前 言
煤层气是生于煤层并主要以吸附状态储集于煤层中的一种非常规天然气，其主要成分是甲烷(>90%)，还含N2、CO2 及微量H2S，在煤矿俗称为瓦斯。一方面，俗称瓦斯的煤层气是造成煤矿瓦斯爆炸、煤岩体突出的灾害性气体和引起全球气候变暖的强烈温室性气体；另一方面，它也是一种洁净的新能源。在热值上，煤层气与常规天然气相当，发热量在8000大卡/m3以上，每1000m3煤层气相当于1t石油或1.25t标准煤。世界上目前发现有74个国家蕴藏着煤炭资源，同时也赋存着煤层气资源。根据国际能源机构(IEA)估计，全球煤层气资源总量可达260万亿m3，俄罗斯、加拿大、中国、美国和澳大利亚均超过10万亿m3。
煤层气开发不仅能减少煤矿瓦斯事故，而且减少了甲烷空排造成的温室效应，同时可以弥补能源短缺。根据发展改革委通过的《煤层气开发利用“十一五”规划》，到2010年，我国煤层气开发利用将实现四个目标：全国煤层气产量达100亿立方米，利用量达80亿立方米；新增煤层气探明地质储量3000亿立方米，逐步建立煤层气开发利用产业体系。我国煤层气地面钻井始于上世纪90年代初。据统计，到2005年12月，全国共投入煤层气勘探资金约24亿元，完成钻井数607个。
我国已钻煤层气井很多为工程报废：有的因为固井质量不合格，无法压裂；有的在试气中发现因钻井原因污染煤层，降低了煤层渗透率并导致压力资料求取不准，影响试气。可见，煤层气钻完井中的储层保护技术是煤层气勘探开发的首要环节。钻入煤层以前,煤层气井的技术与常规油气钻井技术相同。由于煤层是钻井的目的层，加之具有特殊的地质力学和岩石学特性，故此煤层气井钻井与完井工艺设计上有其特殊陛。其技术核心是以降低钻井成本、防止煤层污染、录取资料准确、创造稳定的测试与强化条件为目的进行钻井与完井设计。
煤层气（煤层 甲烷）是以吸附方式储集在煤层中，煤层的渗透性是影响煤层气产量的主要因素。在完井施工中引入的外部介质（完井液）直接与煤层气储层相接触，不可避免地要侵入到煤层的孔隙中，损害煤层的渗透性。由于煤层打开后，储层的地应力和压力的变化也直接影响到渗透率的变化，而影响煤层气的产量。
完井液对煤层气储层伤害研究课题来源于国家重大科研专项。该课题是国内首次确立的煤层气储层保护方面的研究项目，在国外也仅有美国等几个国家从八十年代后开始勘探和开发煤层气资源，在这方面国内从事的研究工作也很少。课题的研究与生产实施同步进行，可及时将取得的成果应用于生产实际，并在生产中得以验证。
本论文共分五章：在查阅国内外相关文献基础之上，第一章概述了研究的背景意义及国内外对煤层气勘探开发研究动态和研究趋势，提出本文研究内容及研究思路；第二章对煤储层特征仔细分析研究并给出结论；第三章分析完井液对煤层的伤害机理；第四章为寻找完井过程中的煤层保护措施；第五章结论。
完井液对煤层气储层的伤害研究
1 绪论
1.1 研究的背景和意义
我国煤层气资源量为35万亿m3，分布在我国中东部地区。是美国煤层气储量的3倍。目前．我国煤层气的地面开采利用还未形成工业规模和商业价值。几年来，我国的煤层气开发工作也引起屠际杜舍关注，联合国开发计划署及美国、澳大利亚等七、八家石油开发公司纷纷进入我国寻求合作开发项目。
但我国煤层气开发起步晚，借用了国外的开采工艺，很多开发工艺很不完善。而且我国的煤层气地质条件与美国有很大的差异。美国的煤储层含水、渗透率高、含气饱和度和储层压力也高，而中国的含煤地层都经过多期构造运动破坏，煤储层普遍存在“三低一高”的特点，即煤储层含气非均质性高，储层压力、渗透率和含气饱和度低。在这种复杂背景下，如何突破煤层气开发理论和技术的“瓶颈”，在总结国内外前人工作的基础上。运用现代油气田开发以及煤矿瓦斯开发的最新理论与研究成果，对我国的煤层气资源进行全面分析和分类，根据不同的资源条件与开采条件选出最适宜的开发模式，积极探索建立包括井网优选、开发层系优化、开发方式选择以及开发工艺的对比优选等一整套符合我国煤层气资源条件、储层条件的开发理论和技术，促进我国煤层气产业的尽快形成和发展。
国内外大量研究表明，在钻开油气层后的各个作业环节和整个生产过程中都可能产生储层损害。储层损害是指在钻井、完井、井下作业及油气田开采全过程中,造成油气层渗透率下降的现象。它不仅使储层的产能降低，甚至完全丧失产油能力:还会影响发现新的油气层，给油田造成巨大的经济损失。因此在油气勘探开发过程中，对储层进行保护是十分必要的。近年来国内外在保护油气层方面开展了大量研究，取得了引人注目的成就和很大的进展。但随着人们对保护油气资源的重要性的认识不断加深和勘探开发难度的逐渐增加，在如何发展和完善这项技术方面仍然面临着十分艰巨的任务。尤其对于一些特殊油气层来说，所要采取的保护措施具有其特殊性，而使用过去的常规方法和措施难以取得理想的保护效果。因此，有必要针对煤层气等特殊油气藏的储层保护问题开展深入、系统的研究。
1.2 国内外研究动态
由于美国煤层气资源的商业化开发作用，在全球产生了积极的示范作用，澳大利亚、俄罗斯、波兰加拿大、德国、法国、英国、印度等国竞相对煤层气资源进行开发研究，也重视发展美国的地面钻探开采技术，在煤层气资源的勘探、钻井、采气和地面集气处理等技术领域均取得了重要进展。澳大利亚、加拿大、俄罗斯等国家已进入了工业化开采阶段，尤其是澳大利亚在东南部沿海经济发达地区的煤层气由勘探转入商业经营，促进了世界煤层气工业的迅速发展。美国足最早进行煤层气开发利用的国家，煤层气工业起步于20世纪70年代，到80年代实现了，大规模的商业开发，富产煤层气的煤级是气、肥、焦煤，即中级煤。通过30余年的勘探开发实践，建立了中煤级煤和低煤级煤煤层气成藏勘探与开发系统理论，其煤层气开发最成功的是圣胡安盆地，渗透率较高。
当今世界煤层气开发领域，无论是开发规模，还是技术水平，美国一直处于领先地位。随着美国煤层气产业的商业化进程、研究开发程度的不断深人，煤层气开发新理论的出现，煤层气产量大幅上升，在天然气中的所占比重也有所上升。截止到2000年，美国煤层气勘探井为8200口，煤层气产量占世界煤层气总产量的36．4％。
中国地面煤层气的开采始于80年代末，经过十几年国内各部门自行的勘探工作，尽管未能取得煤层气商业开发的突破，但是在引进、消化、吸收美国成功经验的基础上，在地质选区、实验室测试、钻井的工程工艺、试井、压裂和排采等方面也取得了突破性的进展。
1.3本文研究内容及研究思路
（1）调研国内外有关煤层气研究的资料，了解煤储层特征包括煤层孔隙特征、渗透特征、流体特征、孔隙结构特征等。
（2）理论上分析完井液对煤气层储层渗透性的损害和机理
煤层作为煤层气的储集层与常规储层(砂岩、碳酸盐岩)有很大差别 煤层具有高吸附性、低渗透性，且易受压缩、破碎这些特性决定了煤层受钻井过程的影响比常规储层大的多，也就是说，在煤层气钻井过程中，煤层受到的伤害远大于常规储层，而煤层气的煤层伤害直接影响到煤层气的解吸、扩散、运移及后期排采。因此储层伤害是煤层气钻井过程中应极力避免的一个问题。
地层损害通常是由于固体微粒的运移和堵塞，或者是由于化学反应和热动力因
素，以及两者同时发生作用。由于煤层许多化学成分与油气层相似，决定了其损害机理与油层及天燃气层有相同之处。煤层在结构梅造上与油气层又有显著不同，所以在损害机理上又有其特殊性。
完井液对储层的伤害主要有两个因素：一是煤体对完井液的吸附或吸收，二是完井液中固相颗粒对煤中裂隙通道的充填堵塞。
（3）研究煤层气储层保护的技术措施以及适合煤层气开采的完井液
煤层渗透率大小是决定煤层气产量的决定性因素。因为煤层渗透率的大小，很大程度上决定于煤层中裂缝的形态。所以，煤层保护的中心任务就是保护裂缝免受损害。
由于完井工程的特殊性，水泥配制成浆体，要适应注替过程、凝固过程和长期硬化过程的各方面需要，因此水泥浆应具备以下特性：① 能配成需要密度的水泥浆，不沉降和具有好的流动性、适宜的初始稠度，且均质和不起泡；②易混合与泵送，分散好，摩擦阻力小；③流变性好，顶替效率高；④在注水泥、候凝、硬化期间应保持需要的物理性能及化学性能；⑤水泥浆在固化过程中不受煤层水的污染，失水量小，固化后不渗透；⑥水泥浆具有足够快的早期强度；⑦提供足够大的套管、水泥、地层间的胶结强度；⑧具有抗地层水的腐蚀能力；⑨满足射孔强度要求；⑩满足所要求条件下的稠化时间和抗压强度。
2 煤储层特征研究
煤作为储气层，与常规的储集层有许多的不同。必须全面了解煤层作为储集层时所表现的特殊性，才能更进一步研究煤层天然气的赋存、聚集以及煤层甲烷的产出机理。对于天然气来说，所在各种类型岩石都可以成为储集岩，但是在常规天然气勘探中，因能积聚高产流体的储集岩主要是沉积岩中的碳酸盐岩和碎屑岩，所以主要研究重点均放在这两类岩石上。众所周知，碳酸盐岩和碎屑岩作为储集岩，其基质及骨架为无机矿物，它们的孔隙产生、分布和发育程度，各有其产生机制及演化规律。煤主要是由有机物构成的，煤的孔隙自然与煤组成和有机质演化(化学的和物理的)密切相关，并形成煤储集层研究系统。
2.1 煤的孔隙
煤层是由孔隙和裂隙组成的双重介质，其内部的孔隙是煤层气的主要储集场所，裂隙则是煤层气运移的通道。
2.1.1 煤的孔隙类型
一般认为，煤层中的孔隙度和渗透率都很低，因受沉积物组成、煤化作用和后期构造运动的影响，煤层中的孔隙是多种多样的，以下分别加以介绍。
1、原生孔隙
在沉积时就已存在的孔隙，称为原生孔隙。
原生粒间孔：在沉积时，沉积物细粒之间的孔隙称为原生粒间孔隙，这类孔隙随煤化作用的加深不断减少，在煤级较高的煤中这类孔隙基本消失。
植物组织孔: 指植物各组织内部的胞腔。直径约1×102～1×104nm，其分布有规律。
2、次生孔隙
指在煤化作用过程中形成的孔隙，称为次生孔隙。
①铸模孔：指因煤层中原生矿物晶体溶蚀而形成的孔隙。
②次生粒间孔：在煤化作用过程中因淋滤、溶蚀等作用形成的粒间孔隙。其大小、形态和连通性均变化很大。
③气孔：在煤化作用过程中因甲烷气体的逸出而留下的孔隙。直径一般约1×103nm，形状为圆形、椭圆形或水滴形，其分布无规律、多成群出现。
3、裂缝
①煤化作用裂隙：在煤化作用过程中因成煤物质结构、构造等的变化而产生的裂隙，即通常所说的面割理和端割理。
②构造裂隙：因区域构造变动而在煤层中发育的裂缝。
2.1.2 煤的孔隙划分及孔隙系统
煤中孔隙大小相差极大，大者可至数微米级的裂隙，小到连氮分子(直径为0.178nm)都无法通过。针对煤的孔隙直径大小，不同研究者从不同的目的和测试条件出发，提出了各自的分类方案，比较常用的把煤中孔隙按大小可分为如下几个级别：
微 孔 孔径﹤10nm
小 孔 孔径1～100nm
中 孔 孔径100～1000nm
大 孔 孔径﹥1000nm
煤的孔隙结构分基质孔隙和裂缝孔隙，从而构成煤的双重孔隙系统。煤有许多裂缝(又称割理)将煤体切割成许多小块体(称基质块体或基岩块体)，如图1(a)所示。图1（b)是剖面图，可视为从油气观点描述煤孔隙结构的一个理想化模型(R.L.Busby，1989)。把煤中裂缝称为割理(煤裂隙)，是英国采矿业的习惯。割理的形成是煤化作用过程的结果。在煤化作用中伴随着各种官能团及侧链的断开，煤的稠环芳核逐步缩合，由此使煤体产生内部裂隙，这种内部裂隙对煤的储集性能至关重要，它是煤体本身固有的，同时也是煤体内部结构中结构相对薄弱部分，煤在后期变化中较易沿这些裂隙发生变化或改造。另外，在煤体的局部也可由构造应力引起割理的形成（外生裂隙)。割理间距一般为2—20nm。煤中有大致互相垂直的两组割理，面割理(也是主要裂隙组)可以延伸很远，可达几百米，端割理则只发育于两条面割理之间。两组割理与层理面正交或陡角相交，从而把煤体分割成一个个长斜方形的基质块体。煤中的割理密度比相邻砂岩和页岩中的节理密度要大。据研究，面割理在褶皱呈直角拐弯的地方最发育;以煤级而论，焦煤的内生裂隙最发育，一般在长5cm范围内焦煤内生主裂隙有30～40条，长焰煤只有几条，无烟煤一般少于10条。构造作用产生的外生裂隙有时与内生裂隙重叠发生，掩盖了内生裂隙并改造或使之深化。煤中发育裂隙是极为重要的，裂隙不仅是储气空间，同时它又可使基质孔隙连通，增强储集层的渗透性，这一点对于低孔渗煤层来说尤为重要。另外，煤层甲烷开发前期对煤层的改造措施如压裂等，若煤体的裂隙发育则更易于进行。
图1 煤的孔隙结构模式示意图
（a）圣胡安盆地果园组煤层中测定的剖理 （b）孔隙结构的理想化模型剖面图
基质块体中发育孔洞孔隙，据岩芯分析(氦注入测试)得到的煤平均孔隙度是基质孔隙度，除低煤级煤以外，一般小于10%。中、低挥发分烟煤孔隙度只有6%或更少。研究表明，煤的孔隙喉道有60%(皮森斯盆地)至74.51%(圣胡安盆地小于0.021 )。虽然煤中孔隙度很小，由于煤层甲烷是煤本身在热演化过程中生成的，生成量也很大，只要有较高的压力，就可保存相当数量的甲烷。由于煤中的气体主要以吸附状态存在，故不能用孔隙体积来估算煤层中的煤层甲烷储量。据估计，1g煤的内表面积可达到10m2至4cm2，煤通过吸附作用所具有的储气能力远高于常规砂岩。
2.1.3 孔隙度
煤层为双孔隙系统，即微孔隙和宏观孔隙。宏观孔隙即为割理系统及其它天然裂缝，呈不均匀分布，其间距为几分之一英寸到几英寸，是水、游离气及溶解气的存储空间和流通通道。宏观孔隙度一般在1％-5%之间，其中的含气量不到10％。B.w.Grash等通过研究得出，割理孔隙度受应力影响，应力升高，孔隙度降低，并给出了割理孔隙度与应力的间接关系，即孔隙度与渗透率的关系：
（1-1）
式中： 、k为割理的孔隙度和渗透率， 、 为初始压力下的孔隙度和渗透率。
微孔隙指的是煤层基质孔隙，98%的甲烷气以吸附形式存储在微孔隙内。微孔隙的直径为5×10-10m~10×10-10m，，孔隙度仅约2%，但其内表面积十分巨大，每磅煤拥有近92903m2的内表面积，其储气能力相当于相同埋深、孔隙度为20％、100％气饱和的砂岩的储气能力。
2.2 煤的渗透率
2.2.1 绝对渗透率
渗透率是煤层气甲烷开采中一个最为关键的参数，也是最复杂且难以确定的参数。如何确定煤层渗透率，一直是研究的重要课题。煤基质的渗透率极低，一般可不考虑，通常所说的煤层渗透率是指煤层割理渗透率。面割理和端割理发育规律不同，沿面割理和端割理的渗透率也不同、延伸较长的面割理具有较高的渗透率，常比端割理的渗透率高几倍，甚至一个数量级。
影响渗透率的因素很多。储层压力、自然裂缝的出现频率及其连同情况、裂缝开度、端割理和面割理的方向、水饱和度、煤层埋深、基质收缩、应力等都会影响煤层的渗透率。R.Puri和J.Seidls用数值模拟方法研究了渗透率对气、水产量的影响，模拟结果显示，渗透率的变化对气、水产量的影响是很大的（见图2）。并在圣胡安盆地Fruitland煤层的储层温度、压力和应力条件下进行测试，直接得到了渗透率与压力的关系式。
（1-2）
式中：k为绝对渗透率；p为孔隙压力；i为初始含义。
图2 与 关系实验结果
煤层压力下降引起渗透率的变化，其原因有三方面：即克林肯伯格效应、煤层基质收缩和有效应力。前两者会提高渗透率，后者会降低渗透率。
煤层气在割理中的流功通常用达西方程描述，该方程假设靠近裂缝壁的气体层停滞不动。但在低压条件下，该气体层会出现滑动，导致实际气流量大于方程计算值，这就是克林肯伯格效应。克林肯伯格效应对气体在孔隙介质中的渗透率可用下面的方程描述：
（1-3）
式中：k为修正后的渗透率； 为高压下的渗透率；B为滑脱系数；p为名义压力。
方程(1—3)说明在低压条件下，气体的渗透率与压力的倒数成正比。图3所示为氢气、二氧化碳和氮气在孔隙介质中的渗透率与压力倒数的关系。
图3 克林肯伯格效应对渗透率的影响
克林肯伯格效应的作用结果是在低压条件下，煤层气的实际产量要大于由达西方程预测的产量。根据吸附等温线，储层压力越低，单位压降解吸和产出的气量越大，因此，随着储层压力的下降，克林肯伯格效应的作用也越大。这也说明了尽可能地降低煤层气井枯竭压力的重要意义。
随着煤层中甲烷气的解吸，煤层基质出现收缩，使邻近的割理间距增大，从而提高了煤层割理系统的渗透率。煤层基质的收缩效应与吸附物和煤的亲合力有关，亲合力越大，收缩效应越大。煤层气井开采到晚期，煤层基质的累积收缩率越大，其原因是：①大部分甲烷气已解吸导致大部分基质收缩；②根据吸附等温线，在气井生产晚期的低压条件下，每降低一个单位的压力，可解吸更多的煤层气，基质的收缩率越大，如图4所示。
图4 甲烷气的解吸引起煤层基质的收缩
与煤层基质收缩引起渗透率增大相反，随着煤层排水降压，地层有效应力增加．使割理间距缩小(见图5)，降低了煤层渗透率。
图5 有效应力和解吸对割理尺寸的影响
图6 煤层气生产过程中渗透率的变化
综上所述，在煤层气的整个开采过程中，其渗透率受克林肯伯格效应、基质收缩及有效应力三个因素的影响，不断发生变化。Harpalani在实验室内对渗透率的变化进行了研究。图6给出其研究结果．说明了克林肯伯格效应、基质收缩和有效应力引起割理收缩三者对渗透率影响的综合效果。从图6可以看出，在高压阶段，有效应力的影响起主导作用。随着压力的下降，渗透率降低。当压力下降到2067kPa 时，每降低一个单位的压力从煤层中解吸的煤层气量都要增加，从而加大了基质收缩率，此时，基质收缩对渗透率的影响起主导作用，渗透率开始增高。随着压力的进一步降低，克林肯伯格效应的作用越来越大，使渗透率迅速增高。
对煤层气储层渗透率产生影响的另—个因素是煤层的埋藏深度。McKee、Bumb和Bell收集了圣胡安盆地、黑勇士盆地和Piceance盆地煤层的渗透率数据。图7为不同埋深的煤层的渗透率，可以看出，当煤层埋藏深度大于1219m时，渗透率迅速降低，速度在每305m下降20％左右。
图7 不同埋深煤层气储层的渗透率
煤层渗透率可通过岩心测试、不稳定试井和储层模拟历史拟合方法求得。但每种方法都有一定的局限性，特别是煤岩心的测试结果，随煤样的增大出现渗透率增大的趋势。岩心研究的样品大小相当于几公斤，单井测试相当于所研究的样品大小为300t，而多井测试相当所研究样品的大小为50000t，多并测试得到的渗透率比单井测试高约20％，样品测试得到的渗透率比单并测试得到的低得多。所以，要精确测定煤层渗透率不能单靠岩心测试，还要依靠生产测试和历史拟合。
2.2.2 相对渗透率
了解各生产阶段煤层气在煤层中的有效渗透率对精确评价煤层气井的生产能力有重要意义。在生产初始阶段，割理完全由水占据，为单相饱和，可用测试方法测定绝对渗透率。到生产后期，产水量很小，割理中接近于单相气流动，也可估算出有效气相渗透率。但在气水两相流动期间，有效气相渗透率对割理中的水含量十分敏感。由于建立实验条件比较困难，煤岩心的裂缝系统又不能代表实际储层的裂缝系统，因此在实验室内很难精确测定气、水相对渗透率。为了精确测定气、水相对渗透率，通常采用计算机模拟的历史拟合方法。图8所示为黑勇士盆地相对渗透率的计算机模拟拟合结果和实验室测试结果。可以看出，随着含水量的减少，计算机模拟拟含的气相相对渗透率的增加幅度要比实验室测定的大得多，更符合实际生产情况。
图8 模拟拟合和实验室测定的相对渗透率
2.3 煤的内表面积
煤这种孔隙度低但较小孔隙极发育的储集体，其内表面积非常大，一般为10～40m2/g。内表面积大小与煤的变质程度有关。C.T.Rightmire（1984）综合有关资料认为，表面积一般与碳含量(变质程度)有关。利用N2所作的研究工作表明，碳含量小于76%和大于83%的吸附性煤，一般具有小于1m2/g的表面积;而碳含量在上述范围之间的煤则具有大于1m2/g的表面积;含碳量﹥92%的无烟煤则是一个例外，其表面积为5～8m2/g。煤的表面积与小孔和微孔的发育程度关系较为密切。
煤具有较大的内表面积，这对天然气在煤储层中的聚集影响重大。
2.4 煤的化学结构
通过研究发现：煤储层与砂岩储层的差异，尤其是损害性质的差异，主要是化学成分的差异造成的。
煤是由许多相似结构单元构成的高分子化合物，分子骨架结构如图9所示。间由醚键（-O-），次甲基（-CH2-）,硫键（-S-）和芳香碳键(-C-C-)等联结为三维空间大分子。
煤分子骨架为疏水性很强的有机物质，分子上既有酸性（阴离子）基团，如羧基，又有碱性（阳离子）基团，如胺基，还有极性基团，如羟基，它们既可同阳离子表面活性剂结合，又可同阴离子表面活性剂结合，还可通过极性基团同离子表面活性剂结合。煤还含有带有这些基团的解聚的低分子化合物（如煤焦油），上述作用使煤对外来流体的敏感性有别于砂岩。
图9 煤分子的结构示意
2.5 煤对甲烷的吸附能力
2.5.1煤的吸附
（1）煤储层的吸附机理
当气体与煤储层接触时，由于煤基质的裂隙和孔隙表面分子与内部分子受力上的差异，存在剩余表面力场，形成表面势能，使得气体分子在煤孔隙壁面上的浓度增大，也就形成了吸附现象。固体对气体的吸附按其作用力的性质不同，可以分为两种类型：物理吸附和化学吸附。前者的吸附剂与吸附质之间的作用力是范德华力即分子间力，而后者是通过吸附剂与吸附质的原子间形成化学吸附键而形成的。
研究认为煤基块表面分子与甲烷分子间的作用力为范德华力，属于物理吸附。在-100oC-300 oC温度范围区，现场红外光谱实验未观察到CH4在煤中形成化学吸附。国外有关研究测得煤对甲烷的吸附热比汽化热低2-3倍，从而认为煤层甲烷应以物理吸附方式存在，煤对氮气、二氧化碳等的吸附也与甲烷一样，属于物理吸附，说明煤对气体的吸附是无选择性的。
总的来说，煤对甲烷气体的吸附具有吸附热低，吸附、解吸速率快，吸附和解吸可逆以及无选择性等特点，属于物理吸附或以物理吸附为主的观点得到大多数研究者的认同。
（2）煤储层吸附甲烷的形态
世界上约有20多个国家在进行煤层气的勘探开采。我国煤层气资源量为35万亿m3，分布在我国中东部地区。是美国煤层气储量的3倍。目前，我国煤层气的地面开采利用还未形成工业规模和商业价值。几年来，我国的煤层气开发工作也引起国际社会关注，联合国开发计划署及美国、澳大利亚七、八家石油开发公司纷纷进入我国．寻求合作开发项目。据不完全统计．自1990年以来，已在近20个煤田或地区施工了100多口煤层气勘探开发试验井。
煤中主要吸附甲烷的孔隙是显微孔隙和微孔隙。因此它们的大小直接影响着煤吸附甲烷的能力。关于煤孔隙的孔径结构分类方案有很多，张新民等，秦勇曾对国内外具有代表性的划分方案进行了归纳。目前，霍多特的十进制划分方案在国内应用最为广泛，划分出大孔（>1000nm）、中孔（100-1000nm），过渡孔（10-100nm）和微孔（<10nm)。孔隙结构与吸附的关系研究表明，大孔发生气体强烈层流和紊流渗透，中孔发生气体缓慢层流渗透，过渡孔发生气体毛细管凝聚、吸附及扩散，而微孔是发生气体吸附的主要场所，微孔的发育程度决定了煤的吸附能力。
2.5.2煤的解吸
（1）解吸的实质
煤对甲烷吸附依靠的是范德华力，属于物理吸附，是一个可逆过程，即在一定条件下，被吸附的气体会从煤的内表面脱离而进入游离状态，这一过程叫做煤层气的解吸，煤层气的解吸能忍受压力的控制，降低煤层内的压力，即可使煤层气解吸。煤层中维系气体吸附的压力主要是静水压力和气体压力。
静水压力下煤层气产出大致要经历三个阶段：
①单相流动阶段
水从割理系统中进入井筒并被排出，储层压力开始逐渐下降。
②非饱和单相流阶段
储层压力逐渐下降，甲烷开始解吸，形成气泡．阻碍水的流动，水的相对渗透率下降、但由于气泡是孤立的，尚未出现气体流动。
③两相流动阶段
随着压力的下降和气体的解吸，气饱和度不断提高，气泡相互连接，形成连续气流，气水同时进入井筒。从根本上讲，是井简与地层之间的压差控制着煤层气的解吸，因此，通过排水降压是煤层气生产的主要手段。
（2）解吸的影响因素
①煤的水分含量
煤中的束缚水含量是影响甲烷解吸因素之一。由于甲烷赋存于微孔隙中,毛细管压力高,具有很强的自吸能力,在钻采作业过程中,由于水的侵入,会造成水相圈闭损害,使压力难于降低,抑制甲烷的解吸。开发过程中,必须防止液相的侵入,同时尽可能排干煤层水。
②含气量
含气量有理论含气量和实际含气量之分。理论含气量指等温吸附线上储层压力对应的吸附量;而实际含气量指通过取心直接测定的含气量。在等温吸附线上,实际含气量对应压力称为临界解吸压力。此值越高,越接近储层压力,甲烷越容易解吸,也就是说含气量越高,越有利于甲烷的解吸。
③基块尺寸
研究表明,解吸时间的长短对基块尺寸极为敏感,尺寸越小,解吸时间越短(表1)。通常,解吸时间短,初始产气速度高;解吸时间长,初始产气速度则低。所以基块大小对总解吸速率有着很大的影响,它直接影响着气体的扩散、运移距离和产出速度。
表1
④温度
室内实验表明,随温度的升高,煤对甲烷的吸附能力减弱,解吸速率加快;反之,解吸速率降低。甲烷在煤中的解吸属于吸热反应,随着甲烷的解吸,煤层中的温度会局部下降,从而降低解吸速率。增加煤层温度可以提高甲烷的解吸速率。
⑤压力
压力降低是煤层甲烷解吸的基础。煤层气井开采时,只有储层压力降低到临界解吸压力以下后,煤层甲烷才能大量解吸,所以煤层气开发时,要求最大程度地降低储层压力,以增大解吸气量。甲烷解吸量取决于呈高度非线性的吸附等温线,如地层压力下降50%,解吸的吸附甲烷量通常不到20%,一般情况下,只有将煤层压力降到接近大气压时,煤层中的吸附甲烷才能全部解吸、扩散出来。
⑥煤阶与镜质体
煤阶的提高,镜质组含量的增高,均使微孔孔容与比表面积增加,并使煤层气解吸效率降低。
⑦煤岩体破碎程度也是影响甲烷排放的重要因素。
在良好渗透性的条件下，煤岩体破碎程度主要影响煤层甲烷的排放速度。表2为理论得出的煤岩体破碎程度与甲烷90%解吸所需时间。这种现象在机理上是由于气体分子扩散移动的距离所致。甲烷气体分子在基质微孔隙中的扩散形式有3种:容积型扩散、分子型扩散和过渡性扩散。相同距离下孔隙越小则扩散移动速度越慢。显然，我们希望煤岩体能够充分破碎，以便在较短时间内使气井尽快见效，缩短开发周期。
2.6 煤储层流体性质
2.6.1 煤层气化学组分
煤层气的化学组分有烃类气体(甲烷及其同系物)、非烃类气体(二氧化碳、氮气、氢气、一氧化碳、硫化氢以及稀有气体氦、氩等)。其中，甲烷、二氧化碳、氮气是煤层气的主要成分。尤以甲烷含最高，二氧化碳和氮气含量较低，一氧化碳和稀有气体含量甚微。图10是江西丰城矿区煤层气化学组分图。
图10 江西丰城矿区煤层气化学组分
（1）烃类气体
煤层气的主要成分是甲烷，其含量一般大于85％，其它烃类气体含量极少。通常，在同一煤阶、烃类气体随埋藏深度的增大而增加。重烃气主要分布于未受风化的煤层中，此外，重烃含量还与煤变质程度有关，中变质煤中重烃含量最高，而低、高变质煤中最低。
（2）非烃类气体
大多数煤层气中的非烃类气体含量通常小于30%，其中氮气约占三分之二、二氧化碳约占三分之一。在某些煤层气中，氮气和二氧化碳含量变化很大，如江西丰城煤矿，其氮气含量变化在0.2%～83.39%。二氧化碳含量变化在0.2%～10.12%。氮气分子较小，运移速度快，因而主要受上覆盖层质量的影响。二氧化碳易溶于水，且易被地下水带走，因而二氧化碳含量主要受地下水活动的影响。此外，氮气和二氧化碳含量也受煤层埋深的影响，一般越靠近地表，氮气和二氧化碳的含量越高。此外，煤层气中一般还含有少量的氢气。
2.6.2 煤层水特征
自然状态下，几乎所有的煤层都含有水。为便于实际应用，美国ASTM(1973)规定煤层含水量是指温度在104～110℃时，煤层水以水分子(H2O)形式释放出来的数量，水在煤里以自由水、分解水和水化合物的形式存在。自由水存在于裂隙和大孔隙内。分解水和含氧官能团(—OH、一COOH、一C=O)通过氢键结合。水化合物粘附在无机矿物(如石膏和粘土)上(Allardice和Lahiri，1978)。这些水常常和甲烷竞争被吸附的位置。煤层吸附水的数量称为临界含水量，它取决于煤层氧的含量(Joubert等，1973)。高于临界含水量的水含量并不影响甲烷气的吸附能力。低煤阶煤比高煤阶煤含有更多的氧，因而其吸附水要比高煤阶煤多，含气量相对少。
对于煤系地层来说，不同类型的水对煤层气成藏起着不同的作用，按沉积水的化学性质，可把地层水进一步分为CaCl2型、NaHC03型和Na2S04型三类。一般CaCl2型水是深层成因水，往往位于承压区，低矿化度的Na2S04型水是地表补给水的标志，处于供给区或泻水区的附近，NaHC03型水介于前两者之间，位于迳流区。据此，承压水封闭区，煤层封闭条件较好，煤层期成藏条件有利，但承压水区往往煤层埋深大(大于1000m)，孔渗条件下降，物性降低，虽利于成藏，但不利于煤层气的开发；Na2S04型水区煤层埋深较浅或侧向煤层已出露地表，它是地表水沿露头区渗入煤层后产生水力交替的产物，常常与甲烷风化带相对应，煤层气成藏条件差；NaHC03型水分布区煤层埋深在250～1000m之间，该带内煤层埋藏适中，水力交替滞缓，在渗入水与地层水的接触面水流相反，产生局部滞流带，地层水流动不畅而形成超压，从而形成封堵型煤层气藏。
3 完井液对煤层的伤害机理
3.1 煤层潜在的损害因素
煤层的特点决定了它有以下几个损害因素：
(1)煤层孔隙和裂隙发育，完井液中的固相和液相进入煤层裂隙深处。
(2)煤是大分子结构的有机物，易对完井液水和高分子聚合物吸附，从而影响煤层的渗透性。
(3)煤层水易与完井液发生化学反应，从而堵塞煤层裂隙。
(4)储层压力低，易发生井漏，对煤层造成损害。
(5)煤层具有应力敏感性，完井过程中液柱压力控制失当，容易造成渗透流降低。
(6)煤机械强度低，完井施工过程中产生的煤粉易堵塞煤层孔隙和裂隙。
3.2 煤层损害的机理
地层损害通常是由于固体微粒的运移和堵塞，或者是由于化学反应和热动力因素，以及两者同时发生作用。由于煤层许多化学成分与油气层相似，决定了其损害机理与油层及天然气层有相同之处。煤层在结构构造上与油气层又有显著不同，所以在损害机理上又有其特殊性。
3.2.1外来流体与储层岩石、储层流体不配伍所造成的损害
完进过程中属于这种损害类型的有:①储层的水敏性损害。当进入储层的外来液体(如泥浆)的矿化度与储层中的粘土矿物不配伍时，将会引起粘土矿物水化膨胀、分散及絮凝沉淀，导致储层渗透率降低。②储层的碱敏性损害。碱液进入储层，有利于粘土水化膨胀与分散，还可能与储层流体中的无机离子形成盐垢。③无机垢、有机垢堵塞。无机垢堵塞主要是由于外来流体与储层流体不配伍生成无机垢所造成的，有机垢一般以煤中的煤焦油沉淀而成，这些垢既可能形成于储层的孔隙、裂隙里，也可能沉积集输装置与管汇中，由此，除引起气产量下降外，还是造成设备早期损坏的重要因素。
3.2.2微粒运移、粘土膨胀造成的储层损害
膨胀微粒的运移、粘土膨胀被认为是观察到地层伤害导致渗透率降低的最主要原因。这在象煤层这样高粘土含量、低渗透率及胶结性差的储集层中伤害更为严重。一般而言，微粒运移和粘土膨胀现象同时出现，它们对地层损害的相对大小依赖于储集层的矿物成分(如粘土矿物、石英、长石、云母、碳酸盐和煤粉等)、地层温度、压力、注入速度、注入流体成分、pH值等变量。煤本身具有吸收液体和气体而产生膨胀的性质，即使煤基质只有轻度膨胀，也会相应地导致储层孔隙率和渗透率大幅度降低，且煤吸收液体并导致基质膨胀和渗透率降低的过程是近乎不可逆的。
3.2.3水锁损害
煤层的裂隙是地层中流体流动的基本空间，总的来说这些天然裂隙内径很小，因此可将其看作是无数大小不等，形状各异，彼此曲折的毛细管，当外来流体侵入裂隙通道后，会将通道中原有的气推向储层深部，并在气水界面形成一个凹向水相的弯液面。由于表面张力作用，任何弯液面都存在—附加压力，即毛细管压力，等于弯液面两侧水相压力和气相压力之差。其大小可由任意曲界面的拉普拉斯方程确定，即：
Pc=σ(1/R1+1/R2) (1)
式中：σ两相间界面张力；R1、R2任意曲面的两个主曲率半径；Pc曲界面附加压力，即毛细管压力。
如果近似地把曲面看为球面时，上式可以写成：
Pc=2σcosθ/r (2)
式中：r毛细管的内径；θ曲面半径与毛细管截面之夹角。式(2)表明，Pc与毛细管半径成反比。这就是说，当裂隙内径较大时，通道内毛细管张力较小，气体可以驱开水段塞流向井筒；而在一些较小裂隙通道中，毛细管力很大，如果储层的能量不足以克服这附加的毛细管压力，气就不能将水段塞驱开而流向井筒，从而形成水锁损害，导致气层渗透率下降。
3.2.4应力敏感
应力敏感是指岩石所受净应力（即净围压=围压-驱替压力/2)改变时，孔喉通道变形、裂缝闭合或张开，导致岩石渗流能力变化的现象叫做岩石的应力敏感性，它反映了岩石孔隙几何学及裂缝壁形态对应力变化的响应。
排水、采气过程引起煤层孔隙内流体压力下降后，煤层骨架所承受的有效覆压增加，储层孔隙压力低于正常压力梯度，因而煤层中微裂缝中的水是处于欠压实状态，其支撑能力较差。如果煤层中含水饱和度高，孔隙和裂缝中充满了水，而水的可压缩性很低，因而在受到外力作用时，会受到水的支撑作用。此时，水处于超高压状态，煤层仅发生微小的变形，孔隙和裂缝不会发生大量闭合。而如果煤层中含水饱和度低，煤层受压缩时缺少必要的支撑，导致煤层中的微裂缝很容易发生闭合，使渗透率进一步降低。
一般情况下，煤层中有丰富的端割理、面割理以及高度发育的微裂缝，应具有较高的渗透率。然而，根据试验结果，煤层的渗透率却非常低。分析其原因主要是煤层的应力敏感性很强，在有效应力作用下，一些裂缝闭合，导致渗透率显著降低。
从图11可见，当有效应力升高时，煤岩渗透率急剧下降，表明具有很强的应力敏感性。
低渗岩心呈现以上应力敏感性规律的原因主要有以下几方面:
① 岩心中存在微裂纹，在压力作用下易于闭合，而这些裂纹闭合后在卸压过程中不易恢复张开， 宏观表现为随有效压力的增加渗透率降低和压力滞后现象；
② 低渗透储层的孔隙结构比高渗透储层的更加复杂， 这种复杂性增加了岩心受压行为的复杂性，比如，低渗储层孔道弯曲程度大而且连通性差；
③ 岩心中空隙及孔隙通道的收缩。这种通道可近似看成为圆孔状，当有效压力较小时，孔道受压后的急剧收缩导致岩心渗流能力降低，表现为渗透率值减小；
④ 随着加减压次数的增加，岩心的塑性变形趋于完善，因此岩心内微裂纹的闭合与张开、孔道的收缩与舒张逐渐与有效应力的大小相一致，宏观表现为随着加减压次数的增加，应力滞后效应减弱；
⑤ 随着岩心含水饱和度的增大，气体渗流的实际通道减小，因此岩心对
应力的敏感程度增高。
图11 煤层气储层岩样在不同围压下的渗透率变化情况
3.3 完井作业对煤层伤害机理分析
①固井过程中水泥颗粒对煤层割理和孔隙的堵塞
煤层气中吸附在煤层孔隙和割理中的吸附气，其主要储存空间和运移通道是煤层的孔隙和割理。固井时，水泥颗粒将充填和堵塞煤层的割理和裂缝通道，少量的胶体颗粒进入煤层基岩孔隙，对煤储层产生伤害，不利于煤层气的解吸运移。
②固井过程中水泥浆滤液对煤层的伤害
煤层中易水化的粘土矿物，受到水泥浆滤液浸泡时，发生水化反应，粘土矿物水化膨胀导致煤层割理和孔隙的堵塞，引起渗透率降低，对煤层产生较大污染。
③固井过程中水泥浆液柱与煤层之间的压力差
水泥浆液柱压力与煤层之间的压力差影响井筒附近的煤层应力强度分布。当煤储层上覆压力和围岩压力一定时，作用在井筒附近的应力随循环液柱压力的增高呈单调递减关系。煤储层的渗透性受地应力的影响很明显，由于煤具有相对较大的塑性变形，煤割理系统内很小的压力变化也会引起渗透率的较大变化。在固井时，井内循环压力大于煤层压力，使作用在井筒附近的纯应力降低，引起煤层渗透性增大，增大了水泥浆对煤层的侵入速度和半径，造成煤层伤害，井内压力激动会加剧这种伤害。
④射孔作业对煤储层的伤害
当煤层气井采用套管射孔完成时，煤层受射孔时高温高压的双重伤害。射孔时产生高温，使孔眼附近的煤焦碳化，破坏了煤层气入井通道(煤层割理和煤孔隙)，使煤层气不能畅通入井；高压的作用结果同样引起煤层应力的变化，使煤层应力降低，加速了射孔液对煤层的侵入，增加其侵入速度和半径．从而最终导致煤储层渗透率降低。一般来说煤层段井径扩大率要比普通油气储层大得多，采用套管射孔完成时，煤层段的水泥环较厚，还可能出现射孔弹不能穿透煤层的情况发生。
⑤压裂过程中压裂液对煤层的伤害
在煤层气井压裂中，压裂液与煤层接触由于煤基质的割理被堵塞及液体吸附使的渗透率的降低。
3.4 固井施工对地层的损害
3.4.1 水泥浆中固相对煤储层的伤害
煤储层内空间主要有两种：孔隙和裂缝。孔隙的主要作用是吸附和容纳气，裂缝主要是煤层气的通道，是决定煤层气资源量和产能的主要因素。一旦煤层的孔隙和裂缝受到损害，煤层损害程度比常规油气层严重得多，不仅使气体的渗流通道受损，而且还会影响煤层气的解析过程。
水泥浆对煤层的污染在钻井液之后。钻井液在井壁上形成的泥饼能阻挡水泥颗粒的侵入，但是煤层气井钻井液性能差，在井壁上形成的泥饼疏松，又因固井过程中采取了提高顶替效率的技术措施，清除了部分泥饼，使泥饼的阻挡力更小；煤层属于低压储层，在固井过程中过平衡压力大，所以为水泥浆颗粒提供了进人地层的条件。水泥浆中固相进人煤层的孔隙与裂缝，并在其中水化固结，堵塞孔隙或喉道，造成煤储层的永久堵塞。
3.4.2 水泥浆滤液对煤储层的伤害
煤层气井固井时水泥浆更容易向地层失水，而且滤液对煤储层的伤害比常规气层严重得多，原因有四个。一是由于煤层气井浅(一般为400~1500m)，钻井液密度小，有的井甚至用清水钻进，钻井液性能差，井壁上形成的泥饼疏松，阻挡力小。二是由于煤层的孔隙压力小，固井过程中过平衡压力大，加大了水泥浆向地层的失水量，即使在水泥浆中加人一般的降失水剂，水泥浆仍然很容易向地层失水。三是由于上部地层疏松，水敏性强，而且当煤储层遇水时，在很强的毛细管作用下，吸水反应强烈。四是由于煤层气井浅，井底温度低。候凝过程中水泥浆长时间处于液态，也加大了水泥浆向地层的失水量。由于水泥浆很容易向地层失水，使水泥浆水灰比变小，性能发生很大变化，不但影响了对煤层的封固质量，同时也会对煤层造成伤害。含有各种离子和高碱性的滤液进人煤层后，加速了粘土矿物的水化、分散和运移，并形成毛细管阻力，降低煤储层的渗透率。滤液与煤层水不配伍时，会生成沉淀，堵塞煤层裂缝。煤层是具有大分子结构的有机物，易吸附水泥浆中的水和高分子量聚合物，引起高分子滞留作用及煤基质的膨胀作用，使煤层渗透率降低。
3.4.3 煤储层压力低，在固井过程中易发生井漏
煤层孔隙压力梯度一般小于0.01M Pa/m，超低压煤层的压力梯度仅为。0.006 MPa/m，且存在很大差异并很难预测，即使在同一地区，压力梯度变化也很大而且煤层易破碎。钻井过程中，若钻井液的密度控制不好或施工不当，容易发生井漏。即使用清水钻进，在煤层段漏失现象也时有发生。固井时水泥浆的密度远远高于钻井液的密度(钻井液密度一般为1.03~1.08g/cm3)，水泥浆密度过大或施工不当时，很容易发生漏失现象，导致一方面水泥浆低返，影响固井质最；另一方面水泥浆渗人煤层，对煤层造成大面积的伤害。
3.4.4 过平衡压力大，造成煤储层渗透率的降低
经过多次的加压、卸压周期试验，测定不同压力下的煤层渗透率发现，加压使渗透率下降，但卸压时渗透率只能得到一定程度的恢复，造成渗透率的降低，这说明煤层存在渗透性滞后现象。煤层的渗透率低，孔隙压力小，水泥浆密度大于钻井液密度，固井过程中易形成过平衡压力。当环空液柱压力大于煤储层压力时，会使作用在井筒附近的净应力降低，引起煤层渗透率的增大，增大钻井液与水泥浆对煤层的侵人速度与侵人半径，造成煤储层渗透率的下降，影响产能的发挥。
3.5 压裂过程中压裂液对煤层的伤害
3.5.1 压裂过程中压裂液对煤层的伤害分析
煤层气井的开发一般为压裂求产，在压裂过程中压裂液对煤层的伤害不同与其对油藏的伤害，这是由于煤本身的特性决定的.
在煤层气井压裂中，压裂液与煤层接触所造成的渗透率的降低，一般是由煤基质的割理被堵塞及液体吸附所造成的。
割理的堵塞而导致的渗透率伤害
煤层是包括微孔隙基质及割理这类天然裂缝网络的双孔隙储层岩石。当割理与水力裂缝相交时，大量压裂液将进入割理，由于压裂液滤饼未必沿整个裂缝璧面到处形成，割理被压裂液堵塞较容易，因此由于割理堵塞所产生的渗透率伤害较砂岩地层严重。若煤层为薄的、低割理孔隙度和高渗透率，压裂液在煤层中侵入将更深，因此伤害的潜力比预想的严重。以下标妈金，均为消除压裂液堵塞割理而造成的伤害。
液体吸附所造成的渗透率伤害
煤层是由连通性极好的大分子的网络和其它互不连通的大分子的通道所组成。因此，与砂岩不同，煤层具有很高的吸附或吸收各类液体和气体的能力。煤层吸附液体的后果之一是造成煤层基质的膨胀，其膨胀的程度取于有机溶剂的化学性质。
由于煤层总的割理孔隙度仅为1~2%，即使压裂斌破胶的或未经砌狡的)的吸
附导致基质的极轻微的膨胀，也会导致割理孔隙度及渗透率的相对大的下降。且煤对液体的吸附和基质所引起的膨胀是完全不可逆的，即通过降压除掉吸附在煤层上的液体化学剂基本上是不可能的。因此煤与液体化学剂接触，对于煤层渗透率及割理的孔隙度将造成严重的伤害。
3.6 射孔对煤储层的伤害
当煤层气井采用套管射孔完成时，煤层受射孔时高温高压的双重伤害。射孔时产生高温，使孔眼附近的煤焦碳化，破坏了煤层气入井通道(煤层割理和煤孔隙)，使煤层气不能畅通入井；高压的作用结果同样引起煤层应力的变化，使煤层应力降低，加速了射孔液对煤层的侵入，增加其侵入速度和半径。从而最终导致煤储层渗透率降低。一般来说煤层段井径扩大率要比普通油气储层大得多，采用套管射孔完成时，煤层段的水泥环较厚，还可能出现射孔弹不能穿透煤层的情况发生。
4 完井过程中的煤层保护措施
4.1 储层保护的固井技术
4.1.1 合理的固井工艺
衡虽煤层气井注水泥技术的主要标准是固并质量和对煤储层的保护。一方面要求形成完整的水泥环，第一界面与第二界面的固结好，胶结强度高。对煤层的封固好。另一方面要求水泥浆侵人储层的深度浅，伤害小。认为适合于保护煤储层的固井技术首先是良好的水泥浆体系，其次为合适的注水泥工艺。
4.1.2 良好的水泥浆体系
经过多次试脸，石油勘探开发科学研究院分院优选出适合煤层气井固井使用的LQ早强降失水剂。LQ主要由早强剂及降失水剂复配而成，早强剂万方数据与降失水剂的配伍性好。不会破坏降失水剂的降失水作用，降失水剂性能优于一般的降失水剂。用LQ早强降失水剂配制的水泥浆具有以下特点:在低温下浆体稳定，水泥石强度发展快，失水量小于30 mL(6.9 MPa、30min)；水泥石有微膨胀作用，能排挤套管外残留的钻井液，压实非韧性滤饼，保证第一界面、第二界面的良好胶结；在水泥浆与地层间的压差作用下，在界面处形成致密的低渗透滤失膜，保证了水泥浆体系的低失水量；水泥凝固后，降失水剂能堵塞水泥基质中的孔隙，降低水泥石的渗透率；水泥浆的稠化时间可以通过调整早强剂的加量来调整，以满足不同井深的固井要求。
4.1.3 注水泥工艺
(1) 采用常规密度水泥浆封固煤层及煤层以上150 m的井段，以高强度和致密的水泥石封固产层.满足射孔、压裂及长期采气的需要。
(2) 煤层气并一般全井封固，采用低密度水泥浆封固煤层以上的充填段.配合常规密度水泥浆来降低环空的液柱压力，减小过平衡压力与保护煤储层相结合，提高固井质量
(3) 采用塞流注水泥技术。采用该技术时，在两相界面上形成聚集物质，在井眼扩大段及不规则段，产生类似活塞的顶替作用，可以取得好的顶替效果。注水泥及替浆过程中，控制环空返速小于0.45 m/s。
(4) 应用综合固井技术。固井时对影响固井质量的每个环节都进行精心考虑、认真准备，以争取将每项因素对固井质量的影响都减小到最低限度提高固井质量与保护
煤层相结合。
4.2 压裂液优选
水力压裂改造油气层过程中，压裂液不但起到造缝和携砂的作用，同时由于压裂液侵入压裂储层，还将对储层造成一定的伤害，特别对于比表面较大的煤层，其伤害程度尤为严重。为此，压裂液的研究不但要满足压裂工艺的要求，具有较高的粘度以满足造缝和携砂的要求；而且更重要的是压裂液必须与储层配伍性良好，从而尽可能地降低由于外来液体的侵入对地层带来的伤害。由此可见，煤层气井用压裂液的研究应首先在认识煤储层特征的基础上，优选压裂液用各种添加剂，再结合压裂工艺的要求，形成既能保证压裂施工顺利实施，又能快速返排，从而减少压裂液对煤储层伤害的压裂液配方体系。
煤层气井用压裂液在一定程度上，可以借鉴现行水基压裂液性能评价，但由于煤储层具有松软、割理发育、表面积大、吸附性强、压力低等与油藏储层不同的特性，由此而引起的高注入压力、复杂的裂缝系统、砂堵、支撑剂的嵌入、压裂液的返排及煤粉堵塞等问题，使得煤层气井用压裂液与油气田压裂液存在着差异，主要表现在：
a． 由于煤岩的表面积非常巨大，具有较强的吸附能力，要求压裂液同煤层及煤层流体完全配伍，不发生不良的吸附和反应；
b． 煤层割理发育，要求压裂液本身清洁，除配液用水应符合低渗层注入水水质要求外，压裂液破胶残渣也应较低，以避免对煤层孔隙的堵塞；
c． 压裂液应满足煤岩层防膨、降滤、返排、降阻、携砂等要求。对于交联冻胶压裂液，要求其快速彻底破胶。
考虑到煤层储层特点及压裂工艺的要求，对煤层气井用压裂液的各添加剂、压裂液性能及经济成本进行了优化，其优化原则为：
a． 尽可能少地使用添加剂，特别是有机类添加剂，以减少对煤储层的伤害；
b． 开发适合煤层气压裂用的压裂液材料，使之与煤储层相配伍；
c． 在保证压裂工艺及施工条件下，降低压裂液成本，以满足市场经济的要求。
在此基础上，对活性水、线性胶及交联冻胶压裂液使用的添加剂进行了筛选；并提出针对 煤层使用的活性水、线性胶及交联冻胶压裂液配方。
4.3 完井工艺的选择
煤层气开发时,如果对完井技术不重视,采取的措施不当,煤层气产能很低。据报道,恰当的完井方法可使气产量增加到原来的3～5倍。
煤层气有多种完井方法,主要有裸眼完井、套管完井、筛管—裸眼完井、裸眼洞穴完井和水平排泄孔衬管完井五种完井方法,其中以射孔压裂完井和裸眼洞穴完井为主。
（1）裸眼洞穴完井
裸眼洞穴完井方法是在裸眼完井的基础上发展起来的一种独特的煤层气完井方式。在较高的生产压差作用下,利用井眼的不稳定性,在井壁煤岩发生破坏后允许煤块塌落到井筒中,进而形成物理洞穴(自然裸眼洞穴完井) 。或者人工施加压力(从地面注气) ,使井壁煤层发生破坏,再清除井底的煤粉,进而形成物理洞穴(动力或人工裸眼洞穴完井) 。从现场试验结果来看,裸眼洞穴完井的产量都较高,且大大高于压裂完井的产量。根据美国的经验,如果煤层的渗透率大于(5～10) ×10 - 3 2 ,煤层易碎,则可采用裸眼洞穴完井。裸眼洞穴完井方法增产效果十分明显,如美国圣胡安盆地的“FA IRWAY”层,采用洞穴完井就取得了较好的结果,其产量比水力压裂增加了3～20倍。
（2）射孔压裂完井
洞穴完井工艺成功需要高渗透率、超压和高挥发份烟煤A煤阶几种条件的结合,所以适用有局限性。下套管固井是目前煤层气通用的完井方法,因为它的适用性很强(可应用于任何类型的煤层) ,这种方法完成的煤层一般都需要水力压裂。固井时主要考虑将各层有效隔开,在保证固井的质量的前提下,尽量降低对煤层的伤害。为了减少水泥浆柱超静水压力对煤层造成的损害,人们已使用了大量方法,如将水泥伞座放在目的层上部、双级固井、低密度或超低密度水泥浆固井等。
③国内完井技术存在的问题
中国的煤层渗透率通常在(0.001～1.0)×10- 3 的范围,属于特低渗透;煤层孔隙压力0.87～1.0MPa /100m,属低压。由于受煤层物性的限制,98%的煤层气井需要进行大型水力压裂,所以裸眼完井应用较少,套管射孔完井是主要的完井方法。目前存在的主要问题有：
(1)对煤层的伤害大。通过几年来的攻关,基本解决了煤层气固井的封固质量,但仍未解决固井对煤层造成的伤害问题。煤层属强压力敏感低压低渗储层,现有技术固井
水泥浆液柱压力与煤层静压差达到3～7MPa,导致煤层产生不可逆的塑性变形而降低渗透率,使钻井过程中保护煤层的努力失去意义。
(2)没有针对煤储层低压、低渗、易伤害、胶结性差等特点,设计适合于煤层固井的工艺技术和水泥浆体系。依然沿用油气井的固井技术,前置液、水泥浆和施工工艺和油气井固井大体相同。
(3)未严格控制水泥浆的性能。有的井固井时,对水泥浆的性能要求不严格,水泥浆体系的稳定性差,失水量高,强度发展慢,有的井甚至用原浆固井,这些都影响了对煤层的封固质量。
(4)综合固井措施应用不好。和油气井固井相同,煤层气固井也必须从各方面入手,采取有效的措施,应用综合固井技术。固井时应针对每口井的具体情况,对影响固井质量的每个环节都进行认真考虑、细致准备,争取将影响固井质量的每项因素都减小到最低限度,否则只注意一个方面或几个方面,都不能很好地固好井,也不能很好地保护煤储层不受伤害。
(5)保护煤层的措施不够。煤层气井固井时有的井没有针对煤储层的压力情况,设计合理的水泥浆体系,致使水泥浆液柱压力远远高于煤储层的压力,对水泥浆失水也未严格控制,有的虽然加入降失水剂,但失水量依然比较大,这些都对煤层造成了很大伤害,从而导致有些井的试气不理想。
5 结论
(1)煤基质微小孔隙系统具有很大比表面积，极强的吸附能力，但是渗透率却极低；相反，煤中裂隙系统的孔隙度很小，储集能力小，但是其渗透率却很高，是气、水渗流的主要通道。煤层气煤岩的微观破坏形式是沿微孔隙某个方向的穿粒断裂和沿晶(即沿裂隙或节理层理)断裂及它们之间的相互耦合。穿粒和沿晶断裂主要有两种类型：第一类是具有微孔隙和微裂隙的断裂；第二类是无微孔隙存在的沿晶断裂。
(2)煤层气储层与常规抽气储层的损害机理相比有相同之处，但又有其特殊性，主要表现在：①煤层孔隙和裂隙发育，完井液中的固相和液相进入煤层裂隙深处；②煤是大分子结构的有机物，易对完井液水和高分子聚合物吸附，从而影响煤层的渗透性；③煤层水易与完井液发生化学反应，从而堵塞煤层裂隙；④储层压力低，易发生井漏，对煤层造成损害；⑤煤层具有应力敏感性，完井过程中液柱压力控制失当，容易造成渗透流降低；⑥煤机械强度低，完井施工过程中产生的煤粉易堵塞煤层孔隙和裂隙。
(3)从保护储层角度看，在完井技术设计中，应正确选择完井工艺、完井液的类型，采用洞穴完井技术和重视于无固相完井液的合理应用。
