CN104074490A - 一种煤层气开发井的固井工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤层气开发井的固井工艺，通过在套管侧壁开孔的下方设置膨胀材料层，同时该套管内部、侧壁开口位置下方设置挡板；在套管下入井筒时，保证膨胀材料层位于煤层上方；在膨胀材料层吸水膨胀后，将第一固井材料注入套管，在挡板和膨胀材料层的阻挡下，第一固井材料不会向下流动侵入煤层；第一固井材料固化后，使用钻头将挡板打开，向套管内注入第二固井材料，第二固井材料沿井底套管与井壁的间隙向上流动，同时保证该材料不进入煤层，注入水，使其反应膨胀凝固。采用上述工艺，避免了由于固井水泥侵入煤层，与煤层一起在套管与煤层间形成“水泥环”的问题，保持了煤层气在套管与煤层间隙中的顺畅流动，提高了煤层气的开采效率。

Description

一种煤层气开发井的固井工艺

技术领域

本发明涉及一种煤层气开发井的固井工艺，属于煤层气套管完井技术领域。

背景技术

煤层气(煤层甲烷Coalbed Methane)是一种储集于煤层空隙或裂缝中在的可燃气体，其热值高、所含污染物少，可作清洁燃料使用。据统计，在我国，仅300-1500m深度范围的煤层中煤层气的储量就高达3.5×10¹³m³，相当于我国天然气的储量。因此，煤层气开采技术的研发对于解决我国的能源短缺和煤炭所带来的环境污染问题具有重要的意义。

煤层气的开采通常包括勘探、钻井和完井技术。其中，完井技术是指当钻井达设计深度后将井与煤层连通起来的技术，主要包括套管射孔完井和裸眼洞穴完井两种方式。套管射孔完井是指钻穿煤层至设计井身，接着下放套管至井底固井，最后射孔，射孔弹射穿套管并穿透至煤层某一深度，建立起煤层气流动通道；裸眼洞穴完井是指下放套管至煤层上表面处，接着固井形成裸眼，通过生产压差或人工施压的作用使裸眼井壁处的煤层被破坏，进而形成物理洞穴，该洞穴增大了煤层气的渗流面积，提高了产量。上述完井技术中的固井工艺通常指向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入固井材料，以固定套管和防止煤层气泄漏的技术。可见固井质量的好坏直接关系到煤层气的质量和产率，因此有关固井工艺的研究也成为煤层气开采研发的重中之重。目前的固井工艺主要采用全固井方法，其使固井水泥浆液加压注入到套管与井壁间的间隙内，直至井口或设计固井位置后停止注入，待固井水泥凝固后，形成套管与地面井壁凝固成一体的结构。如中国专利文献CN101343991B公开了一种单一内径完井井身结构的完井方法，包括在表层裸眼井内下入普通套管与纵向波纹管组合，并在普通套管与纵向波纹管组合外壁与裸眼井壁之间的环形空间注水泥，至水泥返高到预定位置直至水泥凝固；通过打压、使用磨铣工具、钻具等依次连接1-6级膨胀套管和纵向波纹管组合，并通过打压管柱向裸眼井壁和膨胀管之间的环形空间注水泥，至水泥返高到预定位置并直至水泥凝固，形成了普通套管、膨胀套管与裸眼井壁凝固成一体的结构。

虽然上述技术的固井效果牢固；但是，固井过程中固井水泥浆液必然渗入到套管和煤层间的间隙内，由于固井泥浆的压力和钻井过程中对煤层的破坏，固井泥浆必然侵入煤层，据测算在埋深700米的煤层中，煤层气井固井时，固井水泥将侵入煤层400-1500mm，固井水泥侵入煤层后与煤屑、煤炭混合凝固后形成在套管与煤层间固结的“水泥环”，该水泥环的存在极大地阻碍了煤层气向煤层气套管溢出的速度和能力，导致煤层气的流动通道在靠近井筒部分极易被堵塞，降低了煤层气的开采效率，而且即使采用射弹及压裂作业，该“水泥环”仍不容易被破坏，可以稳定存在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术的全固井方法容易在套管与煤层间固结形成“水泥环”，堵塞了煤层气的流动通道，降低了煤层气的开采效率；进而提出一种避免在套管与煤层间固结形成“水泥环”的煤层气开发井的固井工艺。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种煤层气开发井的固井工艺，包括

(1)在煤层上方的套管侧壁上设置开口；在套管内，煤层上方、所述开口的下方设置挡板，所述挡板将所述套管内部密封分隔为两部分；

(2)在开口下方或靠近开口的套管外侧设置一圈膨胀材料层，所述膨胀材料层于膨胀状态下密封填充满所述套管壁与井壁之间的间隙；

(3)将第一固井材料注入所述套管内并经所述开口流至所述膨胀材料层之上的套管壁与井壁间的间隙内，待第一固井材料固化后，撤去所述挡板或沿套管轴向打穿所述挡板；

(4)将第二固井材料注入所述套管内流至套管底部固化后即可。

优选地，步骤(3)中，将第一固井材料注入所述膨胀材料层之上的套管壁与井壁间的间隙内，直至第一固井材料充满至所述套管的顶端或设计固井深度时停止注入。

进一步，所述膨胀材料层设置于开口和煤层顶部之间的套管外侧壁上；所述膨胀材料层与煤层顶部的距离为50-20000mm，所述膨胀材料层与开口下端的距离为5-500mm。

所述膨胀材料层由高分子吸水性树脂、生料带和棕绳组成，通过生料带、棕绳与套管的连接将高分子吸水性树脂固定于套管外，形成固定在套管外侧的膨胀材料层；所述膨胀材料层吸水后为膨胀状态。

所述高分子吸水性树脂为聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺、淀粉接枝丙烯酸盐聚合交联物、丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚交联物、丙烯酰胺-丙烯酸钾共聚交联物和丙烯酸-丙烯酰胺共聚交联物中的一种或几种的混合物。

在所述膨胀材料层顶端或底端至少一处，围绕套管连接设置有环形构件，用于减少膨胀材料层的上下移动；所述环形构件的外径小于井壁内径。

所述第一固井材料为固井水泥。

所述第二固井材料包括固井树脂，所述固井树脂为聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺、淀粉接枝丙烯酸盐聚合交联物、丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚交联物、丙烯酰胺-丙烯酸钾共聚交联物和丙烯酸-丙烯酰胺共聚交联物中的一种或几种的混合物。

进一步，所述第二固井材料还包括无机固井料，所述无机固井料为膨润土、蒙脱石、石英砂、陶粒和缓凝水泥中的一种或几种的混合物；以重量计，所述固井树脂与所述无机固井料的混合比例为0.1:99.9-99.9:0.1。

优选地，所述开口为2-6个，沿所述套管的周向均匀间隔设置。

本发明与现有技术方案相比具有以下有益效果：

(1)本发明所述的煤层气开发井的固井工艺，包括在煤层上方的套管侧壁上设置开口；在套管内，煤层上方、所述开口的下方设置挡板，所述挡板将所述套管内部密封分隔为两部分；在开口下方或靠近开口的套管外侧设置一圈膨胀材料层，所述膨胀材料层于膨胀状态下密封填充满所述套管壁与井壁之间的间隙；将第一固井材料注入所述套管内并经所述开口流至所述膨胀材料层之上的套管壁与井壁间的间隙内，待第一固井材料固化后，撤去所述挡板或沿套管轴向打穿所述挡板；将第二固井材料注入所述套管内流至套管底部固化后即可。通过在所述套管侧壁开口下方或靠近开口的套管外侧设置一圈膨胀材料层，所述膨胀材料层于膨胀状态下密封填充满所述套管壁与井壁之间的间隙，再将第一固井材料设置于膨胀材料层之上，并且套管内部于煤层之上密封设置挡板，阻挡了固井过程中第一固井材料向煤层内渗入的通道，从而避免了由于固井水泥侵入煤层，与煤层一起在套管与煤层间形成“水泥环”的问题，保持了煤层气在套管与煤层间隙中的顺畅流动，提高了煤层气的开采效率；同时，将第二固井材料注入所述套管内流至套管底部固化，通过对煤层上方和下方的套管部分进行固定，既保证了套管在井内的强度，又保证了后续射孔压裂作业的进行。

(2)本发明所述的煤层气开发井的固井工艺，优选地，通过自下而上的将所述第一固井材料注入所述膨胀材料层之上的套管壁与井壁间的间隙内，直至第一固井材料充满所述套管的顶端或设计固井深度时停止注入，使所述第一固井材料能够完全充满上述间隙，在所述第一固井材料凝固后形成套管与井壁一体的结构，有效地固定了套管和避免煤层气泄露。

(3)本发明所述的煤层气开发井的固井工艺，所述膨胀材料层设置于开口和煤层顶部之间的套管外侧壁上；所述膨胀材料层与煤层顶部的距离为50-20000mm，所述膨胀材料层与开口下端的距离为5-500mm，在上述位置设置所述膨胀材料层可以在轴向上最大限度的使所述套管、井壁和所述第一固井材料成一体机构，固井效果最好。

(4)本发明所述的煤层气开发井的固井工艺，所述膨胀材料层由高分子吸水性树脂、生料带和棕绳组成，通过生料带、棕绳与套管的连接将高分子吸水性树脂固定于套管外，形成固定在套管外侧的膨胀材料层；所述膨胀材料层吸水后为膨胀状态。通过生料带、棕绳这些常用的材料将高分子吸水性树脂固定于套管外，使高分子吸水性树脂吸水后膨胀填充满所述套管壁与井壁之间的间隙，操作简单，施工方便。

(5)本发明所述的煤层气开发井的固井工艺，在所述膨胀材料层顶端或底端至少一处，围绕套管连接设置有环形构件，所述环形构件的外径小于井壁内径。通过设置所述环形构件，用于减少所述膨胀材料层在所述套管入井时与井壁摩擦造成的上下移动，保证所述膨胀材料层设置的正确的位置，提高了固井效果。

(6)本发明所述的煤层气开发井的固井工艺，所述第二固井材料包括固井树脂，所述固井树脂为聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺、淀粉接枝丙烯酸盐聚合交联物、丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚交联物、丙烯酰胺-丙烯酸钾共聚交联物和丙烯酸-丙烯酰胺共聚交联物中的一种或几种的混合物，上述物质皆为高分子吸水性树脂，与开发井底的水反应膨胀，将所述套管底部固定，即利用了开发井底的水，又简化了固定所述套管底部的工艺。

(7)本发明所述的煤层气开发井的固井工艺，进一步，所述第二固井材料还包括无机固井料，所述无机固井料为膨润土、蒙脱石、石英砂、陶粒和缓凝水泥中的一种或几种的混合物，以重量计，所述固井树脂与无机固井料的混合比例为0.1:99.9-99.9:0.1。通过向所述固井树脂添加无机固井料，进一步增加了所述第二固井材料固定所述套管底部的强度，进而保障了所述套管在所述开发井内的整体强度，更加有利于射孔压裂作业，提升射孔压裂施工的效果。

(8)本发明所述的煤层气开发井的固井工艺，所述开口为2-6个，沿所述套管的周向均匀间隔设置。这样设置使第一固井材料流至套管壁与井壁间的空隙更加方便，施工效果更好。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施方式并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明实施例1中所述开发井的结构示意图；

图2是本发明实施例2中所述开发井的结构示意图；

图中附图标记表示为：1-煤层；2-套管；3-开口；4-膨胀材料层；5-挡板；6-第一固井材料；7-第二固井材料；8-环形构件；9-裸眼洞穴。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本发明所述的煤层气开发井的固井工艺，包括以下步骤：

(1)在煤层1上方的套管2侧壁上设置开口3，所述开口3的设置个数和方式并不唯一，优选地，所述开口为2-6个，沿所述套管2的周向均匀间隔设置。这样设置使第一固井材料6流至套管壁与井壁间的空隙更加方便，施工效果更好；在套管2内，煤层1上方、所述开口3的下方设置挡板5，所述挡板5将所述套管2内部密封分隔为两部分；

(2)在开口3下方或靠近开口3的套管2外侧设置一圈膨胀材料层4，所述膨胀材料层4于膨胀状态下密封填充满所述套管壁与井壁之间的间隙；优选地所述膨胀材料层4设置于开口3和煤层1顶部之间的套管2外侧壁上；所述膨胀材料层4与煤层1顶部的距离为50-20000mm，所述膨胀材料层4与开口3下端的距离为5-500mm；所述膨胀材料层4使用的膨胀材料的种类并不唯一，在本实施例中，所述膨胀材料层4由高分子吸水性树脂、生料带和棕绳组成，通过生料带、棕绳与套管2的绑扎和缠绕连接将高分子吸水性树脂固定于套管2外，形成固定在套管2外侧的膨胀材料层4；优选地，在所述套管2外壁缠绕生料带形成一个环形槽，接着在上述环形槽内放入高分子吸水性树脂并使用棕绳缠绕，同时，为了增加缠绕完毕后的连接强度，使用胶黏剂将紧贴套管壁的生料带和棕绳粘结在所述套管2外壁上；进一步，为了避免所述膨胀材料层4在所述套管2入井时上下移动，在所述膨胀材料层4顶端或底端至少一处，围绕套管2连接设置有环形构件8，同时，其内径小于井壁内径，其中，所述环形构件8的结构和设置方式并不唯一，如焊接在所述套管2外壁上的环形铁片或者沿所述套管2周向设置的多部分阻挡物；所述膨胀材料层4转变为膨胀状态的方式有很多，如吸收井壁的渗出水，如果不能达到满意的膨胀效果，还可以通过所述开口3补充额外的水；在通过所述开口3注入第一固井材料6时，第一固井材料6本身以及其携带的水以及其产生的压力都可以使所述膨胀材料层4转变为膨胀状态，在本实施例中，优选地，在所述套管2下放到设计位置后，向所述膨胀材料层4的位置注入水，所述膨胀材料层4吸水后为膨胀状态；

所述高分子吸水性树脂为聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺、淀粉接枝丙烯酸盐聚合交联物、丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚交联物、丙烯酰胺-丙烯酸钾共聚交联物和丙烯酸-丙烯酰胺共聚交联物中的一种或几种的混合物；

(3)将第一固井材料6注入所述套管2内并经所述开口3流至所述膨胀材料层4之上的套管壁与井壁间的间隙内，优选地，直至第一固井材料6充满至所述套管2的顶端时停止注入，待第一固井材料6固化后，撤去所述挡板5或沿套管2轴向打穿所述挡板；所述第一固井材料6的种类并不唯一，在本实施例中，所述第一固井材料6为固井水泥；

(4)将第二固井材料7注入所述套管2内流至套管2底部，使其沿井底套管与井壁的间隙向上流动，控制所述第二固井材料的使用量，保证该材料不会进入煤层。所述第二固井材料7并不唯一，只要能够将所述套管2底部固定在所述开发井底部口袋内即可，在本实施例中，所述第二固井材料7包括固井树脂，所述固井树脂为聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺、淀粉接枝丙烯酸盐聚合交联物、丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚交联物、丙烯酰胺-丙烯酸钾共聚交联物和丙烯酸-丙烯酰胺共聚交联物中的一种或几种的混合物，其与所述开发井底的水反应膨胀，当然也可以向所述开发井底注入水使所述第二固井材料7反应膨胀，最终在所述开发井底部口袋内将所述套管2底部进行固定。

进一步，所述第二固井材料7还包括无机固井料，所述无机固井料为膨润土、蒙脱石、石英砂、陶粒和缓凝水泥中的一种或几种的混合物，以重量计，所述固井树脂与无机固井料的混合比例为0.1:99.9-99.9:0.1。施工时，可以根据所述开发井的实际情况选择上述固井料的种类和配比。通过向所述固井树脂添加无机固井料，进一步增加了第二固井材料7固定所述套管2底部的强度，进而保障了所述套管2在所述开发井内的整体强度，更加有利于射孔压裂作业，提升了射孔压裂施工的效果。

实施例二

本实施例是在实施例一基础上的变形，如图2所示，其与实施例一的不同之处在于：先在所述开发井的煤层1区间形成裸眼洞穴9后，再下放套管2。

虽然本发明已经通过上述具体实施例对其进行了详细的阐述，但是，本专业普通技术人员应该明白，在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化，均属于本发明所要保护的范围。

Claims (10)

1.一种煤层气开发井的固井工艺，包括以下步骤：

(1)、在煤层(1)上方的套管(2)侧壁上设置开口(3)；在套管(2)内，煤层(1)上方、所述开口(3)的下方设置挡板(5)，所述挡板(5)将所述套管(2)内部密封分隔为两部分；

(2)、在开口(3)下方或靠近开口(3)的套管(2)外侧设置一圈膨胀材料层(4)，所述膨胀材料层(4)于膨胀状态下密封填充满所述套管(2)壁与井壁之间的间隙；

(3)、将第一固井材料(6)注入所述套管(2)内并经所述开口(3)流至所述膨胀材料层(4)之上的套管(2)壁与井壁间的间隙内，待第一固井材料(6)固化后，撤去所述挡板5或沿套管轴向打穿所述挡板(5)；

(4)、将第二固井材料(7)注入所述套管(2)内流至套管(2)底部固化后即可。

2.根据权利要求1所述的固井工艺，其特征在于，步骤(3)中，将第一固井材料(6)注入所述膨胀材料层(4)之上的套管(2)壁与井壁间的间隙内，直至第一固井材料(6)充满至所述套管(2)的顶端或设计固井深度时停止注入。

3.根据权利要求1或2所述的固井工艺，其特征在于，所述膨胀材料层(4)设置于开口(3)和煤层(1)顶部之间的套管(2)外侧壁上；所述膨胀材料层(4)与煤层(1)顶部的距离为50-20000mm，所述膨胀材料层(4)与开口(3)下端的距离为5-500mm。

4.根据权利要求1-3任一所述的固井工艺，其特征在于，所述膨胀材料层(4)由高分子吸水性树脂、生料带和棕绳组成，通过生料带、棕绳与套管(2)的连接将高分子吸水性树脂固定于套管(2)外，形成固定在套管(2)外侧的膨胀材料层(4)；所述膨胀材料层(4)吸水后为膨胀状态。

5.根据权利要求1-4任一所述的固井工艺，其特征在于，所述高分子吸水性树脂为聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺、淀粉接枝丙烯酸盐聚合交联物、丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚交联物、丙烯酰胺-丙烯酸钾共聚交联物和丙烯酸-丙烯酰胺共聚交联物中的一种或几种的混合物。

6.根据权利要求1-5任一所述的固井工艺，其特征在于，在所述膨胀材料层(4)顶端或底端至少一处，围绕套管(2)连接设置有环形构件(8)，用于减少膨胀材料层(4)的上下移动；所述环形构件(8)的外径小于井壁内径。

7.根据权利要求1-6任一所述的固井工艺，其特征在于，所述第一固井材料(6)为固井水泥。

8.根据权利要求1-7任一所述的固井工艺，其特征在于，所述第二固井材料(7)包括固井树脂，所述固井树脂为聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺、淀粉接枝丙烯酸盐聚合交联物、丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚交联物、丙烯酰胺-丙烯酸钾共聚交联物和丙烯酸-丙烯酰胺共聚交联物中的一种或几种的混合物。

9.根据权利要求8所述的固井工艺，其特征在于，所述第二固井材料(7)还包括无机固井料，所述无机固井料为膨润土、蒙脱石、石英砂、陶粒和缓凝水泥中的一种或几种的混合物；以重量计，所述固井树脂与所述无机固井料的混合比例为0.1:99.9-99.9:0.1。

10.根据权利要求1-9任一所述的固井工艺，其特征在于，所述开口(3)为2-6个，沿所述套管(2)的周向均匀间隔设置。