成熟區(qū)塊煤層氣加密井堵漏工藝優(yōu)選

李蜀濤，朱韓友，尹中山，錢 程，張秀軍，周瑞琦，牟必鑫，皇扶杉，丁飛飛

(1.四川省能源地質(zhì)調(diào)查研究所，四川 成都 610500；2.四川省地質(zhì)調(diào)查研究院，四川 成都 610500)

我國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》將“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”部署為第6項(xiàng)重大專項(xiàng)；國(guó)家《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃》提出重點(diǎn)突破頁(yè)巖氣和煤層氣開發(fā)，以沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣為重點(diǎn)，加大支持力度，加快煤層氣勘探開采步伐[1]。煤層氣的高效開發(fā)，已經(jīng)成為我國(guó)非常規(guī)油氣不可或缺的支柱產(chǎn)業(yè)[2，3]。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)煤層氣井漏處理工藝進(jìn)行了相關(guān)的研究。王利中[4]等人優(yōu)化了剛性和彈性顆粒橋接材料的粒徑分布，復(fù)配高強(qiáng)度纖維材料和化學(xué)交聯(lián)材料，有效提高封堵層的強(qiáng)度。段曉青[5]針對(duì)韓城區(qū)塊煤層氣井漏失，提出了砂泥巖裂縫加入丹封、鋸末及復(fù)合材料進(jìn)行堵漏，砂巖裂縫采用大顆粒材料加水泥封堵。鮮保安[6]等人建立了煤層裂縫分析計(jì)算模型，優(yōu)選了膨脹堵漏材料，并提出了適應(yīng)于該區(qū)塊的膨脹堵漏工藝。倪光清[7]等人分析了壓力誘導(dǎo)性漏失和裂縫性漏失，并提出了相應(yīng)的堵漏措施。趙永哲[8]等人針對(duì)巖溶地層漏失和中部地層惡性漏失，提出潛孔錘空氣鉆進(jìn)和承壓堵漏。徐堪社[9]等人針對(duì)美煤層含水裂隙性漏失，提出了成套的投入式復(fù)合堵漏塞+水泥漿綜合堵漏法。以上煤層堵漏研究取得了一定的成果，但對(duì)于加密煤層氣井堵漏工藝適用性不強(qiáng)，堵漏效果欠佳，易導(dǎo)致固井時(shí)水泥返高[10]不足影響后期壓裂施工。因此，本研究通過建立井筒裂縫三維模型，模擬不同堵漏漿類型在地層裂縫中的流動(dòng)情況，并結(jié)合研究區(qū)塊鉆探8口漏失井為例，對(duì)煤層氣鉆井堵漏工藝進(jìn)行優(yōu)選，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

沁水盆地又稱沁水復(fù)向斜，是一個(gè)大型的構(gòu)造盆地，研究示范區(qū)位于沁水盆地東南部斜坡帶，區(qū)塊定向井煤層氣井深500～700 m，主要發(fā)育地層自上而下依次是第四系、二疊系(上石盒子、下石盒子組、山西組)、石炭系(太原組、本溪組)、奧陶系(峰峰組)；其中山西組主要為砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層組成，主力煤層為3#煤層，平均厚度約6.30 m；太原組主要由砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、煤層及石灰?guī)r組成[11，12]，主力煤層為15#煤層，平均厚度約4.5 m。

1.2 井身結(jié)構(gòu)

研究區(qū)塊定向井主要為二開井身結(jié)構(gòu)，井口不安裝封井器，一開采用?311.2 mm鉆頭，鉆穿基巖不少于20 m完鉆，下?244.5 mm×8.94 mm J55(鋼級(jí))表層套管，固井水泥返至地面；二開采用?215.9 mm鉆頭，鉆穿15#煤層后60 m完鉆，下?139.7 mm×7.72 mm N80(鋼級(jí))產(chǎn)層套管，固井水泥領(lǐng)漿返至地面，尾漿返至3#煤層以上200 m；完井方式為套管射孔完井，井身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 研究區(qū)塊定向井井身結(jié)構(gòu)Fig.1 Shaft body structure of directional well in the research block

1.3 煤層壓力

根據(jù)區(qū)塊已開發(fā)井資料，可以得到煤層儲(chǔ)層壓力和壓力系數(shù)[13]，見表1。

表1 研究區(qū)塊煤層儲(chǔ)層壓力和壓力系數(shù)Table 1 The block coal reservoir pressure and pressure coefficient

由表1可以看出，研究區(qū)塊煤層整體壓力系數(shù)較低，屬于欠壓氣藏，煤層承壓能力較弱；3#、5#煤層壓力系數(shù)最低，僅為0.37，15#煤層壓力系數(shù)最高為0.49；其中，3#煤層前期經(jīng)過壓裂施工，且排采時(shí)間較長(zhǎng)，極易發(fā)生井漏。研究區(qū)塊鉆探施工過程中，鉆遇至3#煤層均會(huì)發(fā)生不同程度的漏失，給鉆探施工帶來了極大的困難。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

由于研究區(qū)塊目的煤層主要是由壓裂施工造成的地層裂縫，故根據(jù)研究區(qū)塊煤層結(jié)構(gòu)特征及施工基本參數(shù)，建立井筒裂縫物理模型，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：井筒直徑216 mm，鉆桿內(nèi)徑100 mm，井筒長(zhǎng)度3000 mm，鉆桿長(zhǎng)度1000 mm，裂縫高度500 mm，裂縫寬度4 mm，裂縫長(zhǎng)度1000 mm，裂縫底部距離井底200 mm。利用ICEM得到四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 井筒裂縫模型Fig.2 Wellbore fracture model

2.2 邊界條件

整個(gè)物理仿真模型設(shè)置1個(gè)鉆桿入口，1個(gè)井筒環(huán)空出以及2個(gè)裂縫出口。入口速度參照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工排量定為2.0 m/s，壓力1.0 MPa；2個(gè)裂縫出口、1個(gè)環(huán)空出口均設(shè)置為壓力出口，其壓力大小根據(jù)井筒鉆井液性能進(jìn)行調(diào)整。井筒和裂縫中的初始流體均為鉆井液，入口流體為3種不同類型的堵漏漿，兩種流體均采用k-ε模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)流體參數(shù)，確定模擬流體參數(shù)見表2。

表2 模擬流體參數(shù)設(shè)置Table 2 Fluid parameters setting of the simulation

2.3 求解方法

壓力求解器采用二階空間和一階時(shí)間離散求解；求解對(duì)速度入口進(jìn)行初始化殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為0.0001，且每個(gè)時(shí)間部長(zhǎng)均收斂。多相流模型采用mixture模型，流體設(shè)置為3種相(鉆井液、堵漏漿、固相顆粒)，鉆桿入口為堵漏漿，其中純堵漏漿占比80%，固相顆粒占比20%；求解初始化后，將環(huán)空和裂縫均賦存為鉆井液。假設(shè)堵漏過程中鉆井液、堵漏漿、固相顆粒均為不可壓縮流體，其體積分?jǐn)?shù)、體積平均密度、黏度滿足式(1)—(3)；連續(xù)性方程和動(dòng)量方程(Navier-Stokes方程)分別為式(4)(5)[14-17]。

α1+α2+α3=1

(1)

α1ρ1+α2ρ2+α3ρ3=ρ

(2)

α1μ1+α2μ2+α3μ3=μ

(3)

式中，αi(i=1，2，3)分別為鉆井液、堵漏漿、固相顆粒的體積分?jǐn)?shù)；ρi分別為鉆井液、堵漏漿、固相顆粒密度，kg/m3；ρ為井筒流體體積的平均密度；μi分別表示鉆井液、堵漏漿、固相顆粒的黏度；μ為井筒流體體積的平均黏度，Pa·s；u為速度矢量，m/s；p為壓強(qiáng)，Pa；f為體積力，N/cm3。

3 模擬結(jié)果

3.1 常規(guī)堵漏漿

常規(guī)堵漏漿模擬堵結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)(b)可知，當(dāng)常規(guī)堵漏漿進(jìn)入井筒后，6 s開始進(jìn)入地層裂縫；8～12 s裂縫中的常規(guī)堵漏漿體積分?jǐn)?shù)不斷增加，固相顆粒體積分?jǐn)?shù)也有所增加；16～35 s，隨著常規(guī)堵漏漿的不斷注入，固相顆粒駐留在裂縫中的體積分?jǐn)?shù)不斷增加，對(duì)應(yīng)的常規(guī)堵漏漿體積分?jǐn)?shù)不斷降低；40～60 s，隨著堵漏的不斷注入，裂縫中的固相顆粒隨著常規(guī)堵漏漿一起向裂縫外流動(dòng)，常規(guī)堵漏漿體積分?jǐn)?shù)增加，固相顆粒體積分?jǐn)?shù)降低。

圖3 常規(guī)堵漏數(shù)值模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of conventional plugging

由圖3(c)可知，隨著常規(guī)堵漏漿開始進(jìn)入裂縫，8 s時(shí)，裂縫中流體速度開始降低，但降低效果不明顯，持續(xù)進(jìn)行至16 s速度開始明顯降低；20～35 s期間，由于裂縫被固相顆粒和常規(guī)堵漏漿充填，速度達(dá)到最低；40～60 s由于固相顆粒被攜帶出裂縫，裂縫中流體速度有所增加，但仍低于最開始的鉆井液漏失速度，說明常規(guī)堵漏漿對(duì)裂縫性地層有一定的封堵效果。

3.2 承壓堵漏漿

承壓堵漏漿模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 承壓堵漏數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of pressurized plugging

由圖4(a)、圖4(b)可知，當(dāng)承壓堵漏漿進(jìn)入井筒后，6 s開始進(jìn)入地層裂縫；8～12 s裂縫中的承壓堵漏漿體積分?jǐn)?shù)不斷增加，固相顆粒體積分?jǐn)?shù)也有所增加，相對(duì)于常規(guī)堵漏時(shí)固相顆粒增加更多；16～60 s，隨著承壓堵漏漿的不斷注入，固相顆粒駐留在裂縫中的體積分?jǐn)?shù)不斷增加，對(duì)應(yīng)的承壓堵漏漿體積分?jǐn)?shù)不斷降低，且不同于常規(guī)堵漏漿，駐留在裂縫中的固相顆粒并沒有隨著承壓堵漏劑的流動(dòng)，被攜帶出地層裂縫，從而起到了很好的架橋封堵效果。

由圖4(c)可知，隨著承壓堵漏漿開始進(jìn)入裂縫，8 s時(shí)，裂縫中流體速度開始明顯降低，持續(xù)進(jìn)行至16 s時(shí)，隨著固相顆粒的駐留，流體速度進(jìn)一步降低；20～60 s期間，由于裂縫被固相顆粒和常規(guī)堵漏漿充填較為夯實(shí)，裂縫中流體速度降低較為穩(wěn)定，基本達(dá)到最低值；說明相對(duì)于常規(guī)堵漏漿，承壓堵漏漿對(duì)地層的封堵效果更好。

3.3 凝膠堵漏漿

凝膠堵漏漿模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 凝膠堵漏數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of gel plugging

由圖5(a)、圖5(b)可知，當(dāng)凝膠堵漏漿進(jìn)入井筒后，6 s開始較多進(jìn)入地層裂縫；8～40 s裂縫中的凝膠堵漏漿體積分?jǐn)?shù)不斷增加，固相顆粒體積分?jǐn)?shù)也有所增加，相對(duì)于常規(guī)堵漏、承壓堵漏漿時(shí)固相顆粒增加速率較慢，其主要原因?yàn)槌袎憾侣{黏度較大，直接將固相顆粒攜帶出地層裂縫；50～60 s，隨著凝膠堵漏漿的不斷注入，固相顆粒進(jìn)一步增加，凝膠體積分?jǐn)?shù)含量有所降低，但相對(duì)于常規(guī)堵漏漿、承壓堵漏漿，凝膠駐留在裂縫中的體積分?jǐn)?shù)依然較高；后期待凝膠在地層裂縫中凝固后，會(huì)對(duì)地層形成較好的封堵效果。

由圖5(c)可知，隨著凝膠堵漏漿開始進(jìn)入裂縫，8 s時(shí)，裂縫中流體速度開始明顯降低，持續(xù)進(jìn)行至12 s時(shí)，隨著更多的凝膠堵漏漿的注入，流體流速進(jìn)一步降低；16～60 s期間，裂縫中的凝膠堵漏漿基本維持在較低的速度并且較為穩(wěn)定，同時(shí)，較低的流速更便于凝膠堵漏漿與地層的膠結(jié)，達(dá)到更好的封堵效果。

3.4 堵漏漿裂縫出口流速對(duì)比

為更好地比較三種堵漏漿的堵漏效果，模擬過程中，分別對(duì)三種堵漏漿模擬堵漏過程中裂縫出口流速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 三種堵漏漿裂縫出口流速監(jiān)測(cè)Fig.6 Velocity of the three kinds of slurry at fissure outlet

由圖6可知，6 s之前，剛開始泵入堵漏漿時(shí)，裂縫出口原鉆井液的漏失流速表現(xiàn)為凝膠堵漏漿>承壓堵漏漿>常規(guī)堵漏漿；6～16 s，隨著堵漏漿和其含有的固相顆粒逐漸進(jìn)入地層裂縫，裂縫出口鉆井液流速開始降低，具體表現(xiàn)為凝膠堵漏漿<承壓堵漏漿<常規(guī)堵漏漿；16～60 s，堵漏漿陸續(xù)到達(dá)裂縫出口，其中凝膠堵漏漿流速較為穩(wěn)定且流速最低；常規(guī)堵漏漿、承壓堵漏漿流速有所上升，但隨著固相顆粒的在裂縫中的充填，堵漏漿流速開始呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，45 s以后，由于常規(guī)堵漏漿中的固相顆粒被攜帶出裂縫，裂縫出口流速有所增加。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例應(yīng)用

4.1 漏失情況

根據(jù)研究區(qū)塊已鉆8口井分析，研究區(qū)塊井漏主要發(fā)生在3#煤層，部分鉆遇至灰?guī)r時(shí)也會(huì)發(fā)生井漏；井漏的主要表現(xiàn)有滲漏、大漏，失返性漏失，單井平均漏失量為90.625 m3，井漏損失115.74 h，完井承壓損失176.412 h，累計(jì)損失時(shí)間292.152 h，見表3。

表3 研究區(qū)塊井漏泥漿材料及時(shí)間損失Table 3 Materials loss and time loss in the research block

4.2 堵漏工藝對(duì)比

本文所述常規(guī)堵漏漿為鉆井液基漿+膨脹顆粒+常規(guī)堵漏材料(隨鉆堵漏劑、復(fù)合堵漏劑、棉籽殼、核桃殼、鋸末等)；其堵漏配方為：清水+土粉+CMC+膨脹顆粒+常規(guī)堵漏劑。

本文所述凝膠堵漏漿為基漿+凝膠堵漏材料+橡膠顆粒+常規(guī)堵漏材料(隨鉆堵漏劑)；其堵漏配方為：清水+快速堵漏劑+液體堵漏劑+少量橡膠顆粒+少量常規(guī)堵漏劑。

本文所述承壓堵漏漿為鉆井液基漿+膨脹顆粒+常規(guī)堵漏材料(隨鉆堵漏劑、復(fù)合堵漏劑、棉籽殼、鋸末、蛭石等)+承壓堵漏材料；其堵漏配方為：清水+土粉+CMC+膨脹顆粒(少量)+常規(guī)堵漏劑+承壓堵漏劑+橡膠顆粒。

三種堵漏工藝原理及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析見表4。

表4 不同堵漏工藝原理及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 4 Comparison of different plugging technology principles and their advantages and disadvantages

4.3 實(shí)例應(yīng)用對(duì)比

研究區(qū)塊8口井鉆井過程中根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用了常規(guī)堵漏、承壓堵漏、凝膠堵漏三種堵漏工藝，實(shí)際應(yīng)用情況見表5。

表5 三種堵漏工藝實(shí)際應(yīng)用情況Table 5 Application results of the three plugging technologies

從表5可以看出，常規(guī)堵漏平均耗時(shí)46.32 h，耗時(shí)最長(zhǎng)；承壓堵漏平均耗時(shí)36.42 h，耗時(shí)其次；凝膠堵漏平均耗時(shí)33 h(實(shí)際純堵漏耗時(shí)僅5 h)，耗時(shí)最短；常規(guī)堵漏完井承壓平均耗時(shí)30.84 h，耗時(shí)最長(zhǎng)；承壓堵漏完井承壓平均耗時(shí)21.5 h，耗時(shí)較短；凝膠堵漏完井承壓平均耗時(shí)9 h，耗時(shí)最短；常規(guī)堵漏固井環(huán)空水泥平均返高60.5 m，返高最差；承壓堵漏固井環(huán)空水泥平均返高45.425 m，返高較好；凝膠堵漏固井環(huán)空水泥返高42.5 m，返高最好；同時(shí)，應(yīng)用實(shí)例很好地驗(yàn)證了Ansys-Fluent仿真結(jié)果的正確性。

5 井口加壓堵漏工藝

5.1 加壓堵漏工藝原理

常規(guī)鉆井堵漏多采用靜止堵漏工藝，其工作原理是：通過泥漿泵將配置好的堵漏漿泵送至漏失層位，使堵漏漿在自身重力的作用下沿著液體流動(dòng)方向進(jìn)入地層裂縫完成對(duì)裂縫的封堵。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于受到自身重力驅(qū)動(dòng)力較小，堵漏漿進(jìn)入裂縫較少，在恢復(fù)正常鉆井過程中極易再次發(fā)生井漏。

加壓堵漏[18，19]相對(duì)于靜止堵漏效果更好，其工作原理是：將堵漏漿泵送至漏失層位后，待井口液面不降或下降緩慢時(shí)，關(guān)閉防噴器或安裝井口承壓接頭，封閉井口，使井筒壓力升高，驅(qū)動(dòng)更多的堵漏漿向地層裂縫中流動(dòng)，提高了漏失地層承壓能力。

由于研究區(qū)塊漏失的復(fù)雜性，制定了該區(qū)塊煤層氣鉆探中完善的承壓堵漏方案，后期固井水泥返高均符合設(shè)計(jì)要求，滿足壓裂開采施工條件。

5.2 加壓堵漏井口裝置及施工流程

5.2.1 加壓堵漏井口裝置

常用的井口加壓堵漏裝置主要有井口封井器和承壓接頭，針對(duì)有安裝封井器的井，鉆桿下到指定位置后，泵入堵漏漿，直接關(guān)閉封井器半封閘板進(jìn)行承壓堵漏如圖7所示；若井口未安裝防噴器，泵入堵漏漿后，則可以直接連接承壓接頭進(jìn)行承壓堵漏；承壓接頭裝置由帶連接法蘭的耐磨套和上部帶法蘭的連接接頭組成如圖8所示。

圖7 封井器井口加壓裝置Fig.7 Wellhead pressure device with a blowout preventer

圖8 承壓接頭井口加壓裝置Fig.8 Wellhead pressure device with a pressurized joint

5.2.2 井口承壓施工流程

1)將堵漏漿灌注至漏失層位，先進(jìn)行靜止堵漏，待井筒液面穩(wěn)定或液面降低較慢時(shí)安裝井口承壓裝置，做承壓前準(zhǔn)備工作；若井口安裝有封井器，則直接關(guān)閉半封閘板，密封井口。

2)緩慢開泵，根據(jù)承壓效果間歇性開泵，逐步提高泵壓，使最終承壓效果達(dá)到1.5～2.0 MPa。

3)保持壓力在15 min以上，如果壓力無明顯降低，則表示堵漏成功。研究區(qū)塊加壓堵漏工藝所需設(shè)備均可現(xiàn)場(chǎng)制作，無需其他特殊專業(yè)工具，現(xiàn)場(chǎng)易加工，操作簡(jiǎn)單，堵漏效率較高。

5.3 井口加壓堵漏工藝應(yīng)用

研究區(qū)塊所鉆BX1、BX2、BX3、BX4、BX5、BX6、BX7、BX8井均采用井口加壓堵漏工藝，固井后平均水泥環(huán)空返高48.8 m；研究區(qū)塊其他未采用井口承壓堵漏工藝漏失井，固井后平均水泥環(huán)空返高約100～160 m；對(duì)比結(jié)果表明：井口加壓堵漏工藝相對(duì)于常規(guī)靜止堵漏，漏失地層承壓能力更強(qiáng)，固井后平均水泥環(huán)空返高更高。井口承壓裝置簡(jiǎn)單易加工，現(xiàn)場(chǎng)可操作能力強(qiáng)。

6 結(jié) 論

1)針對(duì)沁水盆地成熟區(qū)塊加密井井漏現(xiàn)象嚴(yán)重，堵漏難度大的現(xiàn)狀，收集整理了研究區(qū)塊的地質(zhì)概況、井身結(jié)構(gòu)概況和煤層壓力等數(shù)據(jù)，分析了研究區(qū)塊主要漏失層位及漏失成因。

2)通過建立地層裂縫三維模型，分別模擬了三種堵漏漿在堵漏過程中的流動(dòng)情況，模擬結(jié)果表明堵漏效果：凝膠堵漏>承壓堵漏>常規(guī)堵漏。

3)通過研究區(qū)塊對(duì)常規(guī)堵漏、承壓堵漏、凝膠堵漏三種堵漏工藝的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)比分析了三種堵漏工藝的堵漏原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，分析結(jié)果表明：堵漏耗時(shí)方面，凝膠堵漏<承壓堵漏<常規(guī)堵漏；固井環(huán)空水泥返高方面，凝膠堵漏>承壓堵漏>常規(guī)堵漏；完井承壓耗時(shí)方面，凝膠堵漏<承壓堵漏<常規(guī)堵漏；再結(jié)合三種堵漏工藝的優(yōu)缺點(diǎn)得出，若發(fā)生單點(diǎn)漏失，且漏失層位明確，則采用凝膠堵漏效果較好；若漏失點(diǎn)較多，且漏失層位不明確，則采用承壓堵漏效果較好。

4)優(yōu)選堵漏工藝結(jié)合井口加壓工藝相對(duì)于常規(guī)靜止堵漏工藝，堵漏時(shí)間短，漏失地層承壓能力更高，堵漏效果更好，所需承壓設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)易制作，操作簡(jiǎn)單，適用性更強(qiáng)。