煤層氣井固井技術(shù)的研究

馬 駿王 超李秀妹劉瀘萍葛華東

(1.渤海鉆探工程有限公司 河北任丘) (2.華北石化分公司 河北任丘)

煤層氣井固井技術(shù)的研究

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(1.渤海鉆探工程有限公司 河北任丘) (2.華北石化分公司 河北任丘)

通過對國內(nèi)外煤層氣井固井技術(shù)調(diào)研、分析和論證,找出煤層氣井固井難點,提出解決對策,設計出一套適合于煤層氣井固井水泥漿和工藝技術(shù)方案,達到有利于煤層氣井固井技術(shù)施工和提高煤層封固質(zhì)量的目的。

煤層氣井;固井;降失水劑;低密度水泥漿

0 引 言

煤層氣是在煤層中一種非常規(guī)天然氣,它不僅熱值高,而且不污染環(huán)境,具有廣闊的應用前景。我國的煤層氣資源十分豐富,預測全國有39個含煤盆地、67個聚煤單元,2000m深淺的煤層氣資源量約為22.5×1012m3,但開發(fā)利用剛剛起步。加快煤層氣的勘探與開發(fā),對于改善能耗結(jié)構(gòu)、緩和能源緊張狀況、減少環(huán)境污染具有重大意義。煤層氣井固井的好壞直接關(guān)系到煤層氣的開發(fā)及產(chǎn)能的提高。因此我們應當重視煤層氣的固井,在保護煤儲層的前提下提高煤層氣固井的質(zhì)量[1]。

1 煤層氣發(fā)展的國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 國外煤層氣發(fā)展現(xiàn)狀

全世界煤層儲量豐富,總資源約在91～260萬億m3。世界各主要的產(chǎn)煤國家都積極地開發(fā)本國的煤層氣工業(yè)。在這方面,已形成煤層氣產(chǎn)業(yè)的主要有美國和加拿大。美國從上世紀70年代末至80年代初,開始進行地面開采煤層氣試驗并取得成功。從1983年到1995的12年問,煤層氣年產(chǎn)量從1.7億m3猛增至250億m3,基本形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。2003年,美國煤層氣年產(chǎn)量已超過450億m3,2004年產(chǎn)量達500億m3,煤層氣占氣體能源(天然氣)量的8%～10%,成為重要的能源資源。加拿大雖然開發(fā)的較晚,但是其政府一直積極支持煤層氣的發(fā)展,根據(jù)本國低變質(zhì)煤為主的特點,開展了一系列研究工作。目前,世界各產(chǎn)煤國都在積極研究發(fā)展本國的煤層氣產(chǎn)業(yè),但由于煤層氣屬于非常規(guī)能源資源,其開發(fā)利用仍受到一定局限[2]。

1.2 國內(nèi)煤層氣發(fā)展現(xiàn)狀

我國是煤炭大國,但是煤層氣開發(fā)尚處于起步階段。如果這一豐富資源能夠得到有效利用,將對我國國民經(jīng)濟做出巨大貢獻。目前我國煤層氣開發(fā)利用主要集中在山西、遼寧、內(nèi)蒙古、安徽、云南、河南和貴州等省(區(qū))。經(jīng)過十幾年的勘探開發(fā),取得了一定成果,地面開發(fā)煤層技術(shù)已初步形成了一套適合我國煤儲層條件的工程工藝。但是,煤層氣開發(fā)政策扶持力度仍然有限,并且投入低,比較分散。我國雖然具備有一定的技術(shù)基礎(chǔ),但是實踐經(jīng)驗仍然比較少。需要在煤層氣方面建立國家專項規(guī)劃,進一步推動煤層氣的利用和發(fā)展[3]。

2 我國煤層氣形成的地質(zhì)特征

與常規(guī)油氣藏相比,煤儲層主要有以下特點[3]:

(1)煤層氣主要吸附于煤層內(nèi)表面,煤層本身就是主要的儲氣層。

(2)煤巖的主要成分是有機質(zhì),膠結(jié)性差,割理和裂隙相當發(fā)育,這些裂隙相互交叉切割,形成煤儲層復雜的割理裂隙系統(tǒng),使煤儲層易碎,成巖性差,給固井帶來難度。

(3)煤儲層機械強度弱,易破碎、坍塌、穩(wěn)定性差,中國煤層氣地質(zhì)條件復雜,在固井過程中,應考慮不同的地址條件,選擇最佳的固井方案。

(4)煤儲層孔隙度和滲透率很低,儲層壓力也低。鉆井和完井過程中煤層極易受到傷害,且受到傷害后很難消除。固井過程中如果水泥漿的密度高、失水量大,水泥漿性能差或施工不當,很容易造成對煤層的傷害,影響產(chǎn)能。對煤儲層造成傷害是影響煤層氣開發(fā)成功率的決定因素之一,尤其對中國這種低壓、特低滲透率等特殊物性的煤層而言,在固井作業(yè)過程中對煤儲層造成的傷害比常規(guī)儲層更為嚴重。因此煤層氣固井的難點就是避免由于壓力因素造成對煤儲層的傷害。

(5)煤儲層是非均質(zhì)的,在同一地區(qū)有不同的儲層特征(滲透率、壓力、飽和度、含氣量、相對滲透率等)和地質(zhì)特征(煤級、煤厚、裂隙等)。

由于煤層的這些獨有特性,我們要采取適合的固井水泥漿工藝和技術(shù)方案[4]。

3 目前主要存在問題

3.1 對煤儲層的傷害

在煤層氣下套管注水泥后進行的眾多測試中,均顯示煤層受到了嚴重傷害。煤儲層壓力低,天然裂隙、空隙發(fā)育,易受入井流體中固相顆粒和濾液侵入傷害。煤層氣井固井時水泥漿容易向地層失水,對煤儲層的傷害比常規(guī)油氣層嚴重得多。由于煤層的孔隙壓力低,固井過程中過平衡壓力太,加大了水泥漿向地層的失水。即使在水泥漿中加入降失水劑,由于煤層氣井井深淺,井底溫度低,水泥漿在候凝過程中長期處于液態(tài),水泥漿仍然很容易向地層失水。如果在煤層封固過程中,水泥漿大量失水的話,一方面會造成對煤儲層的污染,另一方面水泥漿本身的性能也會受到影響,強度密度等都發(fā)生改變,影響固井質(zhì)量。

3.2 固井工藝上仍存在一定困難

在固井施工時,由于煤層易破碎,煤層段的井壁穩(wěn)定性很差,膠結(jié)強度低,松散,容易出現(xiàn)井壁坍塌等情況,形成不規(guī)則的井眼,在多煤層井段易形成“糖葫蘆”井眼,給固井施工帶來困難。煤層空隙壓力梯度低,隔離裂縫發(fā)育,滲透性低,屬于低滲儲層,如果固井過程中水泥漿液柱壓力高,水泥漿失水量大,水泥漿性能差或者施工不當?shù)纫蛩?都會對煤層造成嚴重的傷害。

3.3 水泥漿配方設計困難

目前,還沒有針對煤儲層低壓、低滲、易傷害、膠結(jié)性差等特點而設計的適合于煤層固井的水泥漿體系。為提高固井質(zhì)量,應針對煤儲層地質(zhì)的特點,設計出低失水、高早強、微膨脹的水泥漿體系,降低對煤儲層的傷害。煤層氣井井淺,井底溫度低,上部井段溫度更低,遠遠小于油氣井的井底溫度。在25℃～45℃時,低溫下水泥漿特別是低密度水泥漿的水化速度緩慢,水泥漿強度發(fā)展緩慢,在井下環(huán)空長時間處于液態(tài),水泥漿不穩(wěn)定,影響固井質(zhì)量。為加快水泥漿水化速度,提高早期強度,必須加入早強劑或促凝劑。但是一般的早強劑或促凝劑會破壞降失水劑的降失水效果,與降失水劑配伍的早強劑及促凝劑少?？刂屏怂酀{濾失量,水泥石的早期強度低,甚至長時間不凝固;加入早強劑,提高了早期強度,水泥漿的濾失量又得不到控制,二者很難同時兼顧。因此水泥漿配方設計比較困難[4]。

4 煤層氣井固井技術(shù)研究發(fā)展方向

通過認真分析煤層氣井的特點、煤儲層的特性、固井施工資料及大量室內(nèi)評價試驗結(jié)果后,我們認為要提高煤層氣井的固井質(zhì)量,必須改善水泥漿的性能,采用良好的水泥漿固井技術(shù),其關(guān)鍵是降低液柱壓力和失水。

4.1 低密度水泥固井技術(shù)

由于煤的力學強度很低,常規(guī)水泥固井技術(shù)可能會壓裂煤儲層,直接關(guān)系到煤層氣井的成功與否,因此必須選擇合適的水泥、添加劑以及合理的注水泥工藝。為了盡可能延長煤層氣井的服務年限,固井水泥返高通常要求到達地面。為了確保目標煤層段固井質(zhì)量,可應用變密度固井技術(shù)即固井注水泥時,水泥漿密度由小向大不斷變化,但所有井段的有效密度之和,即全井平均有效密度不超過算得的最大平均密度。

4.2 煤層氣井固井要求的水泥漿體系

選擇低溫快凝、低失水、高早強、漿體穩(wěn)定性好、稠度適宜,同時對煤層的傷害小的水泥漿體系。在水泥漿中加入固體降重劑如粉煤灰,空心微珠等,降低水泥漿體系的密度。在水泥漿中加入氮氣也可以降低水泥漿密度,同時強度可以滿足固井要求。

經(jīng)過多次室內(nèi)試驗,我們設計出一套適合于煤層氣井固井水泥漿和工藝技術(shù)方案。達到有利于煤層氣井固井技術(shù)施工和提高煤層封固質(zhì)量的目的。

5 室內(nèi)實驗及水泥漿體系設計

通過查閱煤層氣鉆井固井相關(guān)文章及資料,找出煤層氣井固井存在的主要難點:

(1)井淺,煤層氣封固段一般在40m～150m,溫度低(25℃～45℃);

(2)煤層段孔隙壓力梯度低(0.9～1.02),破裂壓力低;

(3)固井注水泥給煤層帶來傷害。

根據(jù)調(diào)研分析論證的固井設計,我們準備了以成膜型降失水劑為主和非成膜型降失水劑為主的兩套水泥漿體系,每套兩種密度。實驗條件選擇的是27℃和45℃兩個溫度,以供現(xiàn)場固井施工作業(yè)選擇使用。

5.1 27℃條件下水泥漿配方體系(ZJ-2成膜型水泥漿)

表1 常規(guī)密度水泥漿配方體系

從表1中可以看出,加大早強劑的加量和與具有促凝效果的早強劑進行配伍,稠化時間能夠滿足要求。

基本配方為G級油井水泥+120g漂珠+42g微硅+18堵漏劑+消泡劑+水(0.52)

表2 低密度水泥漿配方體系(ZJ-2成膜型水泥漿)

表中ZJ-2為油井水泥降失水劑;TW600s為油井水泥促凝早強劑;FHS602為油井水泥早強劑;ZF-1為油井水泥分散劑。

從表2中可以看出,加大早強劑的加量和與具有促凝效果的早強劑進行配伍,稠化時間能夠調(diào)節(jié)以滿足固井施工要求。

5.2 40℃條件下水泥漿配方體系(ZJ-5非成膜型水泥漿)

ZJ-5為油井水泥降失水劑;ZQ-5為油井水泥早強劑。

表3中可以看出,ZJ-5降失水劑和ZQ-5早強劑配伍其水泥漿性能能夠滿足煤層氣固井施工要求。

表3 常規(guī)密度水泥漿配方體系

基本配方:嘉華G級500g+漂珠150g+微硅50 g+1.0%ZF-1

水灰比:0.54

表4中可以看出,ZJ-5降失水劑和ZQ-5早強劑及膨脹劑、堵漏劑相容性好,水泥漿綜合性能能夠滿足煤層氣固井施工要求。

6 試驗情況分析及結(jié)論

我們設計的兩套不同密度、溫度的水泥漿體系低溫快凝、低失水、高早強,防漏失、漿體穩(wěn)定性好,稠度適宜,同時對煤層的傷害小。能夠滿足煤層氣固井施工作業(yè)要求。推薦配方如下:

1)27℃條件下水泥漿配方體系(ZJ-2成膜型水泥漿)

表4 低密度水泥漿配方體系

常規(guī)密度水泥漿配方體系的方案3;

低密度水泥漿配方體系(ZJ-2成膜型水泥漿)方案2。

2)40℃條件下水泥漿配方體系(ZJ-5非成膜型水泥漿)

常規(guī)密度水泥漿配方體系方案3;

低密度水泥漿配方體系方案5。

煤層氣井固井質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到煤層氣的開發(fā)及產(chǎn)能的提高,因此必須高度重視煤層氣井固井質(zhì)量。同時在保證固井質(zhì)量的前提下注意保護煤儲層。研究煤層氣井固井技術(shù)具有十分重要的意義。

[1] 段德松,等.煤層氣固井工藝實踐和認識[J].石油鉆探技術(shù),1995,23(1)

[2] 崔榮國.國內(nèi)外煤層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀[J].國土資源情報.2005,6(11)

[3] 張亞蒲,楊正明,鮮保安,等.煤層氣增產(chǎn)技術(shù)[J].特種油氣藏.2006,13(2)

[4] 齊奉中,劉愛平.煤層氣井固井技術(shù)研究與實踐[J].天然氣工業(yè).2001,21(1)

TE256+.1

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1004-9134(2010)03-0069-04

2009-11-01 編輯:劉雅銘)

馬 駿,女,1982年生,理學學士,河北省任丘市渤海鉆探工程有限公司鉆井工藝研究院。郵編:062552