李全雙，彭金龍，閆聯(lián)國，李曉黎

（中國石化華東石油工程有限公司固井分公司，江蘇揚(yáng)州225000）

延川南煤層氣井固井漏失分析及防漏技術(shù)探討

李全雙，彭金龍，閆聯(lián)國，李曉黎

（中國石化華東石油工程有限公司固井分公司，江蘇揚(yáng)州225000）

煤層氣作為我國一種新型的非常規(guī)能源，備受國內(nèi)石油行業(yè)的重視，但我國煤層氣具有“高儲低滲”的特點(diǎn)，在煤層氣完井方式上隨地區(qū)不同而不同。山西延川南區(qū)塊煤層氣井以叢式定向井為主，完井方式采用套管完井，故此區(qū)塊的煤層氣開發(fā)需要環(huán)空注水泥封固后，采用分段壓裂方式進(jìn)行增產(chǎn)改造。介紹了延川南煤層氣井固井過程中發(fā)生漏失的情況及其原因分析，提出針對該區(qū)塊煤儲層條件固井防漏技術(shù)措施，研究一套能夠降低固井漏失風(fēng)險(xiǎn)的固井工藝。

煤層氣井；固井漏失；固井工藝；頂替效率；水泥漿體系

1 延川南區(qū)塊煤層氣井特征及漏失情況

延川南區(qū)塊煤層氣所在構(gòu)造屬于鄂爾多斯盆地東南緣萬寶山構(gòu)造帶，隸屬于渭北隆起和晉西擾褶帶交匯區(qū)。此區(qū)塊的煤儲層特性同其他區(qū)塊煤儲層一樣，具有“高儲低滲”、低壓、煤層呈割理發(fā)育[1]，易受壓縮，非均質(zhì)性強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度低，力學(xué)穩(wěn)定性差，楊氏模量?。?.1～6.8）×103MPa[2]，泊松比通常在0.2～0.3，在外力作用下極易破碎等特點(diǎn)。

本區(qū)塊煤層氣井井深在600～1 600 m，主要地層自上而下依次為新生界第四系，中生界三疊系（二馬營組、和尚溝組、劉家溝組），古生界二疊系（石千峰組、上石盒子組、下石盒子組、山西組），石炭系（太原組、本溪組）和奧陶系（馬家溝組）。采用平臺叢式井井網(wǎng)方式進(jìn)行定向井開發(fā)，鉆探目的是整體開發(fā)延川南煤層氣田，探索致密砂巖氣。煤層氣井鉆井完鉆原則是鉆穿山西組2號煤層以下40 m，采用套管完井方式，后期采用套管射孔分段水力壓裂方式來增產(chǎn)開發(fā)。二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組為本區(qū)塊主要含煤地層，山西組發(fā)育2號煤層是目前本區(qū)塊的主力開發(fā)層。

1.1 固井封固要求

延川南煤層氣井采用二開制井身結(jié)構(gòu)及套管完井方式，其井身結(jié)構(gòu)及封固要求見表1。一開以鉆穿基巖層20 m完鉆，二開則鉆穿2號煤層以下40 m完鉆，為保證后期開發(fā)，需要進(jìn)行固井作業(yè)對套管與井壁間的環(huán)空進(jìn)行注水泥封固，并保證封固質(zhì)量，以滿足分段壓裂要求。

二開生產(chǎn)套管固井主要要求封固致密砂巖氣頂層以上150 m至井底位置。

1.2 固井漏失情況

通過2013年至2014年500多口井的固井統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合封固段長，固井過程發(fā)生井下漏失情況統(tǒng)計(jì)。

表1 井身結(jié)構(gòu)及封固要求Table 1Bore frame and cementing requirements

表2 延川南區(qū)塊煤層氣井固井漏失情況統(tǒng)計(jì)Table 2Leakage statistics in the process of cementing of coalbed methane wells in south Yanchuan

從表2所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可以看出，隨著延川南煤層氣井不斷開發(fā)，工區(qū)內(nèi)井網(wǎng)加密，2014年固井過程發(fā)生漏失情況越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致水泥低返現(xiàn)象也相應(yīng)增加，影響了固井質(zhì)量，固井漏失率從去年的6.5%上升到今年上半年的19.5%，今年上半年水泥低返井口數(shù)相比去年全年增加了1倍，固井漏失對固井質(zhì)量的影響極大。

2 固井發(fā)生漏失的原因分析

通過延川南工區(qū)2013年至2014年上半年固井過程發(fā)生井下漏失情況的統(tǒng)計(jì)分析得出：發(fā)生的漏失井越多，導(dǎo)致水泥漿低返現(xiàn)象就越多，固井質(zhì)量無法保證，尤其是上部致密砂巖氣層封固質(zhì)量不佳，加大腐蝕性氣體對套管的侵蝕，影響后期煤層氣的排采。下面針對固井過程發(fā)生漏失的原因進(jìn)行初步分析。

固井過程發(fā)生井漏的原因有多種類型，延川南工區(qū)煤層氣井固井漏失以滲透性和裂縫性漏失為主，主要表現(xiàn)在固井施工過程中水泥漿進(jìn)入環(huán)空后，開始進(jìn)行替漿或替漿過程期間發(fā)生井口返漿量變小或失返。延川南工區(qū)固井漏失的原因分析主要從以下幾點(diǎn)展開。

2.1 地質(zhì)條件特殊性

延川南區(qū)塊煤層氣井目的層及上部地層屬于低壓地層，尤其是三疊系下統(tǒng)劉家溝組、二疊系上統(tǒng)石千峰組和上石盒子組，是漏失發(fā)生最頻繁最嚴(yán)重的層位，其地層主要巖性組成包括砂質(zhì)泥巖、砂礫巖、泥巖細(xì)砂巖及粉砂巖互層等，既屬于破裂壓力低的地層，同時還是微裂縫比較發(fā)育的地層。

部分井在鉆井過程中打開地層裂縫系統(tǒng)，發(fā)生鉆井液漏失，鉆井隊(duì)的堵漏材料進(jìn)行堵漏，只能在一定程度上滿足繼續(xù)鉆進(jìn)的要求，而不能滿足密度遠(yuǎn)大于鉆井液密度的水泥漿在環(huán)空流動時動液柱壓力條件下的承壓要求[3]。

2號煤層屬于高階煤層，具低滲、低孔、低壓、非均質(zhì)性強(qiáng)、脆性強(qiáng)及煤層破裂壓力差異性大等特點(diǎn)，在固井施工過程中也同樣因環(huán)空靜液柱壓力較大而發(fā)生滲漏甚至是直接漏失[4]。

2.2 鉆井液性能不滿足要求

延川南煤層氣井鉆井所用的鉆井液對井壁穩(wěn)定性和井下漏失產(chǎn)生很大影響。主要表現(xiàn)在幾個方面：①部分井隊(duì)直接用近乎清水的鉆井液鉆進(jìn)，對井壁侵泡得非常嚴(yán)重，清水進(jìn)入上部疏松地層或微裂縫發(fā)育地層導(dǎo)致局部地層水化，引起井壁坍塌甚至是將微裂縫轉(zhuǎn)變成裂縫，從而引起地層漏失；②為控制成本，鉆井液所用外摻材料不合格，鉆井液性能不滿足鉆進(jìn)需要，無法形成有效的泥餅來保護(hù)井壁穩(wěn)定，同時也滿足不了充分?jǐn)y砂清洗井筒的要求，導(dǎo)致井筒不暢通，循環(huán)摩阻加大；③鉆井液性能不滿足要求，無法充分?jǐn)y巖及清洗井筒，故部分井隊(duì)則盲目提高循環(huán)排量，增大循環(huán)摩阻，導(dǎo)致鉆井液液柱動壓力大于地層裂縫垂向應(yīng)力，從而打開裂縫系統(tǒng)，導(dǎo)致漏失。

2.3 水泥漿密度高

目前國內(nèi)煤層氣井固井水泥漿體系已經(jīng)脫離出常規(guī)井固井所用的體系，各地區(qū)已經(jīng)初步形成合適的水泥漿體系，但為保證固井質(zhì)量，水泥漿體系的優(yōu)選還有待進(jìn)一步深入研究，優(yōu)選更適合煤層氣井低壓特征的低密度水泥漿體系。

延川南工區(qū)煤層氣井固井所用水泥漿體系采用雙密度—雙凝體系，其中領(lǐng)漿低密度采用1.65 g/cm3，尾漿采用1.85 g/cm3，總體來說，水泥漿密度遠(yuǎn)大于鉆井液密度，對地層產(chǎn)生的靜液柱壓力大大增加，很容易引起地層滲漏甚至是漏失[5]。

以W118-1平臺延6-38-38井為例：

完鉆井深：1 586 m，煤層位置：1 542.4～1 547 m，油氣層頂：1 201.4m，設(shè)計(jì)水泥漿返高：1 050 m，鉆頭×套管直徑：215.9 mm×139.7 mm，井徑擴(kuò)大率：4.1%。根據(jù)固井設(shè)計(jì)要求，尾漿封固1 386～1 586 m（段長200 m），領(lǐng)漿封固1 050～1 386 m（段長336 m），泥漿密度1.08 g/cm3。

復(fù)雜情況：本井在鉆進(jìn)至S點(diǎn)（1 372 m）時發(fā)生井下漏失，在固井過程中，開始替漿時井口失返，井下發(fā)生漏失，最終碰壓前壓力為2.5 MPa，根據(jù)對S點(diǎn)位置進(jìn)行理論壓力計(jì)算。

固井前靜液柱壓力：Ps1=ρmgHs=1.08×9.81×10-3× 1 372=14.54 MPa。

固井后靜液柱壓力：Ps2=ρmgHs1+ρsgHs2=（1.08× 1 000+1.65×372）×9.81×10-3=16.62 MPa。

其中，Ps1為環(huán)空流動液體全部為鉆井液時S點(diǎn)的靜液柱壓力，MPa；Ps2為固井后，環(huán)空流動液體由鉆井液和水泥漿兩部分組成時S點(diǎn)的靜液柱壓力，MPa；ρm，ρs分別為鉆井液密度和水泥漿密度，g/cm3；Hs為S點(diǎn)環(huán)空鉆井液液柱長度，m；Hs1，Hs2分別為環(huán)空內(nèi)鉆井液和水泥漿液柱長度，m；g為重力加速度。

可見，在不考慮環(huán)空摩阻的前提下，Ps2＞Ps1，S點(diǎn)位置固井時容易發(fā)生漏失，經(jīng)固井后碰壓前壓力（2.5 MPa）反推以及CBL聲幅測井結(jié)果顯示，水泥漿低返，地層發(fā)生漏失。

由此可見，鉆井過程中發(fā)生漏失的井，若堵漏措施不到位，由于水泥漿密度遠(yuǎn)大于鉆井液密度，在固井作業(yè)時發(fā)生漏失的機(jī)率很高，造成水泥漿低返，影響固井質(zhì)量。

2.4 固井工藝過程的控制不當(dāng)

通過上述分析，延川南煤層氣井地層對壓力敏感性很強(qiáng)，在固井過程中由于水泥漿流變性能不合理或注替過程中壓力波動較大，可能會增加環(huán)空摩阻和形成瞬時激動壓力，造成壓力薄弱地層的破裂或微裂縫的打開，從而引起地層漏失。

3 延川南煤層氣固井防漏技術(shù)探討

針對延川南工區(qū)煤層氣井固井發(fā)生漏失影響固井質(zhì)量的復(fù)雜情況，通過分析漏失發(fā)生的原因，進(jìn)行技術(shù)探討。

3.1 固井前做好漏層堵漏

鉆井過程中發(fā)生漏失時，要求鉆井隊(duì)能夠準(zhǔn)確查找漏點(diǎn)，優(yōu)選堵漏材料和鉆井液性能，及時進(jìn)行堵漏措施，在固井前循環(huán)鉆井液過程中能夠形成穩(wěn)定的井壁，并充分大排量清洗井筒，提高井筒動態(tài)承壓能力，確保為固井作業(yè)提供穩(wěn)定的井眼條件[6]。

3.2 優(yōu)選水泥漿體系

水泥漿體系的應(yīng)用在固井防漏技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，既要保證固井過程盡可能的降低固井漏失風(fēng)險(xiǎn)，同時還要保證固井質(zhì)量，所以延川南煤層氣井固井防漏技術(shù)，通過以下幾個方面對水泥漿進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1 水泥漿流變性能優(yōu)化

領(lǐng)漿低密度采用低溫早強(qiáng)水泥漿體系，由于煤層埋深較淺，井底溫度及環(huán)空水泥封固段頂部溫度均較低（靜止溫度30℃～40℃），對水泥漿外加劑的選用和用量都有較高的要求，外加劑用量多，尤其是降失水劑和早強(qiáng)劑的使用，影響了水泥漿的流變性能和流動性[7]，導(dǎo)致水泥漿在環(huán)空內(nèi)流動時阻力增大，引起環(huán)空動液柱壓力變大，從而引起地層漏失。

通過室內(nèi)試驗(yàn)調(diào)整，加入分散劑，降低水泥漿的流變參數(shù)，提高流動度，從而減小水泥漿在環(huán)空流動阻力。

根據(jù)表3所示，領(lǐng)漿采用紊流頂替模式，即替漿初期采用大排量頂替，可達(dá)到紊流頂替，尾漿采用塞流頂替模式，既可以降低替漿后期的環(huán)空磨阻，降低漏失風(fēng)險(xiǎn)，也可以提高頂替效率。

表3 調(diào)整流變參數(shù)后的臨界頂替排量對比Table 3Interface displacement comparison before and after rheological parameters adjustment

3.2.2 水泥漿體系調(diào)整

根據(jù)完井要求，調(diào)整水泥漿在環(huán)空內(nèi)的分布，其中減少尾漿設(shè)計(jì)量，設(shè)計(jì)尾漿封固煤層以上50～100 m；領(lǐng)漿則封固上部設(shè)計(jì)封固段，同時增加前置液的量。通過上述水泥漿領(lǐng)尾漿設(shè)計(jì)量的調(diào)整，降低環(huán)空靜液柱壓差，從而降低固井漏失風(fēng)險(xiǎn)。

在滿足固井正常施工的前提下，適當(dāng)縮短水泥漿稠化時間[8]，減少水泥漿在環(huán)空內(nèi)的水化時間，降低水泥漿失水對地層的侵害和失重對水泥石膠結(jié)質(zhì)量的影響[9]。

3.3 優(yōu)化前置液體系

前置液密度低于鉆井液密度，故增加前置液設(shè)計(jì)量可以適當(dāng)降低環(huán)空靜液柱壓力，同時控制前置液失水量和提高流動性，降低環(huán)空摩阻。

3.4 優(yōu)化固井工藝

1）對于井下情況正常的井：通過數(shù)據(jù)模擬，選用合理的頂替排量，采用紊流頂替模式，提高頂替效率。

2）對于鉆井過程中出現(xiàn)復(fù)雜情況的井：針對鉆井過程中出現(xiàn)的漏點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算，優(yōu)化漏失井的固井設(shè)計(jì)，調(diào)整水泥漿體系和頂替排量，適當(dāng)降低頂替排量，可采用塞流頂替模式進(jìn)行。

3）固井注替作業(yè)過程中，操作要平穩(wěn)，更換操作檔位時，要緩慢降低排量，確保施工壓力變化幅度在一定程度內(nèi)，防止固井設(shè)備緊急停泵、開泵等情況下形成激動壓力壓漏地層。

4 結(jié)論

結(jié)合延川南工區(qū)固井發(fā)生漏失情況的原因分析和現(xiàn)場應(yīng)用，初步形成了該工區(qū)降低固井漏失風(fēng)險(xiǎn)的固井工藝措施。

1）鉆井過程中對漏失層要準(zhǔn)確把握，做好堵漏工作，為固井設(shè)計(jì)的優(yōu)化調(diào)整提供參數(shù)。

2）通過調(diào)整水泥漿體系以及前置液的設(shè)計(jì)用量和流變參數(shù)，來降低環(huán)空靜液柱壓力和流動摩阻，從而降低環(huán)空流體動壓力，降低漏失風(fēng)險(xiǎn)，目前在工區(qū)內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用，并取得一定效果。

3）優(yōu)化固井工藝，針對不同情況的井，采用合理的頂替排量，平穩(wěn)操作固井注替過程，防止產(chǎn)生激動壓力。

4）可通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)選出更適合延川南工區(qū)煤層氣井密度更低、性能更好的水泥漿體系，從根本上降低環(huán)空靜液柱壓力，降低漏失風(fēng)險(xiǎn)。

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（編輯：尹淑容）

Cementing leakage analysis and leak protection technology discussion of coalbed methane wells in South Yanchuan block

Li Quanshuang,Peng Jinlong,Yan Lianguo and Li Xiaoli
(The Cementing branch,East China Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Yangzhou,Jiangsu 225000,China)

As a new unconventional energy,coalbed methane(CBM)receives much attention of domestic petroleum industry.Chang?ing with different regions,high storage and low permeability are the present characteristics of CBM in south Yanchuan block.CBM wells are dominated by cluster directional drilling holes,so that casing completion method was adopt.After annulus cementing, staged fracturing are adopted to increase production.This paper introduced leakage situation and its cause analysis in the process of cementing process,proposed cementing and leak protection measures and corresponding technology to reduce the risks.

coalbed methane(CBM)well,leakage in the process of cementing,cementing technology,displacement efficiency,ce?ment slurry system

TE256

A

2014-08-11。

李全雙（1988—），男，助理工程師，固井技術(shù)研究。