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煤层气固井过程中的储层伤害与保护


2011 年第 3 期

西部探矿工程

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煤层气固井过程中的储层伤害与保护
腰世哲 1 , 靳文博1 , 刘
*

强2

( 1. 西南石油大学石油工程学院, 四川 成都 610500; 2. 中国石化集团石油工程西南固井分公司, 四川 德阳 6108

00) 摘 要: 煤层气是储集于煤层孔隙中的天然气。煤层与一般的油气层相比, 埋藏浅、 微孔隙和裂缝发

育。煤层的机械强度和孔隙度低, 易坍塌、 易污染。根据煤层气井的特征, 介绍了一般油气井固井与 煤层气井固井的区别, 总结出煤层气井固井的特点及难点。总结分析了固井过程中煤储层伤害的主 要因素, 并以此为依据提出了保护煤储层的固井技术措施, 即低密度水泥浆体系、 低温膨胀水泥浆、 双 凝水泥浆、 双级固井技术、 塞流顶替技术和绕煤层固井技术。 关键词: 煤层气; 固井质量; 水泥浆; 双级固井; 塞流顶替 中图分类号: T E256 文献标识码: A 文章编号: 1004 5716( 2011) 03 0043 煤层气( CBM) 是以吸附或储集方式存在于煤层孔 隙中的天然气, 通过排水降压使其解析出来[ 1] 。我国煤 层气资源丰富, 据新一轮全国煤层气资源预测结果, 在 我国陆上煤田埋深 2000m 范围内拥有的煤层气资源量 为 36. 81 1012 m 3 , 与我国陆地和近海海域 115 个含油 气盆地天然气资源量( 35. 03 1012 m 3 ) 相当[ 2 3] 。 由于我国含煤地层时代普遍偏老, 在其沉积之后, 其上不仅叠加了较厚的成煤期后的沉积, 并在成煤期后 经历了多次构造运动的改造。这样, 不仅使得我国煤层 气遭受部分逸散, 不利于煤层气的保存, 而且也使得我 国广大地区煤储层在沉积压实及多期构造运动的作用 下, 煤储层物性普遍较差, 致使我国煤层气藏总体表现 为低压、 低渗、 低饱和度的特点。在我国, 由于对低压、 低产煤层气开发特点的研究较少, 其钻井、 完井作业大 部分还是采用与石油、 天然气开发基本相同的技术, 对 煤储层的保护不够, 致使部分井的试气不理想、 产量比 较低, 影响了煤层气的开发。本文基于煤层气井固井的 特点及难点总结分析了煤层气固井过程中煤储层伤害 的主要因素, 并以此为依据提出了保护煤储层的固井技 术措施。 1 煤层气井固井的特点及难点 因煤层气井作业本身的一些特殊性, 如煤层气井常 采用压裂增产、 负压排水开采等措施, 这给固井设计与 施工提出了更高的要求。固井质量高, 层间封隔好, 固 井施工中对煤层的伤害要小。和一般油气井相比, 煤层
* 收稿日期: 2010 05 18 第一作者简介: 腰世哲( 1985 ) , 男( 汉族) , 西南石油大学石油工程学院油气井工程专业在读硕士研究生, 研究方向: 油气井固井与完井工程。

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气井固井的特点及难点主要表现在以下几个方面: ( 1) 煤层机械强度低 [ 4] , 力学稳定性差, 易坍塌。煤 层胶结强度低、 松散, 井壁易坍塌形成 大肚子 , 对多煤 层井段易成 糖葫芦 井眼, 从而导致固井过程中水泥浆 顶替效率低, 残留的滤饼和钻井液严重影响了煤层的封 固质量[ 5] 。 ( 2) 煤层埋藏浅, 替浆量少, 顶替效率低。煤层气井 井身浅, 固井时替浆量少( 一般井泵替钻井液只有 5~ 11m 3 ) [ 6] , 注水泥完毕即有一半体积以上的水泥浆进入 环空, 水泥浆与地层接触时间短, 不利于顶替井壁和套 管壁上的钻井液。受设备及井下条件的限制, 固井时根 本达不到紊流顶替的排量。 ( 3) 煤储层压力低, 封固段长。由于煤层气独特的 开采方式, 因此一 般要求全 井封固, 封固段 长一般 在 300~ 1200m 之间。固井水泥封固段过长, 在施工过程 中不但易造成钻井液窜槽、 水泥浆严重漏失等问题, 而 且对煤储层也损害严重。液柱压力高, 对地层回压大, 会造成水泥浆较大的失水, 同时会携带水泥颗粒进入地 层, 而且也会因为液柱压力大而造成地层漏失。 ( 4) 煤气储层基质孔隙系统的强吸水性及裂隙孔隙 系统的高渗透性使得水泥浆的滤 失量大, 产层伤害 加 剧, 另外 还会导致 其性能发 生很大变 化, 影 响固井 质 量[ 7] 。 ( 5) 煤岩层光滑、 不规则的解理面不利于水泥环二 [ 7] 界面的胶结 。随着煤层气的开采, 煤层会进一步收缩

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破裂, 产生微间隙。以上均不利于固井质量的提高。 ( 6) 水泥浆配方设计困难。煤层气井较浅, 井底温 度低, 一般在 25 ~ 45 之 间, 其 上部井段 温度则更 低。低温下低密度水泥浆 体系凝结时间长、 早期强度 低; 在低密度水泥未形成强度前, 活跃的地层流体已经 渗入水泥浆中, 破坏了水泥浆体系的稳定性。为加快水 泥的水化速度, 提高早期强度, 必须加入早强剂或促凝 剂。常用的促凝早强材料通常会加剧水泥浆体体积收 缩, 而且水泥浆体由化学收缩而形成的孔隙全部为连通 孔, 易行成水窜通道。在低温条件下水泥浆失水控制本 来就很困难, 而促凝剂会增大水泥浆的失水量, 使得其 失水问题更为复杂。另外, 在低温下水泥水化的需水量 少, 水泥流动性差, 但却不能增大水灰比或使用分散剂。 因为水灰比增大, 水泥浆体积收缩也随之增大, 抗压强 度降低, 而现有油井水泥分散剂在低温条件下都具有很 强的缓凝作用。 ( 7) 煤层易受到伤害, 保护煤层的难度大。煤储层 渗透性低, 属于低渗储层, 任何环节的污染都会对煤层 造成永久性伤害。固井过程中如果水泥浆的密度高、 失 水量大, 水泥浆性能差或施工不当, 很容易造成对煤层 的伤害。 2 固井过程中的储层伤害 2. 1 水泥浆中固相对煤储层的伤害 煤层气储层孔隙结构分为基质孔隙和裂隙孔隙, 具 有双重孔隙结构。煤层中基质被天然裂缝网分成许多 方块( 基质块体) : 基质是主要的储气空间, 而裂隙是主 要的渗透通道[ 8] 。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。 水泥浆中固相颗粒直径较大, 但仍有一部分颗粒直 径较小, 小于煤储层的孔隙直径。因此, 在环空液柱与 地层压差作用下这些细小的颗粒仍有可能进入地层的 孔喉中, 堵塞煤层气孔道。水泥浆对地层的损害是在钻 井液损害地层之后, 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, 因而其阻挡力较小。煤层属于低压 储层, 如果固井过程中发生井漏, 则水泥浆就会进入地 层深部, 对煤储层造成严重伤害。 水泥浆滤液对煤储层的伤害 煤气储层基质孔隙系统的强吸水性及裂隙孔隙系 统的高渗透性使得水泥浆的滤失量很大。含有各种离 2. 2 子和高碱性的滤液进入煤层后, 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。膨胀微粒的运移、 粘土膨胀是导致地层渗透率降低

的最主要的原因。煤本身具有吸收液体和气体而产生 膨胀的性质, 同时会导致储层孔隙度和渗透率大幅度降 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。 2. 3 煤储层压力低, 在固井过程中易发生井漏 煤层储层压力低, 固井时水泥浆密度过大或施工不 当时, 环空静液柱压力与流动阻力之和很容易超过地层 破裂压力而造成水泥浆的漏失。水泥浆的漏失一方面 会导致水泥浆达不到设计返高, 影响封固质量; 另一方 面水泥浆渗入煤层, 浆体中的固相颗粒进入煤层的孔隙 与裂缝, 并在其中水化固结堵塞孔隙或喉道, 造成煤储 层的永久性堵塞。 2. 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, 渗透率降低。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, 从而增大了钻井液与水泥浆 对煤层的侵入速度与浸入半径, 造成煤储层渗透率的下 降。 3 保护煤储层的固井技术 低密度水泥浆体系 高密度水泥浆会产生很大的正压差, 造成储层应力 敏感, 同 时如 果 滤失 量 高也 会造 成 大量 滤 液侵 入 储 3. 1 层 。水泥浆滤液的 pH 值较高, 容易与煤层发 生反 应后产生沉淀, 堵塞孔道。因此应选用低密度水泥浆体 系。低密度水泥浆体系主要有以下 4 种类型: ( 1) 加入高比例混合水, 并控制游离液。一般加入 粘性固态无机物和有机物的高吸水材料和轻质充填物, 如膨润土、 硅藻土、 膨胀珍珠岩、 核桃壳、 焦炭、 硬沥青、 水玻璃、 油基乳化液等。这类水泥 浆的密度可控制 在 1. 4~ 1. 6g/ cm 3 。 ( 2) 用钻井液、 矿渣、 微硅、 微珠通过钻井液转化为 水泥 浆技 术 ( MT C) , 使水 泥 浆 密 度 可调 至 1. 32 ~ 1. 6g/ cm 3 。 ( 3) 加入细小但耐压的中空玻璃球和微珠, 由于这 类材料的密度在 0. 4~ 0. 8g/ cm 3 范围, 故该类水 泥浆 的密度可控制在 1. 2~ 1. 4g/ cm 范围, 有的目前 已达 到 1. 0g/ cm 3 左右。 ( 4) 采用机械充气或自身发气方法而配制的泡沫水 泥浆体系, 其密度可控制在 0. 7g/ cm 3 。 3. 2 低温膨胀水泥浆
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膨胀水泥浆具有凝固过程体积膨胀的效果, 该水泥 体系主要用于易产生 微环隙 的井固井施工, 一般要求 其膨胀率不超过 5% , 以免产生副作用。低温下可以产 生膨胀的水泥体系有: ( 1) 钙矾石体系 。属于钙矾石体系的膨胀水泥, 国外主要有 K、 M 型, 国内有 SEP 型产品。这类膨胀 S、 剂( 或膨胀水泥) , 主要由钙、 或少量镁) 的氧化物和 铝( 石膏构成, 以一定细度的煅烧熟料或生料构成, 有时需 要掺入部分铝酸盐水泥组成膨胀水泥。铝钙( 镁) 氧化 物和石膏等组分在水泥水化时生成高硫型硫铝酸钙( 钙 矾石) 结晶, 并在水化过程中晶体不断长大使水泥石体 积膨胀, 故可补偿水泥硬化时发生的体积收缩。 ( 2) 加膨胀剂( 铝粉等) 的发气水泥浆。水泥浆中加 入低温膨胀剂, 一般加量为 0. 3% ~ 0. 6% , 水泥浆注入 井眼后, 发生反应产生气体膨胀, 以阻止地层流体侵入 水泥环, 同时也使水泥基体膨胀, 充填水泥凝固后体积 收缩留下的微间隙。 3. 3 双凝水泥浆 固井后在水泥浆凝固过程中发生气窜是气层固井 中的难题, 该问题在煤层气井中也较为突出。煤层气储 层低压低渗, 气层多, 含气井段较长, 压力梯度不等, 固 井时易发生气侵窜槽, 造成水泥石界面胶结不良。 为了确保在水泥浆凝固过程中失重时能够压稳地 层, 采用 双凝水泥浆 , 要求两种水泥浆初凝时间差必 须在 1h 以上。气层段水泥浆中加入低温促凝剂, 缩短 稠化时间和过渡时间, 提高水泥石早期强度; 上部水泥 浆保证在下部水泥浆 失重 时能压稳地层, 避免地层流 体侵人, 影响水泥石质量。 双凝水泥浆具有较强的 触变性能, 搅拌下可长达 4~ 5h, 一旦静止立即变稠, 进而形成水泥 石结构。当 速凝浆注入到环空静止候凝时, 上部缓凝浆还未达到初 凝, 这时整个环空压力仍大于地层压力, 地层流体不能 流入井内; 待上段水泥浆凝固产生失重现象时, 下部井 段的水泥浆已形成较高的胶凝强度, 有效地阻止了地层 流体的内窜[ 12] 。 双级固井技术 煤层气常规固井施工时一次性封固段过长, 固井注 水泥量过大, 施工时间过长, 施工隐患也就越多。井深 3. 4 约 1500m 左右的煤层气井固井, 可以采用双级固井技 术, 把长封固段改为短封固段施工, 其分级箍位于煤层 的顶部。待一级水泥凝固以后, 再注入二级水泥。双级 固井减少了单级封固段长度, 一次注水泥量也随之减 少, 降低了环空的液柱压力, 从而可以防止固井时压破 地层, 有利于保护煤储层。另外, 单级封固段长度减少,
[ 11]

水泥浆柱失重也较小, 可以防止气窜的发生。一级水泥 和二级水泥可以分别采用不同的水泥浆体系和水泥浆 配方, 也降低了水泥浆配方设计的难度。 3. 5 塞流顶替技术 煤层气井套管下入浅, 替浆量少, 而井径扩大率一 般又比较大, 顶替时很难达到紊流顶替的排量, 采用紊 流顶替对设备和水泥浆性能要求也比较高。经过各种 分析认为 , 塞流顶替是比较理想的顶替方式。塞流顶 替对工艺和设备的要求相对较低, 对水泥浆性能的要求 也不十分严格。采用塞流注水泥技术时, 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, 可以取得较好的顶替效果。塞流顶替降 低了环空流动阻力, 减少了对煤层渗透率的损害; 所用 设备和人员, 也都比紊流顶替时少一半, 从而大大降低 施工成本。 绕煤层固井技术 绕煤层固井技术是目前消除固井作业对煤层伤害 最有效的技术 [ 13] 。其基本技术思路是在套管串中主力 3. 6 煤层部位安装绕煤层固井工具。在注水泥过程中, 当水 泥返到目的煤层底部时, 利用套管串上安装的绕煤层固 井工具将水泥浆引入井内, 在非目的煤层部位又将水泥 浆引到环空。这种方法使水泥浆不与煤层接触, 避免了 水泥浆渗入煤层造成对煤层的伤害。对于单煤层或主 煤层较厚的多煤层, 采用绕煤层固井是一种较好的 方 法。 3. 7 其它配套固井技术措施 除了上述措施以外, 煤层气井固井施工中的其它配 套固井技术措施如下: ( 1) 钻头钻达目的层位后, 必须用一根 10m 左右长 的生产套管通井, 通井钻具至少要保留一根钻铤, 防止 套管遇阻、 粘附卡钻、 循环憋泵等异常情况的发生。 ( 2) 预先堵漏: 根据钻井时漏失量的大小, 在下套管 前要求先堵漏, 保证井眼畅通, 井下安全。 ( 3) 下套管时严格控制下放速度, 防止压力激动造 成井漏。 ( 4) 增加扶正器用量确保套管居中: 从井底到煤层 顶板以上 50m 内增加扶正器, 每根套管加一只扶正器, 从煤层顶板 50m 以上每两根套管加一只扶正器, 加强 封固段的套管居中, 确保煤层段固井质量。 ( 5) 水泥浆现场配方试验必须按 AP I 规范要 求进 行, 水泥浆的返高面应保证在上部第一个煤层顶板以上 200m, 不允许超过 250m。 ( 6) 增加隔离液用量, 充分 冲刷 井壁和套管外壁。 ( 7) 采用小排量顶替。
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4 结论 ( 1) 固井过程中对煤储层的伤害主要有以下几个方 面: 水泥浆中固相对煤储层的伤害、 水泥浆滤液对煤储 层的伤害、 煤储层压力低, 在固井过程中易发生井漏、 过 平衡压力大, 造成煤储层渗透率的降低。 ( 2) 为提高固井质量, 保护煤层, 应根据煤储层的特 性和实际的井下条件筛选出失水量小、 低温下强度发展 快、 对煤层的伤害小、 与煤层胶结良好的水泥浆配方。 ( 3) 煤层埋藏浅, 井底温度低, 一般的水泥外加剂不 适合于煤层气井固井。为提高固井质量, 必须研究适合 于低温情况的外加剂, 加快低温下水泥的水化速度。 ( 4) 为了防止固井过程中对储层的污染, 应尽量降 低水泥浆的密度和滤失量, 尽 量控制水泥浆的液柱压 力, 实现近平衡压力固井。 ( 5) 采用合适的固井工艺( 如双级固井) , 并结合其 它配套固井技术措施, 以提高煤层气井固井质量, 减少 固井过程及后续开采阶段对煤储层的伤害。
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( 上接第 42 页) 2. 3 套管本体变形冲击、 胀管整形技术 针对套管变形井、 轻微错断井建立起来的一种套管 修复技术; 主要由钻杆、 磨鞋或者胀管器组成。 应用井例 1: DK4 井射孔井段为 4355~ 4359m , 与 原生 产 井 段 合 采。 期 间 于 3082. 40m、 3242. 76 ~ 3245. 5m处遇阻, 用梨形磨鞋修套多次至畅通。 应用井例 2: S35 井因套管进流程北翼闸门卡箍刺 漏, 采用喷砂切割方案对 250 四通实施切割, 油管落入 井内。上修时, 下 145mm 胀管器胀修, 在 3067. 93~ 3075. 93m 井段钻磨修套畅通, 捞获落鱼。 3 堵剂堵漏技术 针对塔河油田部分井套管本体漏失, 在高温、 高压、 高盐、 低渗透环境下, 目前形成了挤常规水泥及纳米堵 剂两种材料体系; 纳米堵剂主要用于石炭系低渗地层的 挤注。 应 用 井 例 1: S75 井 9 5/ 8 套 管 严 重 漏 失 段 2013. 4~ 2015. 8m, 7 套管漏段 4976~ 4978m, 后进行 水泥挤堵, 挤堵成功。 应用井例 2: T K317 井 2005 年 11 月石 炭系井段

4964. 0~ 5055. 0m 两次 挤水泥无效后, 改用纳米堵 剂 封堵成功。
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