貴州織納煤田煤層氣井二次固井工藝

饒 曉,馬俊強,張光偉

(廣東煤炭地質(zhì)局勘查院，廣州 510440)

煤層氣是一種優(yōu)質(zhì)清潔能源，屬非常規(guī)天然氣，我國煤層氣資源豐富，儲量約為37萬億m3，開發(fā)潛力巨大。開發(fā)利用煤層氣不但可以填補清潔能源供給缺口，還可以兼顧煤礦安全。在國家政策激勵下，“十一五”我國煤層氣資源開發(fā)已實現(xiàn)商業(yè)化，“十二五”期間則已完成產(chǎn)業(yè)化，“十三五”規(guī)劃又對煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了更高要求[1]，這就亟需在煤層氣勘探開發(fā)的各個環(huán)節(jié)去尋找突破，以期為煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出貢獻。

固井作業(yè)是煤層氣開發(fā)的一個重要環(huán)節(jié)，固井質(zhì)量好壞將影響到后期壓裂和采氣作業(yè)效果以及煤層氣井壽命[2-5]。對于煤層氣井固井工藝技術(shù)前人已做了大量研究[6-9]，但固井過程中還是容易出現(xiàn)諸如混漿嚴(yán)重、返高不足等問題，造成固井質(zhì)量不合格。本文通過介紹貴州織納煤田煤層氣井遇到的實際問題及采取的措施，以期為同地區(qū)出現(xiàn)類似問題的煤層氣井提供參考。

1 地質(zhì)特征

1.1 構(gòu)造

研究區(qū)塊在大地構(gòu)造單元上屬揚子陸塊(Ⅰ級)黔北隆起(Ⅱ級)遵義斷拱(Ⅲ級)威寧北西向構(gòu)造變形區(qū)。區(qū)塊位于比德—三塘向斜中比德次向斜的西南翼中段，總體呈一寬緩的單斜構(gòu)造，地層走向整體呈北西—南東向，其間被幾條北東—南西向斷層所截，傾向北東；地層傾角6°～15°。

1.2 地層

研究區(qū)位于貴州省六盤水市六枝特區(qū)境內(nèi)，煤系底部為一套火山噴發(fā)巖(峨眉山玄武巖)，出露地層由老到新依次包括寒武系、奧陶系、二疊系中統(tǒng)峨眉山玄武巖組、上統(tǒng)龍?zhí)督M、長興組，三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組、永寧鎮(zhèn)組、第四系。二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M為本區(qū)主要含煤地層。

龍?zhí)督M是本區(qū)主要鉆探目的層，厚度310～430m，由薄至中層狀細砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤層組成，底部為灰白色鋁土質(zhì)泥巖，以砂、泥及煤層為主。裂隙發(fā)育的砂巖段容易出現(xiàn)掉塊和漏失，泥巖及煤層段可能出現(xiàn)垮塌，都會對固井環(huán)節(jié)產(chǎn)生重要影響。

2 固井設(shè)計及施工

2.1 鉆孔基本情況

研究井為煤層氣排采井，井型為定向井。2017年8月1日4:00使用Φ215.9mmPDC鉆頭二開鉆進，采用清水聚合物鉆井液體系，定向鉆進至井深158m左右井漏，漏速15～20m3/h；鉆進至井深563.06m，井內(nèi)間斷漏失5～10m3/h。鉆進過程中，通過巖屑封堵部份漏層，之后采用聚合物鉆井液鉆進至井深725.60m，井內(nèi)未漏，巖屑封堵漏層成功。上提鉆具劃眼時至井深718.1m遇卡，下放遇阻，發(fā)生卡鉆事故，至8月23日處理井下卡鉆事故，24日下鉆循環(huán)到底，恢復(fù)正常鉆進，井內(nèi)未漏，復(fù)合鉆進至井深800.00m完鉆。泵入16m3黏度55s鉆井液墊底，起鉆至地面。

全井平均井徑：25.76cm，井徑擴大率：16.5%，預(yù)封固段平均環(huán)容25.51L/m。電測最大井斜30.14°，井深位置445m，方位166.2°。煤頂界662.1m，底界738.42m，完井方式為套管射孔完井。

2.2 固井設(shè)計

本次固井目的是封固氣、水層，實現(xiàn)分層開采。采用常規(guī)注水泥方法進行固井，要求水泥返至460m。

2.2.1 套管設(shè)計

二開鉆頭直徑215.9mm，鉆深800m，設(shè)計非煤層段套管：鋼級N80、外徑139.70mm、壁厚7.72mm；煤層段套管：鋼級P110、外徑139.70mm、壁厚7.72mm。套管下深798.10m，設(shè)計封固段460～800 m。

2.2.2 工藝流程設(shè)計

首先進行管匯試壓，注清水1m3，排量100L/s，試壓20MPa；注領(lǐng)漿7m3，密度1.70～1.80g/cm3，排量700L/s；尾漿6m3，密度1.80～1.90g/cm3，排量800L/cm3；停泵3min，注9.6m3替漿，排量500L/s，碰壓15MPa；試壓20MPa，設(shè)計整個泵注流程用時80min。

2.3 施工情況

實際施工過程中，采用φ139.7mm套管，下深798.1m，注入隔離液4m3，領(lǐng)漿8m3(最高密度1.82g/cm3，最低密度1.60g/cm3，平均1.75g/cm3)，尾漿11m3(最高密度1.89g/cm3，最低密度1.83g/cm3，平均1.85g/cm3)，替漿量9.6m3，共用水泥24t，施工壓力0～2MPa，碰壓15MPa，試壓20MPa。

本次固井施工連續(xù)。注前置液期間井口返漿正常，注水泥漿前期井口返漿正常，后逐漸斷流，頂替期間井口失返，本次固井共漏失30 m3。

本次固井水泥返高700m，未達到設(shè)計要求(返高不足)，固井質(zhì)量不合格，見圖1。

圖1 第一次固井質(zhì)量檢測Figure 1 First well cementing quality detection

3 二次固井工藝

3.1 必要性

固井要求水泥返高為460 m以上，即為最上部煤層以上200 m，實際返高僅為700 m，尚在煤系中部，返高嚴(yán)重不足，應(yīng)進行二次固井，主要原因有：

①從壓裂方面分析，主力煤層6#煤只有效封固段僅25m，在目前煤層氣大排量套管壓裂方式下，很可能壓竄，引起環(huán)空帶壓。從壓裂角度出發(fā)，應(yīng)射孔擠水泥補救。

②從地質(zhì)角度，2#煤層(662.1～664.5m，厚2.4m)；3-2#煤層(681.5～686.4m，厚4.9m)；4#煤層(692.2～696.2m，厚4m)均較厚，為保證后期產(chǎn)氣量，要求進行壓裂求產(chǎn)，因此需對上部煤層進行擠水泥補救。

③從固井角度，通過對固井期間返漿情況分析，上部環(huán)空暢通可能性大，射孔擠水泥方案可以實現(xiàn)。

3.2 水泥返高不足原因分析

①根據(jù)現(xiàn)象判斷為井底漏失，造成漏失的原因為固井施工時環(huán)空堵塞造成井底憋漏；從返高處聲幅沒有過渡段也可印證。

②造成環(huán)空堵塞原因為本井處理卡鉆事故時間長，井徑不規(guī)則；固井時水泥漿攜砂性能高，易將大肚子中沙子帶出，在小井徑處堆積導(dǎo)致堵塞。

3.3 補救方案

結(jié)合固井施工工況分析，699m上部環(huán)空暢通可能性大，本著盡量多封固井段的原則，初步選擇在該井段射孔，實現(xiàn)注水泥二次固井的方案。具體方案為：

①射孔位置。根據(jù)測井圖，選定693.5～695m。補救完成后，可以根據(jù)實際情況對壓裂方案進行優(yōu)化：如補救順利，6#煤層單壓或與5#煤層合壓，4#、3-2#煤層合壓，2#煤層單壓；如射孔后循環(huán)不通，可考慮6#、5#及4#煤層進行合壓。

②在保護套管的前提下，盡量多射孔，滿足大排量循環(huán)要求。

③采用電纜輸送射孔，選擇102型射孔槍，127型射孔彈。孔數(shù)：16孔/1.5m。

④前置液類型為清水；前置液量為4.0m3，段長150m。

⑤水泥漿量設(shè)計。預(yù)計封固段460～700m，封固段長240m。依據(jù)常規(guī)測井井徑數(shù)據(jù)(1點/m)，井段平均井徑263.3mm。環(huán)空水泥漿量，按240m封固段，計算水泥漿量9.39m3。套管內(nèi)留塞，按30 m計算，水泥漿0.37 m3，合計水泥漿9.76 m3，附加33%，共需水泥漿12.98 m3。

⑥根據(jù)射孔面積 ，16孔(射孔后孔徑12mm)，內(nèi)徑直徑50mm，計算截面積1962mm3。施工排量小于1m3/min，計算正常循環(huán)施工壓力2MPa。

⑦二次固井采用G級油井水泥，密度1.88±0.03g/cm3，失水量≤100mL，稠化時間90～120min，流動度220～260mm，注替排量0.4～0.75m3/min。

3.4 固井補救施工

①射孔。2018年1月6日磁定位校深，人工井底785m，然后下102射孔槍在693.5～695m井段射孔。

②試擠與循環(huán)。進行低排量試擠，排量0.1m3/min，壓力2MPa，擠入量0.4m3，環(huán)空未通。環(huán)空灌清水21m3井口未返。變排量試擠(0.2～0.7m3/min),壓力由2MPa上升至4.5MPa，隨后又下降至0.5MPa，說明環(huán)空擠通，可以建立循環(huán)。之后替泥漿間斷循環(huán)(排量13.3L/s)，隨后進行大排量循環(huán)。

③封堵下部井段。2018年1月9日下油管至井深784m，接循環(huán)頭，打高黏墊漿5m3(90s)，起油管，接水泥頭循環(huán)，進行固井準(zhǔn)備。

④固井施工。固井時，注前置液(清水)4m3，注水泥漿15m3，用G級水泥19t，最低密度1.75g/cm3，最高密度1.92g/cm3，平均密度1.86g/cm3，替清水7.2m3，替漿時井口失返，替壓2MPa。

3.5 固井質(zhì)量檢測

2018年1月14 ～15日鉆水泥塞至人工井底785m，并開始循環(huán)，然后起鉆。測聲幅顯示，水泥返高293.8m(設(shè)計返高460m)，固井質(zhì)量合格，見圖2。

圖2 二次固井質(zhì)量檢測Figure 2 Secondary well cementing quality detection

4 結(jié)論及建議

①通過牛1-7-X3井的生產(chǎn)套管固井施工方案及固井質(zhì)量評價分析，充分說明該井下部地層承壓能力差，不能承受水泥漿液柱壓力對地層的擠壓，造成水泥漿進入井筒后發(fā)生漏失現(xiàn)象。在后期開發(fā)過程中，應(yīng)更進一步優(yōu)化水泥漿性能，合理降低水泥漿密度，有效降低環(huán)空液柱壓力，降低漏失風(fēng)險。鉆井施工過程中，對承壓能力差的薄弱地層，采取有效措施進行堵漏，使的井筒承壓能力提高，能夠滿足固井施工壓力要求，避免固井時水泥漿漏失，共同努力提高固井質(zhì)量。

②能否建立循環(huán)是二次固井施工的關(guān)鍵。應(yīng)仔細驗證聲幅測井圖，確保射孔段避開混漿段，且剛好射入沙橋擁堵位置，是環(huán)空擠通的必然條件。試擠時須控制壓力，多次反復(fù)逐漸增壓試擠。如直接大排量擠，壓力過高后可能憋漏煤層，造成無法挽回局面。

③考慮固井后需鉆塞測井，套管內(nèi)鉆膠塞存在一定風(fēng)險，可采用無膠塞固井方法。為防止混漿影響射孔段固井質(zhì)量，下油管打墊漿封射孔段至人工井底段，可有效隔離清水與水泥漿；替漿時為防止替空，精確計量替漿量，原則上另可少替不可多替。

④套管內(nèi)水泥塞采用油管鉆塞，鉆具采用73mm油管，鉆頭采用114.30mmPDC,螺桿采用97mm直螺桿。為防止憋泵造成油管脫扣，

采用小鉆壓(實際鉆壓1～2t)施工中經(jīng)常上下活動鉆具，消除摩阻影響，可有效保障安全快速的完成鉆塞。