煤层气固井技术及增产措施.ppt

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1、煤层气固井技术及增产措施,3.1煤层气井固井技术 3.2煤层气井增产措施,第三章 煤层气井固井技术及增产措施,教学重点与教学目的,掌握套管柱设计 掌握煤层气井固井方法 掌握固井材料 掌握煤层气井压裂工艺技术 了解固井的有关计算 了解其它增产措施,Exploring and Drilling for Coalbed methane Gas,固井准备,哪里可以找到易高产的煤层气?,有煤就有气？,实际上，大多数煤层气是吸附在煤基质中,固井准备,固井准备,1)厚稳定的物质基础,T15煤SH3号较浅，渗透率中等较好，吸附强 2)顶底板，寺头断层、地下水分水岭和露头的水动力封堵 3)印支期与燕山期变质，无

2、烟煤，镜质组反射率达4.0%,大量煤层气 4)热成因气和次生生物成因气 5)地下水在补给-运移-汇聚过程中，形成了补给区-径流区-滞流区。逸散带，含气量低；煤层气含量中等，径流区；滞流区高含气量。,我们如何找到这些气藏呢?,地球物理学家通过气藏反射的声波找到它们，计录声波反射回来的时间 计算机处理这些数据，构造出地下岩层系统的图像,Gas,煤层气,声源,接收器,t = 1 sec,t = 1.2 sec,t = 1.42 sec,固井准备,我们钻一口井进去 ! ! ! 我们用什么钻井？,发现了气藏之后我们该干什么?,钻井设备!,固井准备,钻井设备是什么？ 一套可以使我们钻入地层的特殊设备。 一

3、套钻井设备由很多不同的部分组成: 井架，地基，起重设备，发电机，钻杆， 钢罐，泵，岩石碎屑处理设备，还有很多 其他部件。,钻柱 钻头,起重设备由以下部分组成: 天车, 游动滑车, 游动钢丝绳, 和一个用来起降游动钢丝绳的绞车。,井架底座,这幅图画的是钻井设备上的起重设备. 这个设备被用来提升和放下钻柱的。钻柱是一根根10米(30ft)长的钻杆连接起来组成的。,待用钻杆,在这里，30ft 长的钻杆被一根根加到钻柱上。这样钻柱不停的被加长，可以不停的朝地下钻进。,固井准备,这是一幅钻头在岩层中钻进的示意图,钻柱在地表被驱动旋转，带动井眼底部的钻头旋转。 钻头上的“牙齿”把岩石磨成碎屑。,钻井泥浆被

4、泵入钻杆内部，从钻头的喷嘴流入环形空间。环形空间是钻杆和井壁之间的空间。 泥浆将岩屑循环带到地表，在那里这些岩屑被移除。,钻井泥浆循环,钻井的工序,首先用大钻头钻一小段井眼,然后钢制的套管被下入井中，并用水泥固定套管的外侧，防止井眼塌陷。,0,200,固井准备,下一步，一个小一些的钻头在第一个套管内部开钻。 这个钻头从上一个套管的底部钻出一个新的井眼。,然后在这个新的井眼中也下套管，并用水泥固定。,固井准备,如前，再钻一个更小的井眼，,再下相应的套管，防止塌陷。,固井准备,用这种方法，井眼分段钻进，直到目标储层被钻穿。,他们通过对目标区域进行测井知道是否形成气藏。 测井是用电缆将设备下到井下，

5、记录岩石的物理属性，如电阻，孔隙度，密度，放射性，孔隙压力等等。,地质学家如何辨别地层中是否形成气藏？,如果有气藏，我们在生产层段下最后一次的套管, 用水泥固定。,固井准备,然后在井眼内用射孔枪进行射孔，击穿生产层段部分的井壁套管。,固井准备,在井眼里放入生产气管, 用封隔器把生产层段和上部的套管空间分隔开,气管,封隔器,固井准备,最后，这口井的气体被采到地面的管线，这些管线把井和地面的生产设备连接起来。,地面的生产设备将生产出的流体中的水、气分离,气水分离器,水,煤层气,从那里，煤层气会被进一步提炼，之后被卖到市场上。,储气罐,固井准备,最后，煤层气产品卖到市场，驱动汽车，为我们的房屋供暖。

6、,固井准备,根据上面的找气过程 固井环节在哪 ？ 为什么要固井？,煤层气井井深一般为100-1500m(50m)，井 较浅，地温和地层压力都比较低，目的层 (煤层)胶结强度低、松散，在煤层段易 发生井漏、井壁坍塌形成“大肚子”，造 成产层伤害和影响固井质量。 煤层气井钻完以后，向井内下入一定尺 寸的套管串，并在其周围注入水泥进行 固井。,井径扩大井段固井质量,为什么要固井,封隔疏松易塌、易漏地层； 封隔不同压力体系的煤层、含水层，防止相互窜漏，以形成煤层气入井通道； 安装井口，便于钻进和采气。,固井目的：,气层层位多，要求层间封隔质量更高 气层渗透性好，液柱压力稍不平衡就会发生气窜; 煤层气井

7、井径扩大严重，顶替效率差，固井质量难以保证。,钻进过程中煤层段可能发生严重剥落或坍塌导致井径扩大 ，即在煤层段形成“大肚子”井眼，使顶替效率降低，水泥浆 不能将大井眼段的泥浆顶替干净，在水泥与井壁之间残留部 分泥浆.降低了水泥的封固效果。使固井质量降低。 固井时易漏失，水泥浆低返。煤层段地层孔隙压力梯度较 低，一般小于1.0MPa/100m,即使用清水钻进，在煤层段漏失 现象也时有发生，常规水泥浆密度为1.85g/cm3，其液柱压力 要比钻井液(煤层段钻井液密度一般为1.031.08g/cm3)液柱 压力高，固井时水泥浆很容易漏失，一方面导致水泥浆低返 影响固井质量，另一方面水泥浆渗入煤层对煤

8、层造成伤害。 晋城地区的潘2井和晋试1井均发生过固井水泥浆漏失问题。,固井技术难点：,水泥浆对煤层造成伤害。固井水泥浆是由水泥、水和外 加剂组成的一种硅酸盐胶凝材料。与钻井液相比，水泥浆密 度大（1.6-2.6g/cm3)。由于煤层易破碎、均质性差、裂 缝发育，所以井壁上泥饼质量差，同时在固井过程中渗入煤 层的滤液可能与地层水作用，生成永久沉淀，对煤层造成 严重伤害。用清水钻进，在煤层段形成的泥饼质量差，固井 时水泥浆对煤层的伤害更大。 降低煤层伤害要与保证固井质量有机结合，对固井水泥浆 要求高。由于煤层气井井浅、地层温度低、煤层孔隙压力低 ，煤层段要求水泥浆具有低密度、低失水和高强度的特点，

9、 还要在考虑降低成本的条件下提高固井质量。,固井技术难点：,在保证固井质量的前提下，尽量控制水泥浆液柱压力， 实现近平衡压力达到降低固井作业对煤层的伤害是煤层 气井固井的核心。 浅层气井及煤层气井固井存在的问题主要是封固后环空 气窜。,固井技术核心：,水泥环要有足够的强度，满足强化作业、增产措施的需要 固井作业过程中要能尽量减少对煤储层的伤害 由于煤层气井开采周期长，在整个生产过程中要能维持煤产层的地层稳定，同时要能为煤层气采出提供一可靠的上升通道。,煤层气井固井要求,通过介绍固井技术目的、难点、核心、要求？ 套管水泥,一、套管和套管柱 套管：优质无缝钢管。 一端为公扣，直接车在管体上； 一端

10、 为带母扣的套管接箍。 套管的尺寸系列： API标准套管： 4 1/2 “ ，5 “ ，5 1/2 “ ，6 5/8 “ ，7 “ ，7 5/8“，8 5/8“，9 5/8”，10 3/4“，11 3/4”，13 3/8“，16”， 18 5/8“，20“；共14种(114.3-193.7mm)。 壁厚：5.2116.13 mm。 小直径的套管直径小一些，大直径的套管直径大一些。 另外有非标准的钢级和壁厚。,套管,套管的钢级 API标准：H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，N-80，C-90，C-95，P-110，Q-125。（数字1000为套管的最小屈服强度 kpsi）。 1k

11、psi=6.8947MPa 其中， H-40，J-55，K-55，C-75，L-80，C-90是抗硫的。 连接螺纹的类型 API标准：短圆（STC）、长圆（LTC）、梯形（BTC）、直连型（XL） 套管柱：由同一内径、不同钢级、不同壁厚的套管用接箍连接组成的管柱。特殊情况下也使用无接箍套管柱。,煤层气井井孔中下入的套管可分为表层套管、中层套管和产层套管（生产套管）三种类型。 表层套管:用以封隔上部松软的易塌、易漏地层，安装井口，控制井喷，支撑中层套管和产层套管。 中层套管:用以封隔用钻井液难以控制的复杂地层，保证顺利钻井。 产层套管:用以将产层与其它地层以及不同压力的产层分隔开，形成煤层气流通

12、通道，保证长期生产，满足开采和储层压裂的要求。 表层套管的下入深度要足以消除钻进问题，但不能将表层套管或中层套管下过打算完井的目标煤层段。,套管类型,表层套管主要用途： 封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层；安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。 下深位置：根据钻井的目的层深度和地表状况而定，一般为上百米甚至上千米。 中层套管主要用途：在表层套管和生产套管之间由于技术要求下入的套管，可以是一层、两层或更多层。 主要用来封隔不同地层压力层系或易漏、易塌、易卡等井下复杂地层。 产层套管主要用途：用以保护生产层，提供煤层气生产通道。 下深位置：由目的层位置及完井方式而定。,套管用途,了解了套管的定义后，固

13、井过程要求对井身结构有充分了解才能去采用相应的措施去固井段固井。,图3-8-1-1 套管类型 （a）正常压力井；（b）异常压力井,井身结构,井身结构是指一口井下入套管的层次、尺寸、深度，各层套管相应的钻头尺寸以及各层套管的水泥返高。,套 管 井 径 钻 头 尺 寸 常 用 组 合,1、能有效的保护产层，使不同压力梯度的产气层不受泥浆污染损害。 2、应避免漏、喷、塌、卡等复杂情况产生，为全井顺利钻进创造条件，使钻井周期最短。 3、钻下部高压地层是所用的较高密度泥浆产生的液柱压力，不致压裂上一层套管处薄弱的裸露地层。 4、下套管过程中，井内泥浆液柱压力和地层压力之间的压差，不致产生压差卡套管事故,

14、井身结构确定的原则及依据,对井身结构有了一定的了解，固井？ 设计套管柱？,1)套管柱受力计算 下入井内的套管柱，在固井和以后的生产过程中,受到各种外载的综合作用。其中最主要的是轴向拉力、外挤压力和内压力。 （1）轴向拉力 套管柱在井内承受的轴向拉力主要由套管柱的自重和井内钻井液浮力组成。由下至上逐渐增大，井口处达到最大，其值可由下式计算 式中:W井口处的轴向拉力（N）； L-套管柱长度（ m ）； q包括接箍在内套管每米重量N/m) ; m井内钻井液密度(kg/m3) ; g-套管钢材密度(kg/m3)。,套管柱受力分析,2)外挤压力 套管柱所受外挤压力，主要是钻井液液柱压力或地层流体压力。其

15、值由上而下逐渐增大。外挤压力可由下式计算:,式中： Pc:井下套管柱在某一点所受的外挤压力 m:固井时钻井液密度(kg/m3 ) f:地层流体密度(kg/m3) H1:水泥返高以上套管柱长度(m) H2:水泥封固段内套管柱长度(m) g:重力加速度(9.81m/s2) 上式计算所得外挤压力减去套管内流体所产生的压力，则为该点套管实际所承受的外挤压力。,3)内压力 内压力是井下套管柱受到套管内流体施加的压力 以及特殊作业(如压裂、挤水泥)所施加的压力。由于地层压 力难以预先确定，所以套管柱内压力确定是困难的。 由于煤层气井较浅，地层压力较小 一般石油套管的抗内压强度都大于抗外挤强度，内压力的确

16、定及套管抗内压设计的问题不突出，可以不进行内压力计算 但对于某些高压煤层，进行内压力计算也是必要的。,对于在高压煤层区所钻的煤层气井，以井口压力及套管内、外压差之和 来计算有效内压力。 当套管内、外钻井液密度相等时，整个套管柱内压力相等，即为井口压 力;当套管柱内、外钻井液密度不等时，则套管内压力为井口压力及套 管内、外压力差之和。 在井深L1处套管的内压力PL1的计算式如下 式中 PL1：井深L1处套管内压力(Pa); Gb:上覆岩石压力梯度（Pa/m); L:井深(m); L1:计算点井深(m); Gg:天然气压力梯度Pa/m); m:套管外钻井液密度(kg/m3); g:重力加速度(9.

17、81m/s2),套管柱设计是在套管柱受力分析的基础上，再根据套管本身所具有的强度，建立一个安全经济的平衡关系，通式为 安全系数外载套管强度 1.首先根据套管柱在不同井深所受外载（外挤压力、轴向拉力和内压力），可根据井下具体情况计算出来； 2.安全系数确定：根据套管强度的计算方法、室内套管强度实验、井下套管柱受力状况以及套管柱设计方法等并结合经验来确定。 3.根据上式计算不同井深所需套管强度。 4.由通式算出不同井深所需套管强度，再由“套管强度数据表”查出各井段所需的不同钢级、壁厚和扣型的套管，这样便可设计出所需的套管柱。,套管柱的设计,(1) 确定不同外载安全系数,安全系数取值,抗外挤安全系数

18、：1.001.50，常用的为1.125,抗拉安全系数：1.502.00，常用的为1.80,抗内压安全系数：1.001.75，常用的为1.10,有关研究单位经过实验研究给出了一般安全系数的范围：,2、套管柱等安全系数设计法 套管柱设计方法有等安全系数法、边界负荷法和最大载荷法。目前国内外普通用等安全系数法。 所谓等安全系数法，即在套管柱上各段的最小安全系数等于 （或大于）所规定的某个安全系数值。,图3-8-2-6套管柱受力示意图,轴向拉力、外挤压力及内压力在套管柱各截面上不是均匀分布的。轴向拉力自下而上增加；外挤压力自下而上减小；内压力从有效内压力（内压力与外挤压力的差值）来看，一般总的趋势自下

19、而上增加。,在设计中为了达到既安全又经济的原则，整个套管柱应由不同钢级、壁厚和扣型的套管所组成，使各段套管柱最小安全系数等于（或大于）所规定的安全系数值（即等安全系数法）。 为了避免反复计算和设计，在煤层气井中，先对下部（自下而上）进行抗挤设计，而后对上部（自下而上）进行抗拉设计，最后校核抗内压强度。 在煤层压力较高的煤层气井，则首先进行抗内压设计，选出满足抗内压强度的套管，然后再进行抗挤和抗拉设计。,掌握基础数据包括套管尺寸、下入深度、钻井液密度、水泥返高及套管强度性能表。 根据外挤压力和抗拉安全系数确定下部第一段套管的钢级和壁厚。 式中 H1：第一段套管下入深度; Pb:套管在井底所受外挤

20、压力(Pa); m:套管外钻井液密度(kg/m3); g:重力加速度(9.81m/s2）,套管柱的设计步骤和方法:,下部第一段套管的抗外挤强度必须大于或等 于井底外挤压力与抗外安全系数之积，即 式中: Pc1:第一段套管的抗外挤强度(Pa); Sc:抗外挤安全系数。 根据Pc1 则可由套管强度性能表中选出下部第一段 套管。, 确定第二段套管可下深度和第一段套管的实际下入深度。 由于外挤压力愈往上愈小，第二段套管可选纲级或壁厚较低的套管，其可下深度由下式确定 式中 H2：第二段套管的可下深度(m) ; Pc1:第二段套管的抗外挤强度(Pa); 第一段套管实际下入长度由下式确定 L1H1H2 式中

21、L1：第一段套管实际下入长度(m) o, 按抗拉强度设计确定上部各段套管。 设自下而上第i段以上各段套管总重量为 该段套管抗拉强度为Pji ,第i段套管顶截面的抗拉安全系数为ST，则第i段套管长度的计算公式为,式中 Li:第i段套管可下入长度(m); Qbi：第i段套管单位长度浮重(N/m); Pji：第i段套管的抗拉强度(N); ST：抗拉安全系数; 第i段以下各段套管的总重量(N),抗内压安全系数校核。 式中 Pi:井口套管的抗内压强度(Pa); Ps:井口内压力(Pa); Si:抗内压安全系数。,我们对套管设计的受力分析有了一定了解，现在？,几个概念与标准 油井水泥：是封固井眼与套管环空

22、的主要材料，由于井下温度和压力与地表有很大差别，因此油井水泥与普通建筑水泥在矿物成分、理化性质等方面都有较大的差别。为了区分固井用水泥与普通建筑水泥，把固井用水泥叫做油井水泥。 水泥浆：油井水泥配制成的可泵送的浆体，叫水泥浆。 注水泥：水泥浆通过套管内注入井，再用钻井液或清水将水泥浆顶入套管与井眼环空某一预定高度的作业。 水泥返高：水泥面在套管与井眼环空的高度。,固井材料,1、油井水泥的主要成分 （1）硅酸三钙3CaOSiO2。（简称C3S） 水泥的主要成份，一般的含量为 4065。 对水泥的强度，尤其是早期强度有较大的影响。 高早期强度水泥中含量可达6065，缓凝水泥中含量在4045。 （2

23、）硅酸二钙2CaOSiO2（简称C2S）， 含量一般在2430之间； 水化反应缓慢，强度增长慢； 对水泥的最终强度有影响。,（3）铝酸三钙3CaOAl2O3（简称C3A） 促进水泥快速水化； 其含量是决定水泥初凝和稠化时间的主要因素； 对水泥浆的流变性及早期强度有较大影响； 对硫酸盐极为敏感；对于有较高早期强度的水泥，其含量可达15。 （4）铁铝酸四钙4CaOAl2O3Fe2O3（简称C4AF）， 对强度影响较小，水化速度仅次于C3A， 早期强度增长较快，含量为812。 除了以上四种主要成份之外，还有石膏、碱金属的氧化物等。,2、水泥的水化 水泥与水混合成水泥浆后，与水发生化学反应，生成各种水

24、化产物。逐渐由液态变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。 （1）水泥的水化反应 水泥的主要成分与水发生的水化反应为： 3CaO SiO22H2O2CaO SiO2 H2O十Ca(OH)2 2CaO SiO2H2O 2CaO SiO2 H2O 3CaO Al2O36H2O 3CaO Al2O3 6H2O 4CaOAl2O3Fe2O36H2O 3CaOAl2O36H2OCaOFe2O3H2O 除此之外还发生其他二次反应，生成物中有大量的硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。在反应的过程中，各种水化产物均逐渐凝聚，使水泥硬化。,（2）水泥凝结与硬化 溶胶期：水泥与水混合成胶体液，开始发生水化反应，水化产物的

25、浓度 开始增加，达到饱和状态时部分水化物以胶态或微晶体 析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流动性。 凝结期：水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及微晶 体大量增加，晶体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶体系。水泥 浆变绸，直到失去流动性。 硬化期：水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，强度 增加，硬化成为水泥石。 （3）水泥石组成 无定性物质（水泥胶），它具有晶体的结构，颗粒尺寸大体在0.lmm左右，互相连接成一个整体。 氢氧化钙晶体，是水化反应的产物。 未水化的水泥颗粒。,A级：深度范围 01828.8 m，温度76.7。 B级：深度范围 01828.8 m，属中热水泥，温度至 76.

26、7，有中抗硫和高抗硫两种。 C级：深度范围01828.8 m，温度至 76.7，高早期强度水泥，分普通、中抗硫及高抗硫三种。 D级：深度范围1828.83050 m，温度76127，用于中温、中压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。 E级：深度范围 30504270 m，温度76143，用于高温、高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。 F级：深度范围为 30504880 m，温度 110160，用于超高温和超高压条件，分为中抗硫及高抗硫两种。 G级及H级：深度范围为 02440 m，温度093，分为中抗硫及高抗硫两种。 J级：深度范围为 36604880 m，温度49160。,API水泥的分类,国产以温

27、度系列为标准的油井水泥,1、水泥浆性能 水泥浆密度 干水泥密度 3.053.20 gcm3， 水泥完全水化需要的水为水泥重量的20左右； 使水泥浆能流动加水量应达到水泥重量的4550； 水泥浆密度1.80 1.90 gcm3之间。 水灰比：水与干水泥重量之比。 水泥浆的稠化时间 水泥浆从配制开始到其稠度达到其规定值所用的时间。 API标准：从开始混拌到水泥浆调度达到 100 BC（水泥稠度单位）所用的时间。 API标准中规定在初始的 1530 min时间内，稠化值应当小于 30 BC。好的稠化情况是在现场总的施工时间内，水泥浆的稠度在50 BC以内。,水泥浆性能与固井的关系,水泥浆的失水 一般

28、用30分钟的失水量表示。 水泥浆的凝结时间 从液态转变为固态的时间。 对于封固表层及技术套管，希望水泥能有早期较高的强度。以便于尽快开始下一道工序。通常希望固完井候凝 8 左右，水泥浆开始凝结成水泥石，其抗压强度可达2.3MPa以上即可开始下一次开钻。 水泥石强度 能支撑和加强套管。 能承受钻柱的冲击载荷。 能承受酸化、压裂等增产措施作业的压力。 水泥石的抗蚀性 C3A3%，C4AF+2C3A 24% 加入矿渣、石英砂等提高抗硫能力。,2、水泥的外加剂 （1）加重剂：重晶石、赤铁粉等。可使水泥浆密度达到 2.3 gcm3。 （2）减轻剂：硅藻土、粘土粉、沥青粉、玻璃微珠、火山灰等。可使水泥浆的

29、密度降到l 45 gm3。 （3）缓凝剂：丹宁酸钠、酒石酸、硼酸、铁铬木质素磺酸盐、羧甲基羟乙基纤维素等。 （4）促凝剂：氯化钙、硅酸钠、氯化钾等。 （5）减阻剂：奈磺酸甲醛的缩合物、铁铬木质素磺酸盐、木质素磺化钠等。 （6）降失水剂：羧甲基羟乙基纤维素、丙烯酸胺、粘土等。 （7）防漏失剂：沥青粒、纤维材料等。,3、特种水泥 （1）触变性水泥：当水泥浆静止时，形成胶凝状态，但在流动时，胶凝状态被破坏，它的流动性是良好的。 （2）膨胀水泥：水泥浆凝固时，体积略有膨胀。一般用于高压气井。 （3）防冻水泥：用于地表温度较低地区的表层套管固井。 （4）抗盐水泥 （5）抗高温水泥 （6）轻质水泥,提高注

30、水泥质量的措施 1、对注水泥质量的基本要求 （l）对固井质量的基本要求 水泥浆返高和水泥塞高度必须符合设计要求； 注水泥井段环空内的钻井液顶替干净； 水泥石与套管及井壁岩石胶结良好； 水泥凝固后管外不冒油、气、水，不互窜； 水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。 （2）在固井中常出现的固井质量问题 井口有冒油、气、水的现象。 不能有效地封隔各种层位，开采时各种压力互窜。 因固结质量不良在生产中引起套管变形，使井报废等。,2、影响注水泥质量的因素 （1）顶替效率低，产生窜槽。 注水泥段： 注水泥段任一截面： 窜槽：由于水泥浆不能将环空中的钻井液完全替走，而使环形空间局部出现未被水泥浆封固住的这种现象

31、。 形成窜槽的原因： 套管不居中； 井眼不规则； 水泥浆性能及顶替措施不当。 接触时间、顶替速度及流态、水泥浆流变性等。,3、提高注水泥质量的措施 （1）提高顶替效率，防止窜槽； 采用套管扶正器，改善套管居中条件； 注水泥过程中活动套管，增大水泥浆流动的牵引力 调整水泥浆性能，使其容易顶替钻井液； 注水泥过程中使水泥浆在环空的流动形成紊流或塞流，有利于水泥浆的顶替； 在注水泥前，打入一定量的隔离液或清洗液，增加二者的密度差，形成有利的“漂浮”。 （2）防止油气水上窜 采用多级注水泥或两种凝速（上慢下快）的水泥； 注完水泥后及时使套管内卸压，并在环空加回压； 使用膨胀性水泥，防止水泥收缩； 使用

32、刮泥器，清除井壁泥饼。,根据我们对水泥的大概了解，煤层气井需要啥样的固井水泥？,适合于煤层气井固井的油井水泥主要有API系 列的A级水泥,G级水泥和在这两种水泥中加入 降重剂的低密度水泥。,煤层气井固井的油井水泥,1）A级水泥：是以水硬性硅酸盐为主要成分的水泥熟料，加入适量石膏和助磨剂磨制成的水泥。 特点：施工无特殊要求时用于井深1830m以内的煤层气井，当水灰比为0.46时，每吨水泥可配制密度为1870kg/m3的纯水泥浆0. 67m3。纯水泥石24h抗压强度为17MPa以上。,2)G级水泥：是以水硬性硅酸盐为主要成分的水泥熟料，加入适量的石膏或石膏及水，磨细制成的水泥。在粉磨和混合水泥过程

33、中不允许掺加任何其它外加剂。 特点：用于井深2440m以内的煤层气井。当水灰比为0.44时，每吨水泥可配制密度为1890kg/m3的纯水泥浆0.65m3。纯水泥石24h抗压强度为16MPa以上。,3) 空心微珠低密度水泥:是由基本油井水泥加入空心微珠配制而成的水泥。 特点：空心微珠的加量根据井下实际情况 确定，当空心微珠重量与水泥重量之比为30-50%，水灰比为0.7-0.8，不加入其它外 加剂时，其水泥浆密度可在1100-1500kg/m3之间调整。水泥石24h抗压强度可达到3.2- 7.0MPa之间。,概念： 水灰比:配制水泥浆时，水与水泥的重量比。 水泥浆的主要成分是水泥、水和化学剂。

34、为了满足固井施工和后期作业的要求，配制的 水泥浆必须达到所规定的性能要求。,水泥浆性能及调整,水泥浆密度:是指单位体积水泥浆的质量，单位kg/m3。 施工要求： 水泥浆密度不能低于该井段钻井液的密度，也不能大于地层 破裂压力梯度当量钻井液密度。 水泥浆密度过低，水泥石强度低，水泥浆密度过高容易 压漏地层，对煤层造成伤害。 煤储层压力较低，在保证水泥石具有足够强度的前提下， 应尽量降低水泥浆密度。 降低水泥浆密度的方法主要有:提高水灰比、加入降重材料 (如空心微珠、粉煤灰等)。,2）水泥浆失水：是指水泥浆滤液进入地层的多少，单位mL。 水泥浆失水过大，在注水泥过程中水泥浆出现“瞬凝”; 降低水泥

35、浆流动性能; 滤液进入煤层增大对煤层的伤害。 要严格控制水泥浆失水量！ 在生产层套管固井时，失水量一般不要超过200mL。 降低水泥浆失水是向水泥浆中加入降失水剂。 常用的降失水剂有乙基合成龙胶、羧甲基乙基纤维素和萘黄 酸钠盐等。,3）水泥浆稠化时间及初始稠度： 水泥浆的稠化时间:指水泥浆在规定的温度和压力条件下，从开始搅拌至 稠度达到100BC所需要的时间。 水泥浆的初始稠度:水泥浆配浆后开始阶段的流动性能。 一般要求在35-30min内，其稠度值应小于30BC。 实际施工时希望控制在10BC以内。 水泥浆稠化时间和初始稠度是表明水泥浆流动特性的指标，稠化时间 应一般控制在注水泥施工时间加1

36、-1.5h之内。 泥浆稠化时间可用速凝剂和缓凝剂调整。 缩短水泥浆的稠化时间可加入速凝剂，如氯化钙、氯化钠、甲酰 胺、硅酸钠、铝酸钠等; 要延长其稠化时间时可加入缓凝剂，如丹宁酸钠、硼酸、腐植酸铁、磺 化褐煤等。,水泥石抗压强度:指水泥浆凝固后变成固体(水泥石) 所能承受压力的大小，单位MPa。 抗压强度表明了井下水泥环的力学性质，水泥环必须具有足 够的抗压强度，以保证后期作业(如压裂)的顺利进行和长期 生产过程中的层间封隔作用。 封固技术套管时，水泥石的抗压强度不得低于3.5MPa 封固产层套管时，其抗压强度不得低于7.0MPa 压裂时，水泥石的抗压强度不能低于14.0MPa.,针对煤层气固

37、井水泥有所了解后，选择固井方法？,煤层气井固井特点:煤层裂隙和微裂缝发育，固井水泥浆对 煤层污染大，保护煤层要求高； 煤储层压力和破裂压力低，易发生井漏，要求水泥浆液柱 压力低; 煤层破碎，均质性差，易垮塌造成煤层段井径大，固井水 泥环厚; 煤层气井一般都要先压裂后投产，要求水泥封固好，水泥 环强度高。 煤层气井固井不能完全照搬油气井的固井方法，应以保护 煤层为主要出发点。,固井方法,国内外研究和实践证明，煤层气井固井宜采用以下几种固井方法。 1）常规水泥控制返高 常规水泥控制返高：指采用普通油气井水泥配制密度为1850 kg/m3左右的水泥浆来封固煤层。 进行注水泥设计时以煤储层压力为主要依

38、据，以水泥浆液柱压力与煤储层压力基本平衡为目的，确定水泥返高。 将水泥浆失水控制在200mL以内，以降低对煤层的伤害。 为了保证水泥环有足够的强度，能经受压裂和煤层气井长期生产的考验，水泥一般要返至煤层顶板以上300500m。,固井方法,2)低密度水泥浆固井 低密度水泥固井：普通油气井解决固井作业中井漏和对煤层伤害问题的一 种有效方法。低密度水泥浆(约1.34g/cm3)是指密度低于常规油气井水泥浆 密度(约1.85g/cm3 )。 宗旨：降低水泥浆液柱压力对煤层的伤害。 技术关键：水泥降重材料的选择和水泥浆配方的研究。 根据不同的降密度材料，常用的低密度水泥有空心微珠水泥、泡沫水泥和 火山灰

39、水泥等。 空心微珠水泥浆、粉煤灰水泥浆，是在水泥浆配制时加入固体降重材料 泡沫水泥浆、充气水泥浆是在水泥浆配制时加入发泡剂或空气。 加入固体降重材料的低密度水泥石强度高、施工工艺技术简单、成本低 泡沫水泥浆和充气水泥石强度低、施下工艺复杂、成本高。,对于煤层气井固井宜使用固体降重材料的低密度水泥浆。 在使用固体降重材料的低密度水泥浆中，加入粉煤灰对降 低水泥浆密度效果低，其水泥浆密度只能控制在l.60g/cm3 , 不能满足煤层气近平衡固井的要求 空心微珠低密度水泥浆水泥石强度高、密度低，能有效地 降低水泥浆的液柱压力，对煤层污染小，是较为理想的煤 层气井固井水泥浆。,空心微珠低密度水泥浆固井

40、技术,空心微珠：粉煤灰燃烧过程中的熔融灰分在表面张力作用下团缩而成的空心球体。,空心微珠主要物化性能,3)分级注水泥 分级注水泥固井是针对低压低渗储层的固井技术。 它是在套管柱中加上一个分级注水泥接头也叫分级 箍，分级注水泥接头安放在煤层以上200-250m。 优点是可降低水泥浆液柱对煤层的压力，从而降低 固井时出现井漏的可能性，有利于保护煤层，保证 固井安全，提高固井质量。,4)绕煤层固井 绕煤层固井：指在注水泥过程中，当水泥返到目的 煤层底部时，利用套管柱上安装的绕煤层固井工具将 水泥浆引入井内，在非目的煤层部位又将水泥浆引到 环空。 优点：水泥浆不与煤层接触，避免了水泥浆渗入煤层 造成对

41、煤层伤害。 适用范围：对于单煤层或主煤层较厚的多煤层，采用 绕煤层固井是一种较好的方法。 国内目前绕煤层固井的工具，有待于进一步研究。,经济高效学习？还需要注意什么？,1)水泥量计算 水泥浆总量按下式计算 Vc=Vc1+Vc2 式中: Vc:注入水泥总量(L) Vc1:环空水泥浆量(L) Vc2:管内水泥塞用量(L),固井的有关计算,水泥用量计算按下式计算 Qc二(1. 05一1.10) Vc/q 式中Qc总水泥袋数; q每袋水泥配成水泥浆的容积，可根据配方实测并计算。,2)配浆用水量计算 配浆用水量按下式计算 VH=Qcm 式中VH:理论用水量(m3); m:水灰比; Qc:总水泥量(t)。

42、,3)替泥浆量计算 替泥浆量按下式计算 Vu=0.7854K (l1d12+ l2d22 + lndn2) 式中 Vu:替泥浆总量(L); l1，ln ：不同壁厚套管长度(m); d1， dn不同壁厚套管内径(cm); K压缩系数，一般取1. 03。,4)注水泥流动阻力降计算 注水泥井口压力为压力表指示的读数，它包括 管内外的循环流动阻力及管内外静液柱压差。 替泥浆的最大压力，还包括胶塞接触阻流环 碰压时的突增压力。 经验数据:地面管汇流动阻力取0.5MPa， 碰压突增压力取3.0-5.0MPa。 管内压力降按下式计算 P10.00981hf,hf=(l1v12/d1+lnvn2/dn)/2g

43、,实际计算时，取套管内径和流速的平均值。,式中 P1:管内流动阻力产生的压力降(MPa) :管内流体密度(g /cm3 ); hf:管内流动水力损失高度(m) ; :流体摩阻系数，一般取0.025-0.030; l1，ln:不同壁厚套管长度(m); d1， dn:不同壁厚套管内径(m); v1， vn:不同壁厚套管内流体流速(m/s) ; G:重力加速度(9.81m/s2),环空压力降按下式计算 P2=0.00981hf hf =(H1v12/(D1-d)+H2v22 /(D2-d)/(2g) 式中P2:环空流动阻力产生的压力降(MPa) ; :环空流体密度(g/cm3); hf :环空流动水

44、力损失高度（m） :流体摩阻系数,一般取0.025; H1:裸眼井段长度(m); D1:裸限井段平均井径(m): D2:外层套管内径(m); d:套管外径(m); v1:裸眼井段环空平均流速(m/S) v2:双层套管环空平均流速(m/S) g重力加速度(9. 81m/s2),套管内外静液柱压差按下式计算 式中:P3套管内外静液往压差(MPa) ; :套管内外水泥浆平均密度(g/cm3 ) : 顶替用钻井液密度(g/cm3) H套管外水泥浆高度(m)。,注水泥最高泵压按下式进行校核 Pmax=P1+P2+P3+(35) 式中: Pmax：注水泥最高泵压(MPa) 35 MPa系指碰压突增载荷。

45、为了控制最高泵压，现场施工中常常在替浆末期 降低泵入排量。 这样可有效降低环空流动阻力产生的压降，保证施 工安全。对计算值进行校核，当环空流动阻力产生 的压降P2加环空静液柱压力P3小于地层破裂压力时， 则不会压漏地层。,水泥浆的密度，必须严格控制在一定范围之内。密度低 了，水泥浆的性能保不住；密度高了，会压漏地层，污 染或封死煤层。 入井的水泥浆量也必须精确计量，压力是多少？瞬间排 量多大？流量多少？都要及时观察并汇总这些数据。 水泥浆封固段高低误差超出规定的界限，该封的封不住 ，该固的固不了，麻烦就大了，重者不仅会导致煤层气 井报废，甚至会污染煤层气产层，影响勘探的发现。 密度、排量、总量 固井技术,