短陂桥矿区煤层气生产井生产套管固井工艺探讨

李常辉

摘 要  2012年湖南省煤田地质局第六勘探队承担了《湖南省邵阳市短陂桥矿区南段煤层气抽采关键工艺技术研发示范工程》项目，同年8月我队在邵阳市短陂桥矿区施工了一处煤层气生产井，井深540.26m、终孔井径215.9mm。依据矿区1、3煤层为高含气量、高含气饱和度煤层，煤储层低压，应力场较高，中地解比、低渗透率的特征，采用低失水、高早强、胶结性能优良的均匀密度轻浆水泥体系，采取控制水泥返高保护煤层的固井工艺对生产试验井（以下称之为生产井）进行固井，取得了良好效果，为该地区的煤层气开发、固井作业提供参考。

关键词  短陂桥矿区;煤层气生产井;生产套管;固井工艺

中图分类号：TD842                   文献标识码：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

煤層气生产井的施工工序为：钻井、测井、固井、压前作业、射孔、压裂、井下作业、 排采等，工序环环相扣，相互影响。生产套管固井作业在钻井、裸眼测井之后进行，目的在于封隔压裂目的层与上下部的含水层、非力学稳定层之间的联系，确保后期排采作业的安全、高效， 其质量好坏直接关系到气井后续改造、压裂与排采工艺的成败，因此在煤层气生产井施工环节中十分关键。

我国煤层气井固井作业依据煤储层的特性、后期开采需求，一般运用提高固井质量与保护煤储层相结合的固井工艺：采用低失水、高早强、胶结性能优良的水泥浆体系。控制水泥返高、运用常规密度与低密度相结合变密度固井、与绕煤层固井作用机理相似保护煤层的固井新工艺与水泥浆技术在我国北方已有成功应用[1]，但在湖南实施此工艺尚属首次。本文作者作为项目主要成员，浅析此次固井工艺流程，并对固井工艺效果做出评价。

1  概况

1.1区域地质概况

生产井位于湖南省邵阳市短陂桥矿区，矿区南北长约3.5km，面积约38.5km2。所在矿区位于涟邵煤田短陂桥向斜，龙潭组上段（P2l2）为本区含煤地层，可采煤层2层（1#煤和3#煤）。矿区属华南加里东褶皱带长邵断拗西南部涟邵煤田的西部，走向北东～南西，整体呈现为向南东弧形凸出的含煤向斜，矿区的构造主体以短陂桥含煤向斜和F9等滑脱构造体系所组成[2]。矿区1、3煤层为高含气量、高含气饱和度煤层，储层压力梯度低，煤层应力场较高，有效地应力对煤层气地面抽采有利，属中地解比、低渗透率储层[3]。

1.2 生产井钻井质量评价

生产井终孔孔深540.26m、层位为上二叠龙潭组、岩性为细砂岩，含煤两层，井斜角在1.48°～3.46°之间，最大井斜角所在深度为515m，最大井斜角所在方位为147.85°，井底总水平位移6.85m，井底总方位为206.25°，钻井质量控制整体良好[4]。

2  固井井身结构

生产井终孔孔深540.26m，其中一开使用φ311.15mm钻头，钻至基岩下10m（孔深18：00m）完钻，下入Φ244.5mm（17.86m）无缝钢管，采用常规水泥固井，完成表层固井工作。二开采用φ215.9mm钻头钻进，钻至3煤层底界以下40.66m完钻，裸眼测井、下生产套管、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，煤层以下口袋40.66m。生产井无芯钻进施工过程存在井底沉砂，虽然在下套管之前经过钻井液充分循环，但是当循环液静止时，循环液中携带的沙粒就会沉入井底，为此，在设计生产套管串下入井深时，在底端预留一定的空间。同时考虑到固井过程水泥浆压强大，会对煤储层造成一定的伤害，一般情况水泥返高控制在最上一层煤储层以上200～300m。综合考虑井底沉砂、减少固井对煤储层的伤害，本次技术套管下入段、固井水泥返高设计如表1和图1所示：

3  固井工藝

3.1 施工设计及准备

3.1.1钻井液性能参数值

钻井施工选用的钻井液性能参数值见表3。

3.1.2 生产套管串结构设计

本次选用生产套管参数值：钢级为J55、外径139.70（mm）、壁厚7.72（mm）、内径124.26（mm）。生产套管串底部一般由浮鞋、浮箍、套管组成，为了便于施工操作，本次设计在浮鞋与浮箍之间安置11.02m套管一根，套管串之间接箍错开目标煤层。因生产井孔斜度较小，扶正器设计安置10个，在浮箍以上，每10m安置一个，详细情况如下：

套管串结构：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放置一只弹性扶正器。

3.1.3 水泥浆体系选用

煤层气井固井过程可能出现气、水的侵蚀，造成水泥浆与地层和套管胶结不好，因而采用低失水、早期强度高、胶结性能优良的均匀密度轻浆水泥浆体系，材料选用如下：

（1）水泥浆体系：淡水水泥浆体系

（2）水泥浆组成中所用材料为：

1）嘉华G级水泥;

2）现场淡水;

3）外加剂为：CG610S降失水剂、USZ分散剂、FRY消泡剂。

3.1.4生产套管固井作业施工设计

固井作业流程、使用材料、设备（如表4～10）。

3.1.5 生产套管固井消耗材料

3.1.6 生产层套管固井工具附件

3.1.7 生产套管固井施工设备

3.1.8 固井工艺施工过程质量控制

1）现场水体矿物质含量低，水质较好，采用现场淡水水泥浆体系，方便简洁;

2）根据电测实际井径确定扶正器的按放，确保套管居中率大于90%;

3）合理设计洗井及顶替排量，防止出现井漏、井喷现象;

4）  钻井液性能调配合理，提高固井顶替效率;

5）采用国内先进的40-17型水泥车进行施工，保证各项施工参数;

6）严格执行下套管过程各项技术措施：

a.套管及井下附件入井前使用标准的通径规通径丈量各部分尺寸;

b.确保上扣扭矩符合要求;

c.使用规定的螺纹密封脂，保证套管的密封性;

d.下套管，根根灌钻井液每次灌满，控制下放速度：单根套管下入速度控制在45秒以上;

e.严格检查下井的井下附件，确保其性能可靠。

3.2 生产套管固井作业

2012.8.31  20：30 下完套管;

21：30– 22：30灌泥浆，循环泥浆;

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

23：35 –00：00注嘉华G级水泥浆17 m3，密度1.80-1.90 g/cm3 （平均1.88 g/cm3）， 排量1.2m3/min ，压力4.0Mpa;

00：04 –00：11 泵替泥浆4.4m3，排量1.0m3/min ， 压力从0.0Mpa升到 3.0 MPa;

00：13–00：15 车替清水 1.0 m3  ， 排量0.3-0.5m3/min ， 碰压至7.0MPa;

00：15- 00：17稳压2分钟，放回水试开井，回水断流，开井候凝56小时。

4  固井工艺评价

4.1 固井质量测井评价

依据固井质量测井报告：生产试验井测井测量井段为43.0～520.5m，固井完成日期为2012年09月01日0：15，测井日期为2012年09月03日，测量项目为声幅测井，测量曲线有声幅、套管接箍、自然伽马，固井质量评价基于声幅曲线，以自由套管的声幅值（100%）为相对标准，质量评价分为三级。资料显示固井质量总体中等至良好，综合评价为合格井（详细解释结果如表11与图2）[4]。

4.2 生产井生产套管固井主要工艺技术措施评价

生产井的井深540.26m，套管串下入深度535.54m，底部留有4m多的空间，保证了套管下入过程不触及井底，顺利按照设计下入套管。生产井的孔斜较小，施工过程依据电测实际井径确定扶正器的排放位置，套管串扶正器一共安置了10个，居中率大于90%，保证了套管串安置质量。煤层气井固井过程可能出现气、水的侵蚀，造成水泥浆与地层和套管胶结不好，本次生产井固井采用低失水、早期强度高、胶结性能优良的均匀密度轻浆水泥浆体系，保证了固井的质量。固井施工考虑到水泥浆压强大，对煤储层造成一定的伤害;又兼顾考虑施工水泥胶结质量情况;根据地质资料在埋深165.5m处有F6断层经过。本次水泥返高在1煤以上309m（埋深162.50m），既保证了固井质量，又将水泥浆对煤储层的伤害降至很小，为后期的工艺施工提供了保障。

5  结论与建议

5.1 结论

此次生产试验井采取的固井工艺技术措施比较成熟，洗井效率、顶替效率比较符合井下要求，固井施工过程控制较好，各项参数符合设计要求，固井质量：162.50～470.70m埋深段，分好、中等、差三種等级;470.70～473.70m1煤层埋深段，以差等级为主，少量为中等等级;473.70～512.00m3煤层埋深段，质量等级为好;512.00～520.50m埋深段，以中等等级为主，少量为好等级。总体质量为中等至良好等级，综合评价为合格。

固井质量由多种原因共同影响，其中井径变化、井斜和井壁暴露时间对煤层气井固井效果影响最大，封固段长度、套管居中情况、钻井液性能等因素影响次之[5]。根据测井资料，生产井井径分别在埋深367m、392m、442m、467m处明显变大（如表2）;钻井液的密度较大，为1.80～1.90g/cm3（平均1.88g/cm3），成为影响此次局部固井质量的两大主要原因。

5.2建议

邵阳短陂桥矿区煤储层属于中高含气量、中高含气饱和度煤层，具有储层压力梯度低，煤层应力场较高，中地解比、低渗透率，地质构造复杂，埋藏浅，煤岩破碎、力学稳定性差，微裂缝发育特征[3]。结合区域地质特征、煤储层条件、固井过程泥浆对煤储层的伤害特征，从井径变化、井斜、封固段长度、套管居中情况、钻井液性能、井壁暴露时间等方面，优化固井方案，改善固井质量。

在钻井施工时，尽量减少扩径和控制井斜;科学配置扶正器，尽量使生产套管居中;选择低温快凝、高早强、低失水、胶结性能优良的水泥浆系统;在水泥浆中加入粉煤灰、空心微珠或注入氦气，达到降低水泥密度的效果;采用常规密度与低密度水泥浆相结合，提高钻井液顶替效率，同时减小水泥浆对煤层的伤害;水泥返高在煤层顶板以上200m;采用“穿鞋戴帽、留出煤层”的固井工艺保护煤层;钻井完成，及时进行下套管、固井，减少裸眼暴露时间。

参考文献/References

[1] 赵岳，等. 中国煤层气井固井技术发展现状[J]，钻井液与完井液，2011.11，28卷（增刊）.

[2] 潘志刚，等. 湖南省邵阳市短陂桥矿区煤炭普查报告[R]，湖南湘潭，湖南省煤田地质局第六勘探队 2010.10.

[3] 潘志刚等. 湖南省邵阳市短陂桥矿区煤层气参数试验孔施工总结[R]，湖南湘潭，湖南省煤田地质局第六勘探队 2012.10.

[4] 汪国琴，等. ZK2705井测井总结报告[R]，湖北荆州，中国石化集团江汉石油管理局测录井工程公司 2012.9.

[5] 饶晓，等.煤层气井固井质量影响因素分析[J]，中国煤炭地质，2019.6，31卷.