艺的井固井质量基本合格率较高(11%)，优良井比例低(7%)。虽然采用变密度固井工艺的井比常规固井工艺的井数量少，但质量明显高于后者。

表1 两种固井工艺基本参数表

图1 常规固井质量统计图Figure 1 Statistical chart of conventional well cementing qualities

3 两种固井工艺比较分析

煤矿区地面煤层气开发主要是服务于煤矿安全生产，兼顾经济效益，与以能源开发为目的商业性开发项目有所不同。鉴于此，本次主要从固井工艺对煤层气开发效果、煤矿安全生产影响两方面，进行两种固井工艺的优劣比较。

3.1 煤层气开发效果

固井对煤层气开发的影响主要体现在两个方面：一方面是固井水泥浆对井筒附近煤储层的污染，即储层伤害；另一方面是固井质量好坏直接关系到后续煤储层水力压裂增产措施，即储层改造。煤层气开发要求固井质量要高，即层间封隔要好，同时要求固井施工对煤层的伤害要小。

(1)储层伤害。固井作业过程中，固井水泥浆中的水泥、外加剂或外掺料等固相介质在压力作用下渗入煤储层孔、裂隙中，造成孔、裂隙堵塞，增大井筒附近煤储层的表皮系数，影响煤储层渗透性。固井对煤层气井产能的影响表现为对井筒附近煤储层的污染上[2-3]。

常规固井工艺设计水泥浆密度≤1.60g/cm3，同时设计水泥浆返至4煤层以上200m，相对于变密度固井工艺设计水泥浆返至地面(表1)，其煤储层受到的水泥浆液柱压力相对较小，对井筒附近煤储层孔、裂隙堵塞程度低，对渗透性影响也小，故对储层的伤害相对小。

(2)储层改造。目前完井方式主要有裸眼完井和套管射孔完井两种。在我国， 由于受煤层物性的限制，绝大多数的煤层气井需要进行水力压裂，所以裸眼完井应用较少，套管射孔完井是主要的完井方法。固井是套管射孔完井技术中的关键技术。固井质量不好，即对煤储层和顶底板封固不好，水力压裂会引起窜流，导致压裂改造失败或压裂后水淹，严重削弱了水力压裂对煤层气储层的改造效果。并间接影响产气效果。

表2 固井质量统计表

采用常规固井工艺的27口垂直井，对固井质量优良和合格的井采用了水力压裂储层改造措施，而对其他固井质量基本合格的3口井，为避免发生水力压裂过程中的窜流现象采用了其他储层改造措施；采用变密度固井工艺的C01井，固井质量优良，采用了水力压裂储层改造措施。

从后续水力压裂储层改造和产气效果来看，采用常规固井工艺的井总体产气效果不佳，且各井存在差异。产气好的4口井，平均日产气量>1 000 m3，产气较好的井2口，500 m3<平均日产气量<1 000 m3，产气一般的井16口，平均日产气量<500 m3，不产气的井5口(图2)；采用变密度固井的C01井，煤层段水泥浆密度1.80g/cm3，更好地封固了煤层段，压裂和产气效果都较好。微地震压裂监测结果显示，C01井压裂产生了北东向主裂缝，主裂缝总长度为207.3 m，裂缝向两翼延伸较均衡。裂缝影响高度为20.5 m，裂缝产状为垂直。同时C01井于2011年10月4日开始排采，截至2016年12月31日，累计产气316.53×104m3，最高日产气量为2 155.14m3，平均日产气量为1 672.54 m3(图3)。

图2 常规固井工艺垂直井产气效果统计图Figure 2 Statistical chart of conventional cementing vertical well gas production effects

图3 C01井排采曲线图Figure 3 Well C01 drainage curve

3.2 煤矿安全生产

从煤矿安全生产的角度出发，固井的主要目的是封闭煤系中的含水层，并防止上覆地层水的下泄和底部岩层水的上突，为煤矿生产提供安全保障。

大佛寺煤矿开采的直接充水含水层为侏罗系延安组、直罗组砂岩裂隙含水层，威胁较大的含水层为洛河组砂岩含水层。洛河组砂岩含水层厚度大，由于地处区域径流带，使含水层富水性较强且补给充足，成为矿区主要的水害因素[4]。

采用常规固井的27口垂直井，根据水泥返深情况，5口井完全封固白垩系洛河组砂岩含水层，而有22口井未完全封固(表2、图4)，煤炭开采引起的岩层移动导致煤层气井变形破坏。在采动影响下，采场上覆岩层发生离层、挤压和层间滑移，使得地面瓦斯抽采钻井在岩层移动的影响下发生变形甚至破坏。如果对含水层封固不好，煤层气井可能成导水通道，沟通含水层，给后期煤炭开采带来一定的安全隐患；采用变密度固井工艺的1口垂直井则完全封固了白垩系洛河组砂岩含水层，对后续煤矿开采影响小。

综上所述，采用常规固井工艺的27口垂直井，固井质量基本合格井比例较高、优良井比例低。固井过程中煤储层受到的水泥浆液柱压力相对较小，对煤储层渗透性和伤害都较小。大部分井后续采取水力压裂增产措施后整体产气效果不佳，产气好的井仅4口。固井质量基本合格的3口井为避免发生水力压裂过程中的窜流现象而采用其他的增产措施。同时，22口井未完全封固矿区主要的水害因素——白垩系洛河组砂岩含水层，仅有5口井完全封固，给后期煤炭开采带来了一定的安全隐患。

图4 采用常规固井的井对洛河组含水层封固情况统计图Figure 4 Statistical chart of conventional well cementing sealing effects on Luohe Formation aquifer

采用变密度固井工艺的C01井设计水泥浆返至地面，施工过程中储层受到的水泥浆液柱压力相对较高，对储层的伤害相对大。煤层段水泥浆密度1.80g/cm3，更好地封固了煤层段，通过水力压裂增产措施，该井裂缝向两翼延伸较均衡，主裂缝总长度为207.3 m，提高了近井地带的渗透率，建立了有效的产气通道，产气效果好，平均日产气量为1 672.54m3。同时，该井完全封固白垩系洛河组砂岩含水层，对煤矿后期煤炭开采影响较小。

4 结论

(1)彬长矿区大佛寺煤矿28口地面垂直井采用了常规固井和变密度固井两种工艺。采用常规固井工艺煤层气井的固井质量总体没有采用变密度固井工艺的煤层气井好；

(2)采用常规固井工艺的煤层气井对煤储层伤害小，但由于固井质量基本合格井比例较高、优良井比例低，影响了后续煤储层改造手段和效果，导致气井总体产气效果不佳。同时，大部分井未完全封固白垩系洛河组砂岩含水层，给后期煤炭开采带来了一定的安全隐患；采用变密度固井工艺的煤层气井，固井质量优良，后续水力压裂储层改造效果好，产气量高。并且完全封固了白垩系洛河组砂岩含水层，对后期煤炭开采影响较小；

(3)综合考虑上述因素，采用变密度固井工艺的煤层气井具有固井质量高、产气效果好、对后期煤炭安全开采影响小的优势，可为煤矿区煤层气开发提供参考和借鉴。