煤层气井固井技术的研究

马 骏王 超李秀妹刘泸萍葛华东

(1.渤海钻探工程有限公司 河北任丘) (2.华北石化分公司 河北任丘)

煤层气井固井技术的研究

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(1.渤海钻探工程有限公司 河北任丘) (2.华北石化分公司 河北任丘)

通过对国内外煤层气井固井技术调研、分析和论证,找出煤层气井固井难点,提出解决对策,设计出一套适合于煤层气井固井水泥浆和工艺技术方案,达到有利于煤层气井固井技术施工和提高煤层封固质量的目的。

煤层气井;固井;降失水剂;低密度水泥浆

0 引 言

煤层气是在煤层中一种非常规天然气,它不仅热值高,而且不污染环境,具有广阔的应用前景。我国的煤层气资源十分丰富,预测全国有39个含煤盆地、67个聚煤单元,2000m深浅的煤层气资源量约为22.5×1012m3,但开发利用刚刚起步。加快煤层气的勘探与开发,对于改善能耗结构、缓和能源紧张状况、减少环境污染具有重大意义。煤层气井固井的好坏直接关系到煤层气的开发及产能的提高。因此我们应当重视煤层气的固井,在保护煤储层的前提下提高煤层气固井的质量[1]。

1 煤层气发展的国内外现状

1.1 国外煤层气发展现状

全世界煤层储量丰富,总资源约在91～260万亿m3。世界各主要的产煤国家都积极地开发本国的煤层气工业。在这方面,已形成煤层气产业的主要有美国和加拿大。美国从上世纪70年代末至80年代初,开始进行地面开采煤层气试验并取得成功。从1983年到1995的12年问,煤层气年产量从1.7亿m3猛增至250亿m3,基本形成产业化规模。2003年,美国煤层气年产量已超过450亿m3,2004年产量达500亿m3,煤层气占气体能源(天然气)量的8%～10%,成为重要的能源资源。加拿大虽然开发的较晚,但是其政府一直积极支持煤层气的发展,根据本国低变质煤为主的特点,开展了一系列研究工作。目前,世界各产煤国都在积极研究发展本国的煤层气产业,但由于煤层气属于非常规能源资源,其开发利用仍受到一定局限[2]。

1.2 国内煤层气发展现状

我国是煤炭大国,但是煤层气开发尚处于起步阶段。如果这一丰富资源能够得到有效利用,将对我国国民经济做出巨大贡献。目前我国煤层气开发利用主要集中在山西、辽宁、内蒙古、安徽、云南、河南和贵州等省(区)。经过十几年的勘探开发,取得了一定成果,地面开发煤层技术已初步形成了一套适合我国煤储层条件的工程工艺。但是,煤层气开发政策扶持力度仍然有限,并且投入低,比较分散。我国虽然具备有一定的技术基础,但是实践经验仍然比较少。需要在煤层气方面建立国家专项规划,进一步推动煤层气的利用和发展[3]。

2 我国煤层气形成的地质特征

与常规油气藏相比,煤储层主要有以下特点[3]:

(1)煤层气主要吸附于煤层内表面,煤层本身就是主要的储气层。

(2)煤岩的主要成分是有机质,胶结性差,割理和裂隙相当发育,这些裂隙相互交叉切割,形成煤储层复杂的割理裂隙系统,使煤储层易碎,成岩性差,给固井带来难度。

(3)煤储层机械强度弱,易破碎、坍塌、稳定性差,中国煤层气地质条件复杂,在固井过程中,应考虑不同的地址条件,选择最佳的固井方案。

(4)煤储层孔隙度和渗透率很低,储层压力也低。钻井和完井过程中煤层极易受到伤害,且受到伤害后很难消除。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,影响产能。对煤储层造成伤害是影响煤层气开发成功率的决定因素之一,尤其对中国这种低压、特低渗透率等特殊物性的煤层而言,在固井作业过程中对煤储层造成的伤害比常规储层更为严重。因此煤层气固井的难点就是避免由于压力因素造成对煤储层的伤害。

(5)煤储层是非均质的,在同一地区有不同的储层特征(渗透率、压力、饱和度、含气量、相对渗透率等)和地质特征(煤级、煤厚、裂隙等)。

由于煤层的这些独有特性,我们要采取适合的固井水泥浆工艺和技术方案[4]。

3 目前主要存在问题

3.1 对煤储层的伤害

在煤层气下套管注水泥后进行的众多测试中,均显示煤层受到了严重伤害。煤储层压力低,天然裂隙、空隙发育,易受入井流体中固相颗粒和滤液侵入伤害。煤层气井固井时水泥浆容易向地层失水,对煤储层的伤害比常规油气层严重得多。由于煤层的孔隙压力低,固井过程中过平衡压力太,加大了水泥浆向地层的失水。即使在水泥浆中加入降失水剂,由于煤层气井井深浅,井底温度低,水泥浆在候凝过程中长期处于液态,水泥浆仍然很容易向地层失水。如果在煤层封固过程中,水泥浆大量失水的话,一方面会造成对煤储层的污染,另一方面水泥浆本身的性能也会受到影响,强度密度等都发生改变,影响固井质量。

3.2 固井工艺上仍存在一定困难

在固井施工时,由于煤层易破碎,煤层段的井壁稳定性很差,胶结强度低,松散,容易出现井壁坍塌等情况,形成不规则的井眼,在多煤层井段易形成“糖葫芦”井眼,给固井施工带来困难。煤层空隙压力梯度低,隔离裂缝发育,渗透性低,属于低渗储层,如果固井过程中水泥浆液柱压力高,水泥浆失水量大,水泥浆性能差或者施工不当等因素,都会对煤层造成严重的伤害。

3.3 水泥浆配方设计困难

目前,还没有针对煤储层低压、低渗、易伤害、胶结性差等特点而设计的适合于煤层固井的水泥浆体系。为提高固井质量,应针对煤储层地质的特点,设计出低失水、高早强、微膨胀的水泥浆体系,降低对煤储层的伤害。煤层气井井浅,井底温度低,上部井段温度更低,远远小于油气井的井底温度。在25℃～45℃时,低温下水泥浆特别是低密度水泥浆的水化速度缓慢,水泥浆强度发展缓慢,在井下环空长时间处于液态,水泥浆不稳定,影响固井质量。为加快水泥浆水化速度,提高早期强度,必须加入早强剂或促凝剂。但是一般的早强剂或促凝剂会破坏降失水剂的降失水效果,与降失水剂配伍的早强剂及促凝剂少。控制了水泥浆滤失量,水泥石的早期强度低,甚至长时间不凝固;加入早强剂,提高了早期强度,水泥浆的滤失量又得不到控制,二者很难同时兼顾。因此水泥浆配方设计比较困难[4]。

4 煤层气井固井技术研究发展方向

通过认真分析煤层气井的特点、煤储层的特性、固井施工资料及大量室内评价试验结果后,我们认为要提高煤层气井的固井质量,必须改善水泥浆的性能,采用良好的水泥浆固井技术,其关键是降低液柱压力和失水。

4.1 低密度水泥固井技术

由于煤的力学强度很低,常规水泥固井技术可能会压裂煤储层,直接关系到煤层气井的成功与否,因此必须选择合适的水泥、添加剂以及合理的注水泥工艺。为了尽可能延长煤层气井的服务年限,固井水泥返高通常要求到达地面。为了确保目标煤层段固井质量,可应用变密度固井技术即固井注水泥时,水泥浆密度由小向大不断变化,但所有井段的有效密度之和,即全井平均有效密度不超过算得的最大平均密度。

4.2 煤层气井固井要求的水泥浆体系

选择低温快凝、低失水、高早强、浆体稳定性好、稠度适宜,同时对煤层的伤害小的水泥浆体系。在水泥浆中加入固体降重剂如粉煤灰,空心微珠等,降低水泥浆体系的密度。在水泥浆中加入氮气也可以降低水泥浆密度,同时强度可以满足固井要求。

经过多次室内试验,我们设计出一套适合于煤层气井固井水泥浆和工艺技术方案。达到有利于煤层气井固井技术施工和提高煤层封固质量的目的。

5 室内实验及水泥浆体系设计

通过查阅煤层气钻井固井相关文章及资料,找出煤层气井固井存在的主要难点:

(1)井浅,煤层气封固段一般在40m～150m,温度低(25℃～45℃);

(2)煤层段孔隙压力梯度低(0.9～1.02),破裂压力低;

(3)固井注水泥给煤层带来伤害。

根据调研分析论证的固井设计,我们准备了以成膜型降失水剂为主和非成膜型降失水剂为主的两套水泥浆体系,每套两种密度。实验条件选择的是27℃和45℃两个温度,以供现场固井施工作业选择使用。

5.1 27℃条件下水泥浆配方体系(ZJ-2成膜型水泥浆)

表1 常规密度水泥浆配方体系

从表1中可以看出,加大早强剂的加量和与具有促凝效果的早强剂进行配伍,稠化时间能够满足要求。

基本配方为G级油井水泥+120g漂珠+42g微硅+18堵漏剂+消泡剂+水(0.52)

表2 低密度水泥浆配方体系(ZJ-2成膜型水泥浆)

表中ZJ-2为油井水泥降失水剂;TW600s为油井水泥促凝早强剂;FHS602为油井水泥早强剂;ZF-1为油井水泥分散剂。

从表2中可以看出,加大早强剂的加量和与具有促凝效果的早强剂进行配伍,稠化时间能够调节以满足固井施工要求。

5.2 40℃条件下水泥浆配方体系(ZJ-5非成膜型水泥浆)

ZJ-5为油井水泥降失水剂;ZQ-5为油井水泥早强剂。

表3中可以看出,ZJ-5降失水剂和ZQ-5早强剂配伍其水泥浆性能能够满足煤层气固井施工要求。

表3 常规密度水泥浆配方体系

基本配方:嘉华G级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降失水剂和ZQ-5早强剂及膨胀剂、堵漏剂相容性好,水泥浆综合性能能够满足煤层气固井施工要求。

6 试验情况分析及结论

我们设计的两套不同密度、温度的水泥浆体系低温快凝、低失水、高早强,防漏失、浆体稳定性好,稠度适宜,同时对煤层的伤害小。能够满足煤层气固井施工作业要求。推荐配方如下:

1)27℃条件下水泥浆配方体系(ZJ-2成膜型水泥浆)

表4 低密度水泥浆配方体系

常规密度水泥浆配方体系的方案3;

低密度水泥浆配方体系(ZJ-2成膜型水泥浆)方案2。

2)40℃条件下水泥浆配方体系(ZJ-5非成膜型水泥浆)

常规密度水泥浆配方体系方案3;

低密度水泥浆配方体系方案5。

煤层气井固井质量的好坏直接关系到煤层气的开发及产能的提高,因此必须高度重视煤层气井固井质量。同时在保证固井质量的前提下注意保护煤储层。研究煤层气井固井技术具有十分重要的意义。

[1] 段德松,等.煤层气固井工艺实践和认识[J].石油钻探技术,1995,23(1)

[2] 崔荣国.国内外煤层气开发利用现状[J].国土资源情报.2005,6(11)

[3] 张亚蒲,杨正明,鲜保安,等.煤层气增产技术[J].特种油气藏.2006,13(2)

[4] 齐奉中,刘爱平.煤层气井固井技术研究与实践[J].天然气工业.2001,21(1)

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2009-11-01 编辑:刘雅铭)

马 骏,女,1982年生,理学学士,河北省任丘市渤海钻探工程有限公司钻井工艺研究院。邮编:062552