固井水泥浆侵入对煤储层压裂裂缝延展的影响

陈立超 王生维 张典坤 李 瑞 吕帅锋

1. 内蒙古工业大学矿业学院 2. 煤与煤层气共采国家重点实验室•晋煤集团 3. 中国地质大学（武汉）资源学院

0 引言

由于煤储层属于裂缝型储层，并且煤岩抗张强度较低，通常认为在煤储层压裂裂缝起裂阶段耗能较低，即使在气井压裂施工过程中破裂压力异常高也粗略地认为是应力异常或煤粉堵塞所致，而对导致压力异常的材料方面的影响因素则未深究。大量矿井解剖实例证实，近井煤储层受固井水泥浆侵入的影响严重。对处于不同部位的煤层气井而言，固井水泥浆的侵入形态及规模存在着如下差异：①对处于硬煤大裂隙的气井，固井水泥浆沿井壁煤岩裂隙挤侵到储层内，并在裂缝内形成“板片状”胶结滤饼；②对处于构造软煤的气井，固井水泥石在井眼扩径且在椭圆长轴方向上加厚，导致后续射孔困难。针对上述煤储层固井水泥浆侵入的问题，已有的研究工作主要集中在固井水泥浆对储层物性的伤害机制[1-4]、固井水泥环完整性评价及固井工艺改进[5-8]、低密度水泥浆优化等方面[9-10]，而针对近井部位固井水泥浆侵入形式及规模、水泥浆侵入对煤储层压裂裂缝延展的影响机制及其与排采初期煤层气井开采效果的内在关联等研究得较少。

笔者选取沁水盆地煤储层中基质—裂隙发育组合类型迥异的区块，对部署在不同部位的气井，系统刻画了固井水泥浆侵入形式和规模，分析了不同固井水泥浆侵入形式下煤储层的压裂力学判据，针对深部气井难于开挖解剖固井水泥浆侵入特征的实际困难，提出了破裂压力当量的定义，进而对郑庄区块39口煤层气井的压裂排采数据进行了分析，总结了固井水泥浆侵入对煤层气井压裂、排采的影响的情况。

1 煤层气井固井水泥浆侵入形式及规模

基于沁水盆地煤储层发育的基质、裂隙的组合类型，结合矿井解剖结果，笔者总结了气井部署在3种部位（硬煤基质、构造煤或发育较厚软分层煤以及硬煤裂隙带）固井水泥浆的侵入形式，如图1所示。

位于硬煤基质的气井，井筒周围煤储层完整、致密，力学稳定性好，井眼扩径幅度很小，井壁煤岩无主导型大裂隙发育，因此钻完井液主要以离子扩散和缓慢挤渗的滤失方式侵入储层，其中钻井液由于黏度小侵入略深，见图1-a中井筒附近的白色条带，而水泥浆基本保留在井筒环空内以规则的薄水泥环状分布，易射穿；在构造煤位置的气井井眼煤岩垮塌严重，在最小水平主应力σh方向井眼大幅扩径，水泥环呈纺锤状，难射穿（图1-b），井壁煤岩损伤严重，但裂隙属于弥散型，少有主导型裂隙，因而固井水泥浆入侵按照渗透和扩散的形式进行，入侵深度有限；位于硬煤裂隙带的气井，由于井眼附近煤岩大裂隙发育，且为张性裂隙，固井水泥浆在重力和泵压作用下以“熔岩流”形式沿裂缝面向储层深部挤侵，并在大型构造节理缝内形成“板片状”胶结滤饼（图1-c），固井水泥浆与钻井液聚合物滤饼及煤岩间形成了清晰的胶结界面，该界面会对水力压裂造成干扰。固井水泥浆侵入形式及规模如表1所示。

图1 沁水盆地煤层气井固井水泥浆侵入形态及规模的矿井解剖图

表1 固井水泥浆侵入形态、规模的特征统计表

2 固井水泥浆侵入对煤储层水力压裂的影响

2.1 不同固井水泥浆侵入方式下的压裂力学判据

依据前述3种煤层气井固井水泥浆侵入方式和沁水盆地煤储层压裂裂缝延展特征的矿井解剖，笔者提出了与之相应的3种煤储层压裂裂缝的起裂、延展断裂力学判据。如图1-a所示，位于硬煤基质的气井环空规则，水泥环较薄，射孔穿透率高；固井水泥石对压裂的影响轻微，要实现裂缝起裂及延伸，注入流体压力仅需抵抗煤岩抗张强度；压裂裂缝起裂、延展的断裂力学条件分别为裂缝端部应力强度因子KIc大于煤岩起裂断裂韧度 ，及裂缝端部应力强度因子KIc大于煤岩失稳断裂韧度 ；位于该部位的气井，压裂裂缝起裂和延展的难度均较低。如图1-b所示，位于构造煤的气井扩径严重，井筒环空截面水泥呈椭圆状，椭圆长轴与最小水平主应力方向一致，该方向上固井水泥环可加厚5～10 cm，导致射孔穿透率低或未射穿；由于压裂裂缝起裂先要压开加厚水泥环，即注入流体压力需抵抗水泥环的抗张强度，相应压裂裂缝起裂的断裂力学条件为裂缝端部应力强度因子KIc大于水泥石起裂断裂韧度 ，而压开水泥环后压裂液能量仅需抵抗煤岩抗张强度，裂缝延展的断裂力学条件为裂缝端部应力强度因子KIc大于损伤型煤岩的失稳断裂韧度 ；位于该部位的气井，压裂裂缝起裂难度较高，但压开水泥环后裂缝延展难度较低。如图1-c所示，位于硬煤裂隙带的气井井眼扩径适度，水泥环厚度适中，射孔穿透率较高；固井水泥浆在压力作用下沿近井大裂隙挤侵到储层内形成“板片状”胶结滤饼；在压裂裂缝起裂和延展初期，注入流体压力需抵抗水泥—煤岩胶结界面的抗张强度，在裂缝延展后期流体压力抵抗的则是煤岩材质的抗张强度；压裂裂缝起裂、延展初期及延展后期的断裂力学条件分别为压裂裂缝端部应力强度因子KIc大于水泥—煤岩胶结界面的起裂断裂韧度及应力强度因子KIc大于煤岩失稳断裂韧度

2.2 深部煤层气井固井水泥浆侵入方式预测

对于煤层埋藏较深且区内无矿井解剖条件的区块（如郑庄区块），无法直接观测气井固井水泥浆的侵入特征，为实现此类区块煤层气井水力压裂效果的评价，研究固井水泥浆侵入对气井开采效果的影响，有必要提出一种固井水泥浆侵入形式及近井煤储层基质—裂隙发育组合类型的预测方法。

2.2.1 预测原理及方法

由于近井部位煤储层基质—裂隙发育组合类型不同，破裂压力也不同，其值的高低反映了近井部位材料破裂的难易程度，如果能建立破裂压力与不同材质抗张强度之间的关系，则通过分析施工压力即可判断井下固井水泥浆的侵入方式及煤层的基质—裂隙发育组合类型，从而为评价储层压裂造缝效果、分析固井水泥浆侵入方式与煤层气产出效率的内在关联提供重要依据。

通常，破裂压力除受近井部位材料抗张强度的影响外，气井井筒内的静液柱压力、压裂液流动摩阻及作用于压裂裂缝壁面上的最小主应力等也是影响其值高低的重要因素[11,12]。对于同一研究区内的不同气井，由于煤层埋藏深度、井筒长度及应力大小等因素，要构建破裂压力与近井材料抗张强度之间的关系，需要确定水力压裂过程中实际作用于近井部位材料的那部分有效致裂能量。为此，笔者提出了“破裂压力当量”的概念，通过去除井筒液柱压力、压裂液流动摩阻及作用于压裂裂缝壁面上的最小主应力等因素，将破裂压力统一为仅衡量井筒附近材料破裂难度的实际能量消耗值，从而判断不同气井近井部位材料起裂的难易程度。破裂压力当量的计算式为：

式中pt表示破裂压力当量，MPa；pf表示煤层气井压裂曲线读取的破裂压力，MPa；pH表示煤层气井井筒的静液柱压力，MPa；pM表示煤层气井井筒管柱的沿程摩阻，MPa；σh表示作用在煤岩压裂裂缝壁面上的最小主应力，MPa。

依据煤岩抗张强度、水泥石抗张强度及水泥—煤岩胶结界面处抗张强度的比较关系，提出了煤层气井固井水泥浆侵入方式的判据：①破裂压力当量pt小于1.50 MPa时，固井水泥浆均匀充注在气井井眼—套管环空，认为气井位于硬煤基质；②pt介于1.50～9.00 MPa时，固井水泥浆沿井壁构造节理缝挤侵到储层内形成胶结滤饼，认为气井位于硬煤裂隙带；③pt大于9.00 MPa时，固井水泥浆在井眼环空垮塌空间加厚形成纺锤体，认为气井位于构造煤。

2.2.2 预测结果

利用上述计算方法，笔者对沁水盆地郑庄区块39口气井破裂压力当量进行了计算，并对各气井近井煤储层基质—裂隙发育组合类型进行了预测，同时还统计了各气井的压裂施工、排采数据，包括在排水阶段的前7个月气井累计净产水量（即累计产水量与加液量的差值，当累计产水量大于加液量时，该值为正，反之则为负）、压后压降速率[13]（即压后停泵压力与储层压力之差除以裂缝延展时间）及产气阶段的前3个月气井日均产气量（表2）。依据上述方法进行分析，认为39口煤层气井中有10口位于硬煤基质，且全部属于郑一采气作业区；14口气井位于硬煤裂隙带，其中10口属于郑一采气作业区，4口属于郑二采气作业区；15口气井部署于构造煤，其中大部分井属于郑二采气作业区，仅3口井属于郑一采气作业区。

上述预测结果反映了郑庄区块煤储层基质—裂隙组合发育的非均质规律，受燕山期构造应力场控制该区块煤储层大裂隙主体为NNE及NW向[14-16]，且靠近寺头断层带的郑一采气作业区煤储层裂隙发育程度高，受寺头断层影响在伸展构造应力环境下形成一系列NE—SW向构造节理带，因此郑一采气作业区内煤储层总体为硬煤基质和硬煤裂隙带交互的裂缝型储层系统格局；而郑庄研究区西北部（郑二采气作业区）受一系列走向近SN及NW—SE向紧闭褶皱构造的影响，郑二采气作业区总体为一左旋的脆性剪切构造应力环境，并在收敛端产生一定的应力集中，因此郑二采气作业区内煤储层较为破碎，构造煤较发育。

本次通过计算破裂压力当量，得出的郑庄区块煤储层基质—裂隙组合类型及大裂隙发育特征规律，与笔者前期的研究结论是相吻合的[13]。

3 固井水泥浆侵入对煤层气井压裂、排采的影响

3.1 煤层气井的排采特征

如图2所示，煤层气井在排水阶段的前7个月累计净产水量随pt的增大而减少。位于硬煤基质的气井，固井水泥浆侵入轻微，压裂裂缝起裂后与最近的天然大裂隙沟通而形成缝网，该类气井的泄流面积大，压后储层的渗透性好，压裂液返排速度快，气井初期产液量大；而位于硬煤裂隙带的气井，固井水泥浆沿井壁煤岩裂隙挤侵到储层内形成滤饼，为克服煤岩—滤饼界面的胶结强度消耗了大量压裂液能量，因而压裂裂缝短而宽，气井泄流面积有限但主裂缝导流能力较好，气井产水量为中等；位于构造煤的气井固井水泥环较厚，在压裂裂缝起裂阶段为压开水泥环需消耗大量能量，导致压裂裂缝较短，气井初期产水量小。

压降速率参数反映了压裂液的滤失速率及储层的整体改造效果，主要由裂缝壁面面积及壁面渗透率控制。如图3所示，位于硬煤基质的气井，近井煤岩脆性指数高，可压性好，压裂后形成的裂缝长，且裂缝壁面面积大，因此压裂液滤失速率大，且压后泵压快速泄压；位于构造煤的气井，由于压裂后形成的裂缝较短，裂缝壁面面积有限，且由于煤体被损伤，后期重新压实后多形成致密低渗的“镜面”构造，使得该类气井压裂后压降速率较慢；位于硬煤裂隙带的气井，由于固井水泥浆侵入后在压裂裂缝一侧为阻隔压裂液滤失的水泥滤饼，尽管压裂后形成的总的裂缝壁面面积较位于构造煤气井的大，但有效渗水裂缝壁面面积有限，因此该类气井压裂液的滤失速率也较慢。

如图4所示，位于硬煤基质的气井，由于固井水泥浆侵入轻微，压裂后形成的裂缝较长，排采初期气井排水降压的负担较重，压降传递慢、产气晚，表现为初期产气量较低，但随着压降漏斗外扩，气井累计产气量大，产气形式属于“细水长流型”；位于构造煤的气井，由于井眼水泥环加厚导致压裂裂缝集中在井筒附近，储层整体改造范围有限，但由于构造煤煤层气的解吸速度快，使得该类气井见气早、初期产气量较高，但后期产气量衰减快，且由于构造煤的渗透性差以及构造煤粉颗粒对裂缝的堵塞[17-18]，该类气井后期产气量甚至呈现断崖式下降的趋势，总体上的产气效果较差；相对而言，位于硬煤裂隙带的气井，压裂后形成的裂缝多为短宽型，尽管气井泄流面积有限，但排水降压传递效率高，气井上产较快，经历较短的排水降压期（介于几天～1周）就可产气，且在产气初期（1～2年内）也能够保持较好的产气能力，是沁水盆地高产部位具有代表性的产气形式。

3.2 不同固井水泥浆侵入方式对煤层气井压裂、排采的影响

郑庄区块位于寺头断层以西上盘部位，其中郑一采气作业区由于靠近寺头断层带，受古构造应力场控制使得区内煤储层发育一系列走向NNE的大型构造节理，本区现今最大水平主应力σH方位为北偏东45°。如图5-a所示，对位于硬煤基质的气井，压裂初期裂缝起裂延展方位严格受σH控制，裂缝方位为北偏东40°～45°，当压裂裂缝与天然大裂隙相交后，压裂裂缝将沿天然裂隙方位延展，形成规模化缝网，煤储层实现深度改造；压裂时施工压力变化特征为初期略高，出现压力峰值，此为抵抗煤岩抗张强度的表现，煤岩致裂后泄压压力稳定（图5-b），该阶段注入压裂液能量与煤岩断裂耗能达到平衡；排采期间，由于气井压裂裂缝长，井控面积大，气井产气量缓慢增加到峰值，并可在峰值部位稳产较长时间，而后产气量缓慢下降（图5-c）。

表2 郑庄区块煤层气井破裂压力当量及近井煤储层基质—裂隙发育组合预测结果表

图2 pt与气井累计净产水量

图3 pt与气井压裂后压降速率（vp）的关系曲线图

图4 pt与排采初期气井产气量（Qg）的关系曲线图

位于构造煤的气井，压裂造缝困难，矿井解剖发现压裂液形成的水射流会在近井构造煤体中淘洗扩容，形成短宽缝（或称为洞穴）（图5-d）；压裂初期施工泵压较高（图5-e），压裂液注入的能量用于压开水泥石，尤其压开煤层段中部最厚部位最难，导致大量压裂液沿靠近煤层顶底板部位射孔孔眼进入储层而压开了煤层与顶底板的界面，形成“T”形或“工”字形复合压裂裂缝[12,19]；水泥环压开后施工泵压快速下降，后续压裂液能量主要克服损伤煤体的抗张强度，并继续进行扩容；该类气井在排采初期很快见产，而后由于气井泄流面积小及构造煤粉源颗粒的运移堵塞[20]，产气量迅速衰减（图5-f）。

位于硬煤裂隙带的气井，压裂裂缝主要沿天然大裂隙方位延展（图5-g）；在压裂初期为压开近井煤岩—水泥滤饼界面，施工泵压较高，裂缝延展过程施工泵压逐渐降低，当压裂裂缝延展到水泥尖灭位置时，为使前方煤岩起裂，施工泵压略有提升（图5-h）；气井在排采初期日产气量快速上升并达到峰值，由于压裂裂缝长度有限导致稳产时间较短，后期气井产气量缓慢下降（图5-i）。

4 结论

1）基于沁水盆地废弃煤层气井矿井解剖结果，总结了3种煤层气井固井水泥浆的侵入方式：固井水泥浆正常充注型（硬煤基质）、加厚型（构造煤）及煤岩—水泥胶结界面型（硬煤裂隙带）。

2）固井水泥浆正常充注型压裂裂缝起裂的断裂力学条件为裂缝端部应力强度因子大于煤岩起裂断裂韧度,裂缝延展的断裂力学条件为裂缝端部应力强度因子大于煤岩失稳断裂韧度；对于加厚型，裂缝起裂的断裂力学条件为裂缝端部应力强度因子大于水泥材料的起裂断裂韧度，裂缝延展的断裂力学条件为裂缝端部应力强度因子大于损伤型煤岩的失稳断裂韧度；对于煤岩—水泥胶结界面型，裂缝起裂与初期延展的断裂力学条件为裂缝端部应力强度因子大于胶结界面的起裂断裂韧度，后期延展的断裂力学条件为裂缝端部应力强度因子大于煤岩的失稳断裂韧度。

3）破裂压力当量pt小于1.50 MPa时，固井水泥浆均匀充注在气井井眼—套管环空，气井位于硬煤基质；pt介于1.50～9.00 MPa时，固井水泥浆沿井壁构造节理缝挤侵到储层内形成胶结滤饼，气井位于硬煤裂隙带；pt大于9.00 MPa时，固井水泥在井眼环空垮塌空间加厚形成纺锤体，气井位于构造煤。

图5 固井水泥浆侵入对煤层气井压裂、排采的综合影响模式图

4）位于硬煤基质的气井在排采期间气井产气量缓慢增加到峰值，并可在峰值部位稳产较长时间，而后产气量缓慢下降；位于构造煤的气井在排采初期很快见产，随后产气量迅速衰减；位于硬煤裂隙带的气井在排采初期产气量快速上升并达到峰值，但稳产时间较短，而后产气量缓慢下降。

5）本次研究的成果可以为深化煤储层压裂裂缝延展理论并为煤层气井水力压裂施工方案优化提供支撑。