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. 內蒙古工業大學礦業學院 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常或煤粉堵塞所致，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及規模存在著如下差異：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，并在裂縫內形成“板片狀”膠結濾餅；②對處于構造軟煤的氣井，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]、固井水泥環完整性評價及固井工藝改進[5-8]、低密度水泥漿優化等方面[9-10]，而針對近井部位固井水泥漿侵入形式及規模、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在關聯等研究得較少。

筆者選取沁水盆地煤儲層中基質—裂隙發育組合類型迥異的區塊，對部署在不同部位的氣井，系統刻畫了固井水泥漿侵入形式和規模，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，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，進而對鄭莊區塊39口煤層氣井的壓裂排采數據進行了分析，總結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模

基于沁水盆地煤儲層發育的基質、裂隙的組合類型，結合礦井解剖結果，筆者總結了氣井部署在3種部位（硬煤基質、構造煤或發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。

位于硬煤基質的氣井，井筒周圍煤儲層完整、致密，力學穩定性好，井眼擴徑幅度很小，井壁煤巖無主導型大裂隙發育，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空內以規則的薄水泥環狀分布，易射穿；在構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，并在大型構造節理縫內形成“板片狀”膠結濾餅（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及規模的礦井解剖圖

表1 固井水泥漿侵入形態、規模的特征統計表

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

依據前述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。如圖1-a所示，位于硬煤基質的氣井環空規則，水泥環較薄，射孔穿透率高；固井水泥石對壓裂的影響輕微，要實現裂縫起裂及延伸，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，位于構造煤的氣井擴徑嚴重，井筒環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，即注入流體壓力需抵抗水泥環的抗張強度，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形成“板片狀”膠結濾餅；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—煤巖膠結界面的起裂斷裂韌度及應力強度因子KIc大于煤巖失穩斷裂韌度

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內無礦井解剖條件的區塊（如鄭莊區塊），無法直接觀測氣井固井水泥漿的侵入特征，為實現此類區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—裂隙發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—裂隙發育組合類型不同，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—裂隙發育組合類型，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出效率的內在關聯提供重要依據。

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]。對于同一研究區內的不同氣井，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。

依據煤巖抗張強度、水泥石抗張強度及水泥—煤巖膠結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：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—套管環空，認為氣井位于硬煤基質；②pt介于1.50～9.00 MPa時，固井水泥漿沿井壁構造節理縫擠侵到儲層內形成膠結濾餅，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空垮塌空間加厚形成紡錘體，認為氣井位于構造煤。

2.2.2 預測結果

利用上述計算方法，筆者對沁水盆地鄭莊區塊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—裂隙發育組合類型進行了預測，同時還統計了各氣井的壓裂施工、排采數據，包括在排水階段的前7個月氣井累計凈產水量（即累計產水量與加液量的差值，當累計產水量大于加液量時，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）及產氣階段的前3個月氣井日均產氣量（表2）。依據上述方法進行分析，認為39口煤層氣井中有10口位于硬煤基質，且全部屬于鄭一采氣作業區；14口氣井位于硬煤裂隙帶，其中10口屬于鄭一采氣作業區，4口屬于鄭二采氣作業區；15口氣井部署于構造煤，其中大部分井屬于鄭二采氣作業區，僅3口井屬于鄭一采氣作業區。

上述預測結果反映了鄭莊區塊煤儲層基質—裂隙組合發育的非均質規律，受燕山期構造應力場控制該區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區煤儲層裂隙發育程度高，受寺頭斷層影響在伸展構造應力環境下形成一系列NE—SW向構造節理帶，因此鄭一采氣作業區內煤儲層總體為硬煤基質和硬煤裂隙帶交互的裂縫型儲層系統格局；而鄭莊研究區西北部（鄭二采氣作業區）受一系列走向近SN及NW—SE向緊閉褶皺構造的影響，鄭二采氣作業區總體為一左旋的脆性剪切構造應力環境，并在收斂端產生一定的應力集中，因此鄭二采氣作業區內煤儲層較為破碎，構造煤較發育。

本次通過計算破裂壓力當量，得出的鄭莊區塊煤儲層基質—裂隙組合類型及大裂隙發育特征規律，與筆者前期的研究結論是相吻合的[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個月累計凈產水量隨pt的增大而減少。位于硬煤基質的氣井，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，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形成濾餅，為克服煤巖—濾餅界面的膠結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，氣井產水量為中等；位于構造煤的氣井固井水泥環較厚，在壓裂裂縫起裂階段為壓開水泥環需消耗大量能量，導致壓裂裂縫較短，氣井初期產水量小。

壓降速率參數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，位于硬煤基質的氣井，近井煤巖脆性指數高，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、產氣晚，表現為初期產氣量較低，但隨著壓降漏斗外擴，氣井累計產氣量大，產氣形式屬于“細水長流型”；位于構造煤的氣井，由于井眼水泥環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，但由于構造煤煤層氣的解吸速度快，使得該類氣井見氣早、初期產氣量較高，但后期產氣量衰減快，且由于構造煤的滲透性差以及構造煤粉顆粒對裂縫的堵塞[17-18]，該類氣井后期產氣量甚至呈現斷崖式下降的趨勢，總體上的產氣效果較差；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，氣井上產較快，經歷較短的排水降壓期（介于幾天～1周）就可產氣，且在產氣初期（1～2年內）也能夠保持較好的產氣能力，是沁水盆地高產部位具有代表性的產氣形式。

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

鄭莊區塊位于寺頭斷層以西上盤部位，其中鄭一采氣作業區由于靠近寺頭斷層帶，受古構造應力場控制使得區內煤儲層發育一系列走向NNE的大型構造節理，本區現今最大水平主應力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，形成規模化縫網，煤儲層實現深度改造；壓裂時施工壓力變化特征為初期略高，出現壓力峰值，此為抵抗煤巖抗張強度的表現，煤巖致裂后泄壓壓力穩定（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，氣井產氣量緩慢增加到峰值，并可在峰值部位穩產較長時間，而后產氣量緩慢下降（圖5-c）。

表2 鄭莊區塊煤層氣井破裂壓力當量及近井煤儲層基質—裂隙發育組合預測結果表

圖2 pt與氣井累計凈產水量

圖3 pt與氣井壓裂后壓降速率（vp）的關系曲線圖

圖4 pt與排采初期氣井產氣量（Qg）的關系曲線圖

位于構造煤的氣井，壓裂造縫困難，礦井解剖發現壓裂液形成的水射流會在近井構造煤體中淘洗擴容，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底板部位射孔孔眼進入儲層而壓開了煤層與頂底板的界面，形成“T”形或“工”字形復合壓裂裂縫[12,19]；水泥環壓開后施工泵壓快速下降，后續壓裂液能量主要克服損傷煤體的抗張強度，并繼續進行擴容；該類氣井在排采初期很快見產，而后由于氣井泄流面積小及構造煤粉源顆粒的運移堵塞[20]，產氣量迅速衰減（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氣量快速上升并達到峰值，由于壓裂裂縫長度有限導致穩產時間較短，后期氣井產氣量緩慢下降（圖5-i）。

4 結論

1）基于沁水盆地廢棄煤層氣井礦井解剖結果，總結了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）、加厚型（構造煤）及煤巖—水泥膠結界面型（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斷裂韌度；對于煤巖—水泥膠結界面型，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—套管環空，氣井位于硬煤基質；pt介于1.50～9.00 MPa時，固井水泥漿沿井壁構造節理縫擠侵到儲層內形成膠結濾餅，氣井位于硬煤裂隙帶；pt大于9.00 MPa時，固井水泥在井眼環空垮塌空間加厚形成紡錘體，氣井位于構造煤。

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

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化提供支撐。