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1、煤层气固井技术研究与应用齐奉忠唐纯静李爽8 ( iY w! u$ X; % f（中国石油勘探开发研究院廊坊分院完井所，河北廊坊，065007） M$ * t! z8 V1 B( _& h1 H/ I【摘要】我国的煤层气资源十分丰富，但开发利用刚刚起步。煤储层与一般的油气层相比，埋藏浅，微孔隙和裂缝发育，孔隙压力梯度低，力学稳定性差，易坍塌，易污染。文章介绍了煤层气与煤储层的特点，煤层气井固井的特点及难点，根据煤层气井的特点及煤储层的特性，提出了固井技术对策，筛选出了适合煤层气井固井的低失水低伤害TS早强水泥浆体系，配套技术首先在晋试5井上获得突破，到目前为止，共在沁水盆地、鄂尔多斯盆地等地区现
2、场固井160多井次，固井质量优质率85%以上，合格率100%，解决了煤层气井固井存在质量差的问题。并探讨了以后煤层气井固井所要研究解决的问题。$ R: f- S8 i【主题词】煤层煤层气固井低密度水泥水泥添加剂 / o/ H1 , i# p1 P* r- F) B) H- P8 J- o前言- S o8 P u7 * W# f煤层气（煤层甲烷Coalbed Methane）是在煤层中自生自储的一种非常规天然气，以吸附或储集方式存在于煤层的孔隙与裂缝中。煤层气是一种巨大的新兴潜在能源，首先在美国试验研究成功，成为美国天然气生产的一个重要领域。我国是一个煤炭资源大国，资源量位居世界第三位，埋深30
3、01500m范围内煤层气总资源量就约为351012 m3，与我国的常规天然气资源量相当。作为一种新能源，煤层气不仅热值高，而且没有环境污染，具有广阔的应用前景。1 Q0 / U, t3 F+ A& r4 P煤层气开发时，如果对完井技术不重视，采取的措施不当，产能很低。煤层气完井方法一般分为套管压裂完井和裸眼洞穴完井两种。洞穴完井工艺成功需要高渗透率、超压和高挥发份烟煤A煤阶几种条件的结合，所以适用性比较局限。我国煤储层的渗透率低，煤层压力一般低于静水压力，造出洞穴后，很难保持稳定，会给排采试验造成很大困难，出气效果也比较差，所以裸眼完井应用较少，套管压裂完井是一种普遍适用、应用最广泛的完井方法
4、。固井是套管压裂完井中的关键技术，固井质量的好坏直接关系到煤层气的开发及产能的提高。因此，必须高度重视固井质量，在提高固井质量的同时，注意保护煤储层。 + r+ Z7 o: J! V5 1 S5 a: H0 ) s1煤储层及煤层气井的特点# o1 ! z4 % c8 W) I/ o7 K与常规天然气储层不同，煤层埋藏浅，一般在3001500m之间，井底温度及压力低。与常规油气储层相比，煤储层与煤层气井具有以下特点：0 % b1 P z$ X1.1储层的特性不同) j& O: M& $ X6 H8 G煤层割理发育，易受压缩，非均质性强，机械强度低，力学稳定性差，在外力作用下极易破碎。该特点在钻井
5、上极易引起煤层的坍塌、破碎，导致井径扩大。7 X. M* O- * s) A7 p* 1.2存在状态不同 k. E1 t( r: q& O$ F* 9 a煤层气主要呈吸附状态存在于基岩孔隙的内表面上（70%95%），只有少量以游离状态（10%20%）或溶解状态存在于煤层的孔隙与裂缝中，其储集方式和以游离态为主的石油、天然气有根本的不同。v* z2 F1 Q1 x! C2 H1.3存储的空间不同/ O3 F2 _, O8 f% O) n10-3m2（远远小于油气储集层砂岩的渗透率），储层孔隙压力一般低于静水压力。煤储层是具有基质孔隙与裂缝孔隙特征的双孔隙系统，渗透率小于11 9 H$ H+ O&
6、 ( S5 ; t1.4保存方式不同 h+ q! P$ |/ ( h3 t煤层气具有独特的保存方式压力封闭，这种特殊的保存方式决定了其开采方式的特殊性，必须经过较长时间的排水降压后才慢慢解吸。H& k& N& i! S* j f1.5采气方式不同& l1 T, b, i$ M煤层气产出规律与天然气不同，必须经过较长时间的排水降压后才慢慢解吸。当井内压力降至解吸压力以下时，气体便从煤体内表面解吸出来，并随着层内流体由压力高的区域向压力低的区域渗流和聚集，最后达到可供工业性开采的气量。& O9 p r2 C6 a; z5 v2煤层气井固井的特点和难点2 x$ _7 j) ?, L! P 煤层气产量
7、低，可供开采期的时间又比较长，加上独特的开发与开采方式，因此给固井设计与施工提出了更高的要求。固井质量要高，层间封隔要好，而且固井施工对煤层的伤害小。和一般油气井相比，煤层气井固井的特点及难点主要表现在以下几个方面：y5 r8 P6 O3 R/ F/ E+ s0 s9 ?2.1煤层埋藏浅，替浆量少，顶替效率低9 X7 3 a& h# K煤层气井井深浅，固井时替浆量少（一般井泵替钻井液只有511m3），注水泥完毕即有一半体积以上的水泥浆进入环空。受设备及井下条件的限制，固井时根本达不到紊流顶替的排量。紊流顶替时环空返速高，摩阻大，在低压易漏的井中甚至会压漏地层，同时对水泥浆性能要求也比较高。;
8、L/ v3 Q$ ml0 d2 F1 d2.2煤储层压力低，封固段长. K- k( b+ Dx! 由于煤层气独特的开采方式，因此一般要求全井封固，封固段长一般在3001200m之间。由于封固段长，煤层孔隙压力梯度低，水泥浆密度比钻井液密度高得多（钻井液密度一般在1.031.08g/cm3之间）。固井过程中水泥浆密度高或施工不当，易形成高的过平衡压力，固井过程中很容易漏失。一方面水泥浆低返，影响封固质量；另一方面水泥浆渗入煤层，对煤层造成大面积的伤害。* l* X2 x* ?4 1 w q2.3水泥浆配方设计困难( O$ A$ C! . F4 Y3 C# J煤层气井井深浅，井底温度低（如晋城地区
9、煤层气井井底温度一般在2545之间），上部井段温度更低，远远小于油气井的井底温度。低温下水泥浆特别是低密度水泥浆的水化速度缓慢，水泥石早期强度、后期强度低。为加快水泥的水化速度，提高早期强度，必须加入早强剂或促凝剂。但是一般的早强剂或促凝剂会破坏降失水剂的降失水效果，与降失水剂配伍的早强剂及促凝剂少。以前固井中这个问题都没有解决好，控制了水泥浆滤失量，水泥石的早期强度低，甚至长时间不凝固；加入早强剂，提高了早期强度，水泥浆的滤失量又得不到控制，二者很难同时兼顾。& X/ A- t% t& y. j& W3 R; t9 m3 N2.4煤层易受到伤害，保护煤层的难度大8 U U) f) l8 J.
10、 I- R3 S0 c煤储层渗透性低，属于低渗储层，任何环节的污染都会对煤层造成永久性伤害。钻开煤层后，甲烷气从煤的内表面解吸、扩散，通过裂缝流到井内。如果煤层的孔隙和裂缝一旦受到损害，其损害程度比常规油气层严重得多，不仅使气体的渗流通道受损，而且还会影响甲烷气的解吸过程。固井过程中如果环空的液柱压力高，水泥浆的失水量大，水泥浆性能差或施工不当，很容易对煤层造成伤害。 S Q% d. W, p3前期固井存在的问题4 * / R+ 9 | k( 3.1沿用常规油、气井的固井技术) W2 y# B% t: u) 0 w, p$ 3 煤储层具有低压、低渗、埋藏浅、易伤害等特点，固井时应针对这些特点，
11、设计合适的固井技术。但是以前固井时，没有充分考虑到这些因素对固井质量的影响，一直沿用油、气井的固井技术，前置液、水泥浆体系和施工工艺和油、气井固井基本相同。2 r5 F# T f: ?& d3.2水泥浆性能差% V: J! 3 1 g（1）水泥浆滤失量未严格控制，有的井甚至用净浆固井。: Q8 r$ _+ A5 （2）低温下水泥浆稠化时间长，水泥石早期强度、后期强度低，水泥石凝固后体积收缩大。! X2 O9 q+ l# o& M（3）浆体稳定性差，自由液多（有的井甚至达到2%）。由于自由液多，候凝过程中易在第一界面与第二界面处形成水槽与水带，影响了对煤层的封固。& 7 S. D/ d0 b F
12、: v（4）外加剂的配伍性差，质量不稳定，水泥浆综合性能差。4 c4 f( g5 C0 x% 5 C0 k（5）固井用的水泥类型不一，没有选用综合性能好的水泥固井。0 f* z0 i9 a# t3.3固井过程中保护煤层的措施不够5 Q: A5 K* G5 m5 o* , b以前煤层气固井时一般都是用常规密度（1.85g/cm3）的水泥浆，致使环空的液柱压力远远大于煤储层的孔隙压力。对水泥浆滤失量及析水量也未进行严格控制，有的井水泥浆中虽然加入降失水剂，但失水量依然比较大，有的井甚至用净浆固井，这些都对煤层造成了很大伤害。 N9 e/ w* i 4固井技术对策研究4 c: y8 R+ k; ?%
13、 r6 : S通过认真分析煤层气井的特点、煤储层的特性、固井施工资料及大量室内评价试验结果后，我们认为要提高煤层气井的固井质量，一是必须改善水泥浆的性能，采用良好的水泥浆体系；其次为采用合适的注水泥措施。具体方法如下：b/ H; 9 E4.1水泥浆体系 i% I: F* M; 2 ( 7 r满足煤层井固井要求的水泥浆体系，要求低温快凝、低失水、高早强、浆体稳定性好、稠度适宜，同时对煤层的伤害小。经过多次室内试验，筛选出了TS早强降失水剂。$ d1 z9 C+ l8 P+ & sTS由早强剂和降失水剂复配而成，早强剂与降失水剂的配伍性好，低温下早强剂不会破坏降失水剂的降失水效果。在水泥浆与地层间
14、压差的作用下，在界面处形成致密的低渗透滤失膜，保证了水泥浆体系的低失水量。加入TS后水泥浆的API失水量小于30 mL，性能大大优于一般的降失水剂。低温下浆体稳定性好，水泥石强度发展快，水泥石凝固后有微膨胀作用，能排挤套管外残留的钻井液，压实非韧性滤饼，保证水泥石与第一界面、第二界面间良好的胶结性能。水泥凝固后，降失水剂能堵塞水泥基质中的孔隙，降低水泥石的渗透率。水泥浆的稠化时间可以通过改变早强剂的量来调整，满足不同井深的固井要求。9 / f5 d7 5 P) O4 Y4 y4.2固井技术措施/ y# R9 n1 A+ $ G* Y; i煤层气井固井一方面要求能保证固井质量，另一方面要求对煤层
15、的伤害小，有利于保护煤储层。经过认真分析沁水盆地煤层气井的特点及煤储层的特性后，固井时采取了以下技术措施：8 m2 $ s, o% E3 F; U. i（1）用低失水、高早强的TS早强降失水剂来优化水泥浆性能，低密度水泥浆与常规水泥浆要求失水量低，稳定性好，强度发展快，候凝时间短。: B$ H% F5 D4 U6 $ N. E# s（2）采用HQ-1隔离液体系，隔离液与水泥浆、钻井液的相容性好，并有利于冲洗、稀释钻井液。8 r$ Q! V1 W- - ?（3）注水泥及替浆过程中，控制环空返速小于0.50 m/s。2 U: _- W2 T8 x, e( M y（4）煤层及煤层以上100m的井段采用密度为1.871.90g/cm3水泥浆，充填段采用密度为1.55g/cm3的低密度水泥浆。低密度水泥浆配合常规密度水泥浆来降低环空的液柱压力，提高固井质量与保护煤储层相结合。* v5 B. Y1 c+ g 9 l; K8 X（5）采用综合固井技术。将影响固井质量的因素进行认真考虑，争取将影响固井质量的每一项因素都减小到最低限度。! 9 t! ?; u3 y)
