地质特性对煤层气水平井固井质量的不利影响及应对措施

引言

煤层气作为低碳能源的重要组成部分，其高效开发依赖于水平井技术的成熟应用。固井作为水平井施工的关键环节，需面对复杂地质条件的严峻挑战。煤层地质特性的多样性与复杂性，如非均质性、深部高温高压及多煤层交互等，直接导致井眼失稳、水泥浆劣化、气窜漏失等问题，严重制约固井质量。因此，深入解析地质特性对固井质量的影响机制，研发适配性应对技术，对提升煤层气开发效益具有重要意义。

一、地质特性对固井质量的不利影响

（一）煤层非均质性的影响

煤层非均质性体现在裂隙分布、有机质含量及矿物组成的空间差异，对固井质量的影响贯穿施工全过程。

在井眼稳定性方面，煤层中坚硬矿物结核与松软有机质夹层的交替分布，导致水平段井眼应力分布失衡。高应力集中区易发生井壁坍塌，低强度区则可能出现缩径。例如，某高变质煤层水平井因石英结核密集分布，固井前井眼扩径率达 15%-20% ，套管下入阻力增加 40% ，直接影响后续水泥浆顶替效果。

水泥浆性能受非均质性影响呈现“差异化劣化”。高有机质区域对水泥浆水分的强吸附性，导致局部水泥浆提前脱水稠化，出现“假凝”现象，流动度下降 30% 以上；碳酸盐矿物富集区与水泥浆反应生成二氧化碳，在水泥环内形成气泡，使密封性能降低 25‰ 。同时，裂隙发育段的紊流扰动破坏顶替稳定性，窜槽发生率提高至 35% 。

从长期稳定性看，非均质性加剧水泥环受力不均。开采过程中裂隙扩展易导致水泥环破裂，而矿物与有机质的差异膨胀系数引发界面应力，使胶结面产生微裂缝，2 年内密封失效风险增加 50% 。

（二）深部高温高压环境的影响

深部煤层（井深 >1500m ）的高温（ :>60^∘C ）高压（压力系数 >1.5 ）环境，通过改变材料性能与压力平衡状态影响固井质量。

高温加速水泥浆水化反应，使稠化时间大幅缩短。 80^∘C 环境下常规水泥浆稠化时间从常温 4h 缩至 1.5h，无法满足 1500m 以上水平段顶替需求，易形成“灌香肠”缺陷。同时，高温导致水泥浆游离水含量增加 15%-20% ，在水平段低边聚集形成积水层，破坏水泥环完整性。

高压环境破坏压力平衡体系。水泥浆密度设计不当易引发两种极端：密度偏低时，高压气体侵入环空形成气窜通道，某井检测显示气窜通道渗透率达50mD ；密度过高则压裂煤层，漏失量占水泥浆总量的 20%-30% 。此外，高压诱发煤层塑性变形，挤压套管与水泥环，若水泥石强度未达标，套管变形率可达10% 以上。

水泥石长期性能受高温高压协同劣化。钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙的晶型转变，导致强度下降 10%-30% ；高压循环载荷使微裂缝扩展，2 年后水泥环渗透率增加 5-8 倍，成为气窜主要路径。

（三）多煤层交互发育的影响

多煤层交互区水平井需穿越 3 层以上压力系统差异显著的煤层，压力干扰与流体污染问题突出。压力梯度差异使水泥浆柱压力陷入“两难”困境。当水平段同时穿越高压气层（压力系数 1.8）与低压水层（压力系数 1.0）时，按高压设计密度导致低压层漏失，按低压设计则引发高压气窜，某井因此造成20m 未胶结段。煤层间压力传导具有突发性，上部煤层压力波动可导致下部水泥浆“倒吸”，施工风险增加 60% 。

地层流体污染加剧水泥浆性能劣化。高矿化度地层水（矿化度 >100g/L ）破坏水泥浆絮凝结构，流动度损失达 40% ；硫化氢气体与水泥石反应生成硫化物晶体，导致体积膨胀开裂，强度下降 50% 。

岩性差异导致水泥环胶结质量不均。砂岩夹层与煤层界面胶结强度低，泥岩夹层吸水膨胀产生挤压应力，使跨煤层段水泥环破裂风险提高 40% ，多段窜气发生率较单层井高 35% 。

二、针对性应对措施

（一）煤层非均质性的应对技术

1. 井眼预处理优化

采用随钻测井实时监测煤层参数，动态调整钻井液性能：加入 0.5% 纳米碳酸钙封堵裂隙， 1% 沥青类防塌剂增强护壁能力，井眼扩径率可控制在 8%以内。固井前采用“高黏度钻井液循环 + 旋转清洁工具”组合工艺，清除岩屑与虚泥饼，使井眼清洁度提升至 90% 。

2. 定制化水泥浆体系

针对高有机质区，加入 0.3% 保水剂维持水泥浆流动性；裂隙发育段掺加1.5% 玻璃纤维（6mm）形成架桥堵漏，漏失量减少 60% 。通过调整流变参数（塑

性黏度控制在 25-30mPa⋅s) ），确保不同区域顶替稳定性，窜槽率降至 10% 以下。

3. 水泥环强化技术

采用声波测井实时监测胶结质量，对薄弱区实施挤水泥补救。水泥浆中加入 3% 膨胀剂（钙矾石型），使体积膨胀率达 0.5%-1% ，提高界面胶结强度20% ，抵抗裂隙扩展能力增强 30% 。

（二）深部高温高压的控制策略

1. 高温适配型水泥浆

80^∘C 环境下加入 0.5% 高温缓凝剂（如木质素磺酸盐衍生物），将稠化时间延长至 3h 以上；添加 2% 降失水剂（如聚丙烯酰胺），使游离水含量控制在3% 以内。通过室内实验优化水泥浆密度，确保压力平衡系数（水泥浆柱压力/ 地层压力）维持在 1.05-1.15。

2. 动态压力管控系统

建立实时压力监测平台，采用分级注水泥工艺：先注入 10% 低密度水泥浆 (1.4g/cm³ ）试探地层承压能力，再逐步提高至设计密度，压力波动控制在±0.5MPa 以内。选用 TP110S 高强度套管，抗挤压强度提升 30% ，适应煤层塑性变形。

3. 抗老化水泥石改良

掺入 10% 硅灰与 5% 超细粉煤灰，优化水泥石微观结构，抑制晶型转变，热老化强度损失减少至 5% 以下。添加 0.1% 聚丙烯纤维（长度 12mm, ），增强韧性，抗裂能力提高 40% ，耐受 ±25MPa 循环载荷。

（三）多煤层交互的协同处理方案

1. 分段压力平衡技术

基于各煤层压力测试数据建立三维压力模型，采用“低密度 - 高密度”分段注水泥：低压段用 1.4-1.5g/cm³ 水泥浆，高压段用 1.7-1.8g/cm³ ，压力匹配精度达 90% 。安装压力预警系统，响应时间 <10s ，应对突发压力波动。

2. 流体污染防控

注入 2-3m³ 隔离液（黏度 50-60s）隔离地层流体与水泥浆，高矿化度区选用抗盐水泥浆（掺加 3% 石膏），高硫区加入 2% 硫抑制剂（如氧化锌），水泥浆性能保留率提升至 85% 。

3. 界面胶结增强

砂岩夹层段水泥浆中加入 1% 环氧树脂乳液，界面胶结强度提高 35% ；泥岩段添加 2% 防膨剂（如氯化钾），抑制黏土膨胀，挤压应力降低 40% 。固井后 72h 进行全井段声波检测，确保胶结合格率 >90% 。

三、现场应用案例

某煤层气田水平井（井深 4500m ，水平段长 1800m^⋅ ）存在煤层非均质性强（裂隙密度 6 条 /m）、深部高温（82℃）高压（压力系数 1.6）及 3 层交互煤层等问题。应用本文措施后：

1. 井眼扩径率控制在 7%，套管下入顺利；

2. 水泥浆稠化时间达 3.2h，顶替效率 92%

3. 固井后声波测井显示水泥环胶结合格率 93% ，无气窜漏失；

投产后 18 个月产气稳定，水泥环完整性良好。

四、结论

煤层地质特性通过多途径影响水平井固井质量，非均质性引发井眼失稳与水泥浆劣化，高温高压破坏材料性能与压力平衡，多煤层交互加剧压力干扰与流体污染。通过井眼预处理优化、定制化水泥浆研发、动态压力管控及界面强化等措施，可显著提升固井质量。未来需进一步发展地质 - 工程一体化设计技术，实现固井方案的精准适配，推动煤层气高效开发。

参考文献：

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