山西沁水盆地南部煤層氣井套管變形原因分析

薛志亮

(中聯(lián)煤層氣有限責任公司晉城分公司，山西 048000)

山西沁水盆地南部煤層氣井套管變形原因分析

薛志亮

(中聯(lián)煤層氣有限責任公司晉城分公司，山西 048000)

隨著山西沁水盆地南部煤層氣井的大規(guī)模開發(fā)，套管變形問題嚴重影響著局部區(qū)域的整體排水降壓。通過分析套管變形與煤體結構、煤巖性質(zhì)、煤層頂?shù)装?、套管鋼級、固井質(zhì)量和壓裂施工等之間的關系。分析認為套管變形的主要原因是由于套管鋼級低，在壓裂施工中施工壓力超過套管限壓需進行高壓放噴，導致射孔段套管變形。

煤層氣井 套管變形原因 套管鋼級

1 背景介紹

山西沁水盆地南部煤層氣開發(fā)的主力煤儲層為3號煤層，3號煤層的頂?shù)装鍘r性主要為泥質(zhì)砂巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，3號煤的煤體結構主要為碎裂結構、碎粒結構和原生結構。目前煤層氣開發(fā)的井型為直井、定向井和水平井，主要以直井和定向井為主，其井身結構為二開井身結構，一開采用套管外徑φ244.5mm 鋼級J55(壁厚8.94mm、LTC扣型)套管完井，二開生產(chǎn)套管采用套管外徑φ139.7mm 鋼級J55/N80(壁厚7.72mm、LTC扣型)套管完井。套管變形問題井占整個工區(qū)問題井的37.8%，發(fā)生套管變形的井型主要為直井。其主要問題是壓裂作業(yè)后進行沖砂作業(yè)時遇阻和檢泵作業(yè)時探砂面遇阻，通過打鉛印分析是由套管變形所引起的。

2 套管變形因素分析

根據(jù)工區(qū)內(nèi)套管變形井的地質(zhì)資料、鉆井資料、固井資料、完井資料、壓裂資料和排采生產(chǎn)資料的綜合分析研究，總結出影響套管發(fā)生變形的產(chǎn)生原因及發(fā)生機理，為該工區(qū)套管變形預防方案的制定和套管變形井修井方案提供科學依據(jù)。

2.1 套管變形與煤巖的關系

從鉆井取心資料和測井資料綜合分析，發(fā)生套管變形井的煤體結構主要為碎粒結構和碎裂結構(圖1)。碎粒結構和碎裂結構的煤巖在鉆井過程中受到鉆頭擾動井壁穩(wěn)定性差，易造成煤層段井徑擴大率大、井眼不規(guī)則等問題。

對煤巖進行巖體物理力學性質(zhì)測試(表1)，由測試結果可以看出該工區(qū)煤巖樣品彈性模量低、

圖1 套管變形井與煤體結構關系比例圖

泊松比高，煤巖更容易受到壓縮，且煤巖的非均質(zhì)性較強，裂隙發(fā)育，導致煤巖巖石力學性質(zhì)具有較強的各向異性，隨著局部煤層氣井的整體排水降壓，煤巖應力場發(fā)生較大的變化，由于排采井已進行射孔，生產(chǎn)套管管體抗擠強度下降，很容易受到煤巖的擠壓作用導致套管發(fā)生形變。煤體結構和煤巖性質(zhì)是導致套管變形的影響因素。

表1 煤巖體物理力學性質(zhì)測試結果數(shù)據(jù)表

2.2 套管變形與煤層頂?shù)装宓年P系

從地質(zhì)錄井資料和測井資料綜合分析，煤層頂板巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖和砂巖，泥巖為煤層頂板主要巖性(圖2)，煤層底板巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖，泥巖為煤層底板主要巖性(圖3)。根據(jù)套管變形的位置分析，套管變形段主要集中在泥巖段和煤層段。

根據(jù)泥巖巖體和砂巖巖體物理力學性質(zhì)測試結果比較(表2)，泥巖的彈性模量較低，比砂巖更容易壓縮，隨著煤層氣井的局部整體排水降壓，煤儲層周圍形成壓降漏斗，煤層頂?shù)装迥鄮r應力場發(fā)生較大的變化，易引起泥巖層發(fā)生蠕變，導致套管發(fā)生變形。

圖2 煤層頂板巖性分布比例圖

圖3 煤層底板巖性分布比例圖

項目彈性模量E/GPa泊松比/μ抗壓強度干燥/MPa飽和/MPa軟化系數(shù)抗拉強度σbt/MPa砂巖范圍平均值2.59～3.583.180.25～0.270.2630.76～40.0436.422.3～30.2826.830.7～0.760.741.39～1.941.77泥巖范圍平均值1.02～2.061.630.25～0.310.2912.8～23.8219.497.32～14.5411.690.55～0.650.60.82～1.20.99

2.3 套管變形與套管鋼級的關系

目前在該工區(qū)煤層氣開發(fā)井中，使用的生產(chǎn)套管鋼級主要為兩種型號，一種類型為套管外徑φ139.7mm，壁厚7.72mm，鋼級J55的套管，另一種類型為套管外徑φ139.7mm，壁厚7.72mm，鋼級N80的套管。根據(jù)套管變形井的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在發(fā)生套管變形的井中，使用J55鋼級套管發(fā)生變形的為96.5%，使用N80鋼級套管發(fā)生變形的為3.5%。在排采生產(chǎn)過程中發(fā)生套管變形的井使用的都是J55鋼級生產(chǎn)套管，在壓裂施工完成后進行沖砂作業(yè)時發(fā)生套管變形的井使用的都是J55鋼級生產(chǎn)套管，由此可見套管鋼級是導致套管變形的重要原因。

2.4 套管變形與固井質(zhì)量的關系

在鉆井過程中，由于煤體結構的影響和鉆井液對儲層的沖刷作用，導致煤層段坍塌造成井眼軌跡不規(guī)則形成大肚子，固井時水泥漿不能充分充滿不規(guī)則井眼，易造成套管與地層膠結效果不好。套管與地層不能完全接觸造成受力不均，導致套管承受非均勻載荷，易造成套管變形。根據(jù)套管變形井的固井質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，套管變形井中煤層段平均井徑擴大率均超過40%，煤層段井徑擴大率不合格。其中固井膠結質(zhì)量第二界面差的井為41.3%，固井膠結質(zhì)量第二界面中等的井為46.7%，固井膠結質(zhì)量第二界面良好的井為12%。由此可知套管變形井的第二界面固井質(zhì)量主要為膠結差和膠結中等。

2.5 套管變形與壓裂施工的關系

煤層氣主要以吸附狀態(tài)賦存于煤層中，要進行煤層氣的開采，需要在鉆完井后經(jīng)過儲層改造才能進行排采生產(chǎn)作業(yè)。在壓裂施工過程中，由于施工壓力超過生產(chǎn)套管限壓，需要進行放噴以確保生產(chǎn)套管不被損壞，但進行高壓放噴后井筒中的高壓流體在向井筒流動過程中，伴隨著壓力的釋放，引起生產(chǎn)套管射孔段井眼周圍套管壁的變形，導致在后期作業(yè)過程中，入井作業(yè)管串下至射孔段遇阻。在套管變形井中由于高壓放噴導致套變形的井占套管變形井的62.5%，可見由于壓裂施工中高壓放噴是導致套管變形的主要原因。

3 結論

(1)通過對套管變形井的分析，套管變形的主要原因是生產(chǎn)套管鋼級低，在壓裂施工中由于施工壓力過高超過生產(chǎn)套管限壓需要進行高壓放噴，才導致射孔段套管變形。

(2)通過對套管變形因素的分析，發(fā)現(xiàn)套管變形與煤體結構、煤層頂?shù)装鍘r性、固井質(zhì)量有較大關系。

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(責任編輯 桑逢云)

Reason Analysis on Casing Deformation of Coalbed Methane Well in Southern Qinshui Basin of Shanxi Province

XUE Zhiliang

(Jincheng Branch，China United Coalbed Methane Corporation，Shanxi 048000)

With the large-scale development of CBM in Southern Qinshui Basin of Shanxi Province, the problems such as casing deformation seriously affect the overall water drainage and depressurizing in local area. The paper analyzes the relationship between casing deformation and the coal structure, the coal rock properties, the roof and floor of the coal seam, the casing steel grade, the cementing quality and the fracturing construction, and proposes that the major reason for casing deformation is because of low casing steel grade, the high pressure choke cause the casing deformation of perforated interval when the construction pressure exceeds the case pressure limit in fracturing construction.

CBM well; casing deformation reason; casing steel grade

薛志亮，男，助理工程師，現(xiàn)從事煤層氣鉆井工程方面工作。