短陂橋礦區煤層氣生產井生產套管固井工藝探討

李常輝

摘 要? 2012年湖南省煤田地質局第六勘探隊承擔了《湖南省邵陽市短陂橋礦區南段煤層氣抽采關鍵工藝技術研發示范工程》項目，同年8月我隊在邵陽市短陂橋礦區施工了一處煤層氣生產井，井深540.26m、終孔井徑215.9mm。依據礦區1、3煤層為高含氣量、高含氣飽和度煤層，煤儲層低壓，應力場較高，中地解比、低滲透率的特征，采用低失水、高早強、膠結性能優良的均勻密度輕漿水泥體系，采取控制水泥返高保護煤層的固井工藝對生產試驗井（以下稱之為生產井）進行固井，取得了良好效果，為該地區的煤層氣開發、固井作業提供參考。

關鍵詞? 短陂橋礦區;煤層氣生產井;生產套管;固井工藝

中圖分類號：TD842? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： In 2012， the sixth exploration team of Hunan coalfield geology bureau undertook the project of key technology research and development demonstration project of coalbed methane extraction in the south section of Shaoyang City， Hunan Province. In August of the same year， our team constructed a coalbed methane production well in Shaoyang City， with a depth of 540.26m and a final hole diameter of 215.9mm. According to the characteristics of coal seams 1 and 3 in the mining area， such as high gas content， high gas saturation， low pressure of coal reservoir， high stress field， medium to ground solution ratio and low permeability， the uniform density light slurry cement system with low water loss， high early strength and excellent cementation performance is adopted， and the cementing process of controlling cement to return to high coal seam to protect the production test well （hereinafter referred to as production well） is adopted for cementing Good results are obtained， which can provide reference for coalbed methane development and cementing operation in this area.

Keywords： Duanpiqiao mining area; coalbed methane production well; production casing; cementing technology

0? 引言

煤層氣生產井的施工工序為：鉆井、測井、固井、壓前作業、射孔、壓裂、井下作業、 排采等，工序環環相扣，相互影響。生產套管固井作業在鉆井、裸眼測井之后進行，目的在于封隔壓裂目的層與上下部的含水層、非力學穩定層之間的聯系，確保后期排采作業的安全、高效， 其質量好壞直接關系到氣井后續改造、壓裂與排采工藝的成敗，因此在煤層氣生產井施工環節中十分關鍵。

我國煤層氣井固井作業依據煤儲層的特性、后期開采需求，一般運用提高固井質量與保護煤儲層相結合的固井工藝：采用低失水、高早強、膠結性能優良的水泥漿體系。控制水泥返高、運用常規密度與低密度相結合變密度固井、與繞煤層固井作用機理相似保護煤層的固井新工藝與水泥漿技術在我國北方已有成功應用[1]，但在湖南實施此工藝尚屬首次。本文作者作為項目主要成員，淺析此次固井工藝流程，并對固井工藝效果做出評價。

1? 概況

1.1區域地質概況

生產井位于湖南省邵陽市短陂橋礦區，礦區南北長約3.5km，面積約38.5km2。所在礦區位于漣邵煤田短陂橋向斜，龍潭組上段（P2l2）為本區含煤地層，可采煤層2層（1#煤和3#煤）。礦區屬華南加里東褶皺帶長邵斷拗西南部漣邵煤田的西部，走向北東～南西，整體呈現為向南東弧形凸出的含煤向斜，礦區的構造主體以短陂橋含煤向斜和F9等滑脫構造體系所組成[2]。礦區1、3煤層為高含氣量、高含氣飽和度煤層，儲層壓力梯度低，煤層應力場較高，有效地應力對煤層氣地面抽采有利，屬中地解比、低滲透率儲層[3]。

1.2 生產井鉆井質量評價

生產井終孔孔深540.26m、層位為上二疊龍潭組、巖性為細砂巖，含煤兩層，井斜角在1.48°～3.46°之間，最大井斜角所在深度為515m，最大井斜角所在方位為147.85°，井底總水平位移6.85m，井底總方位為206.25°，鉆井質量控制整體良好[4]。

2? 固井井身結構

生產井終孔孔深540.26m，其中一開使用φ311.15mm鉆頭，鉆至基巖下10m（孔深18：00m）完鉆，下入Φ244.5mm（17.86m）無縫鋼管，采用常規水泥固井，完成表層固井工作。二開采用φ215.9mm鉆頭鉆進，鉆至3煤層底界以下40.66m完鉆，裸眼測井、下生產套管、固井。

1#煤埋深471.6～473.8m，含煤2.2m，3#煤埋深496.0～498.40m，含煤2.4m，煤層以下口袋40.66m。生產井無芯鉆進施工過程存在井底沉砂，雖然在下套管之前經過鉆井液充分循環，但是當循環液靜止時，循環液中攜帶的沙粒就會沉入井底，為此，在設計生產套管串下入井深時，在底端預留一定的空間。同時考慮到固井過程水泥漿壓強大，會對煤儲層造成一定的傷害，一般情況水泥返高控制在最上一層煤儲層以上200～300m。綜合考慮井底沉砂、減少固井對煤儲層的傷害，本次技術套管下入段、固井水泥返高設計如表1和圖1所示：

3? 固井工藝

3.1 施工設計及準備

3.1.1鉆井液性能參數值

鉆井施工選用的鉆井液性能參數值見表3。

3.1.2 生產套管串結構設計

本次選用生產套管參數值：鋼級為J55、外徑139.70（mm）、壁厚7.72（mm）、內徑124.26（mm）。生產套管串底部一般由浮鞋、浮箍、套管組成，為了便于施工操作，本次設計在浮鞋與浮箍之間安置11.02m套管一根，套管串之間接箍錯開目標煤層。因生產井孔斜度較小，扶正器設計安置10個，在浮箍以上，每10m安置一個，詳細情況如下：

套管串結構：Ф139.7mm浮鞋+Ф139.7mm套管1根+Ф139.7mm浮箍+Ф139.7m套管串。

扶正器排放：404.05-514.11m井段每10m放置一只彈性扶正器。

3.1.3 水泥漿體系選用

煤層氣井固井過程可能出現氣、水的侵蝕，造成水泥漿與地層和套管膠結不好，因而采用低失水、早期強度高、膠結性能優良的均勻密度輕漿水泥漿體系，材料選用如下：

（1）水泥漿體系：淡水水泥漿體系

（2）水泥漿組成中所用材料為：

1）嘉華G級水泥;

2）現場淡水;

3）外加劑為：CG610S降失水劑、USZ分散劑、FRY消泡劑。

3.1.4生產套管固井作業施工設計

固井作業流程、使用材料、設備（如表4～10）。

3.1.5 生產套管固井消耗材料

3.1.6 生產層套管固井工具附件

3.1.7 生產套管固井施工設備

3.1.8 固井工藝施工過程質量控制

1）現場水體礦物質含量低，水質較好，采用現場淡水水泥漿體系，方便簡潔;

2）根據電測實際井徑確定扶正器的按放，確保套管居中率大于90%;

3）合理設計洗井及頂替排量，防止出現井漏、井噴現象;

4）? 鉆井液性能調配合理，提高固井頂替效率;

5）采用國內先進的40-17型水泥車進行施工，保證各項施工參數;

6）嚴格執行下套管過程各項技術措施：

a.套管及井下附件入井前使用標準的通徑規通徑丈量各部分尺寸;

b.確保上扣扭矩符合要求;

c.使用規定的螺紋密封脂，保證套管的密封性;

d.下套管，根根灌鉆井液每次灌滿，控制下放速度：單根套管下入速度控制在45秒以上;

e.嚴格檢查下井的井下附件，確保其性能可靠。

3.2 生產套管固井作業

2012.8.31? 20：30 下完套管;

21：30– 22：30灌泥漿，循環泥漿;

23：33– 23：35注前置液4.0 m3，排量1.0m3/min ，壓力2.0MPa;

23：35 –00：00注嘉華G級水泥漿17 m3，密度1.80-1.90 g/cm3 （平均1.88 g/cm3）， 排量1.2m3/min ，壓力4.0Mpa;

00：04 –00：11 泵替泥漿4.4m3，排量1.0m3/min ， 壓力從0.0Mpa升到 3.0 MPa;

00：13–00：15 車替清水 1.0 m3? ， 排量0.3-0.5m3/min ， 碰壓至7.0MPa;

00：15- 00：17穩壓2分鐘，放回水試開井，回水斷流，開井候凝56小時。

4? 固井工藝評價

4.1 固井質量測井評價

依據固井質量測井報告：生產試驗井測井測量井段為43.0～520.5m，固井完成日期為2012年09月01日0：15，測井日期為2012年09月03日，測量項目為聲幅測井，測量曲線有聲幅、套管接箍、自然伽馬，固井質量評價基于聲幅曲線，以自由套管的聲幅值（100%）為相對標準，質量評價分為三級。資料顯示固井質量總體中等至良好，綜合評價為合格井（詳細解釋結果如表11與圖2）[4]。

4.2 生產井生產套管固井主要工藝技術措施評價

生產井的井深540.26m，套管串下入深度535.54m，底部留有4m多的空間，保證了套管下入過程不觸及井底，順利按照設計下入套管。生產井的孔斜較小，施工過程依據電測實際井徑確定扶正器的排放位置，套管串扶正器一共安置了10個，居中率大于90%，保證了套管串安置質量。煤層氣井固井過程可能出現氣、水的侵蝕，造成水泥漿與地層和套管膠結不好，本次生產井固井采用低失水、早期強度高、膠結性能優良的均勻密度輕漿水泥漿體系，保證了固井的質量。固井施工考慮到水泥漿壓強大，對煤儲層造成一定的傷害;又兼顧考慮施工水泥膠結質量情況;根據地質資料在埋深165.5m處有F6斷層經過。本次水泥返高在1煤以上309m（埋深162.50m），既保證了固井質量，又將水泥漿對煤儲層的傷害降至很小，為后期的工藝施工提供了保障。

5? 結論與建議

5.1 結論

此次生產試驗井采取的固井工藝技術措施比較成熟，洗井效率、頂替效率比較符合井下要求，固井施工過程控制較好，各項參數符合設計要求，固井質量：162.50～470.70m埋深段，分好、中等、差三種等級;470.70～473.70m1煤層埋深段，以差等級為主，少量為中等等級;473.70～512.00m3煤層埋深段，質量等級為好;512.00～520.50m埋深段，以中等等級為主，少量為好等級。總體質量為中等至良好等級，綜合評價為合格。

固井質量由多種原因共同影響，其中井徑變化、井斜和井壁暴露時間對煤層氣井固井效果影響最大，封固段長度、套管居中情況、鉆井液性能等因素影響次之[5]。根據測井資料，生產井井徑分別在埋深367m、392m、442m、467m處明顯變大（如表2）;鉆井液的密度較大，為1.80～1.90g/cm3（平均1.88g/cm3），成為影響此次局部固井質量的兩大主要原因。

5.2建議

邵陽短陂橋礦區煤儲層屬于中高含氣量、中高含氣飽和度煤層，具有儲層壓力梯度低，煤層應力場較高，中地解比、低滲透率，地質構造復雜，埋藏淺，煤巖破碎、力學穩定性差，微裂縫發育特征[3]。結合區域地質特征、煤儲層條件、固井過程泥漿對煤儲層的傷害特征，從井徑變化、井斜、封固段長度、套管居中情況、鉆井液性能、井壁暴露時間等方面，優化固井方案，改善固井質量。

在鉆井施工時，盡量減少擴徑和控制井斜;科學配置扶正器，盡量使生產套管居中;選擇低溫快凝、高早強、低失水、膠結性能優良的水泥漿系統;在水泥漿中加入粉煤灰、空心微珠或注入氦氣，達到降低水泥密度的效果;采用常規密度與低密度水泥漿相結合，提高鉆井液頂替效率，同時減小水泥漿對煤層的傷害;水泥返高在煤層頂板以上200m;采用“穿鞋戴帽、留出煤層”的固井工藝保護煤層;鉆井完成，及時進行下套管、固井，減少裸眼暴露時間。

參考文獻/References

[1] 趙岳，等. 中國煤層氣井固井技術發展現狀[J]，鉆井液與完井液，2011.11，28卷（增刊）.

[2] 潘志剛，等. 湖南省邵陽市短陂橋礦區煤炭普查報告[R]，湖南湘潭，湖南省煤田地質局第六勘探隊 2010.10.

[3] 潘志剛等. 湖南省邵陽市短陂橋礦區煤層氣參數試驗孔施工總結[R]，湖南湘潭，湖南省煤田地質局第六勘探隊 2012.10.

[4] 汪國琴，等. ZK2705井測井總結報告[R]，湖北荊州，中國石化集團江漢石油管理局測錄井工程公司 2012.9.

[5] 饒曉，等.煤層氣井固井質量影響因素分析[J]，中國煤炭地質，2019.6，31卷.