CN110714737B - 用于煤炭地下气化工艺的固井系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺的固井系统和方法,基于井口头，部件如下：表层套管管柱和技术套管管柱，连接于井口头下部，所述表层套管管柱固定在井筒的表层地层中；所述技术套管管柱固定在表层套管管柱以及井筒的周边地层中；技术套管管柱和技术套管水泥环从井口开始延伸至煤层水平定向钻孔点；浮箍和浮鞋安装在技术套管管柱的顶端；返浆管柱，用于给二次固井提供返浆通道，防止水泥浆直接压漏地层，返浆管柱固定于技术套管管柱外侧；管外封隔器，防止返上的水泥浆直接压漏目标煤层；固井作业车、一次固井水泥浆通道以及二次固井水泥浆通道。本发明在浅层地层地质条件较差的情况下，获得合格的固井质量。

Description

用于煤炭地下气化工艺的固井系统和方法

技术领域

本发明提供了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的固井系统和方法。属于煤炭地下气化工艺设备技术领域。

背景技术

煤炭地下气化(ISC)是在氧化剂存在下通过地下煤层的燃烧和气化反应将煤直接转化为产品气的过程，所述产品气通常称为合成气，该合成气可以随后用作多种应用的原料，包括燃料生产、化学品生产和发电等。这种煤炭地下气化技术对于大多数煤藏都是适用的。鉴于有关采矿业的环保要求越来越严格和考虑到相关的人工成本和基建成本，这种技术无疑是很有吸引力的。煤炭气化工艺是将煤炭通过一系列的化学反应转变为合成气的过程。

地面钻井直通煤层，给氧化剂注入和产品气产出提供有效通道。一对钻井在地下连通或水平延伸构成一个实质上水平钻井通道(也可简称为煤层井道或连通通道)。该通道有助于氧化剂注入，燃空区生长和产品气输送。一个用于氧化剂注入的钻井称为“注入井”，另外一个用于生产产品气的钻井称为“产品井”。定向水平钻井和垂直钻井都可作为注入井或产品井。煤炭地下气化(ISC)可能在注入井和产品井之间还需要使用到一个或多个的垂直井(例如：功能井和辅助井)。

当煤层中有注入井、产品井和水平通道将二者连接起来时，此构造被称为一个煤炭地下气化(ISC)单元或井对。ISC单元包括燃烧区，气化区和热解区。其中，燃烧区在煤层中氧化剂注入点附近；气化区以放射状形态围绕在燃烧区周围或者在燃烧区下游，煤炭在气化区被气化、部分被氧化，从而生成产品气；热解区在气化区下游，煤的热解反应一般在这里发生。高温的产品气从气化区往下游流动，并最终从产品井井口输送到地面。在煤燃烧或气化的同时，煤层中的ISC燃空区会生长变大。

通过煤炭地下气化生成的产品气(粗合成气)通常含有合成气(CO,CO2,H2,CH4及其他气体的混合物)以及其他成分固体颗粒，水，煤焦油，烃类蒸汽，其他微量组分包括H2S,NH4,COS等)。其成分复杂程度取决于多个方面：煤炭地下气化所使用的氧化剂(空气或其他氧化剂，比如氧气、富氧空气或蒸汽混合物)、煤层中的内在水或周边地层渗入煤层中的水、煤质、以及煤炭地下气化工艺的操作参数，包括温度，压力等。

根据已有专利文献，目前煤炭地下气化技术所面临的问题主要包括：

大多数煤炭地下气化项目的目标煤层都在埋深1-1.5千米以浅，浅层地层地质条件较差，常规油气固井系统和方法容易产生井漏、混浆、水泥环空段等问题，最终造成固井质量差或不合格。

大多数煤炭地下气化项目的目标煤层自身承压能力较低，固井过程中，煤层无法承受上返水泥浆自身的静液柱压力，使得水泥浆无法返回井口或初凝过程中水泥浆液柱下降，最终造成固井质量差或不合格。

常规油气固井系统和方法中的分段固井，如套管射孔固井，分级箍固井，低密度水泥浆固井等方法，严重增加项目的资本支出，降低项目的经济可行性，最终影响了煤炭地下气化工艺的商业可行性。

常规油气固井系统和方法中的分段固井，如套管射孔固井，分级箍固井，低密度水泥浆固井等方法，破坏技术套管管柱的气密性和完整性、或破坏水泥浆体系的性能。常规油气固井对于煤炭地下气化工艺中的高温产品井的影响尤为严重，容易造成套管管柱的坍塌，水泥环的破裂等等问题，最终导致地下气化炉停产。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种用于煤炭地下气化工艺的固井系统，还提供了这种固井系统在煤炭地下气化工艺中的操作方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

用于煤炭地下气化工艺的固井系统，基于井口头，所述固井系统包括如下部件：

表层套管管柱和同轴心内设的技术套管管柱，连接于井口头下部，所述表层套管管柱通过表层套管水泥环固定在井筒的表层地层中；

所述技术套管管柱通过技术套管水泥环固定在表层套管管柱以及井筒的周边地层中；

技术套管管柱和技术套管水泥环从井口开始延伸至煤层水平定向钻孔点；

浮箍和浮鞋，用于控制固井过程中胶塞下行位置，确保水泥浆液柱高度和防止水泥浆倒流，以及引导技术套管管柱沿着井筒顺利下到井下指定位置，所述浮箍和浮鞋安装在技术套管管柱的顶端；

返浆管柱，用于给二次固井提供返浆通道，防止水泥浆直接压漏地层，返浆管柱固定于技术套管管柱外侧；

管外封隔器，用于封隔技术套管管柱与井筒之间环隙空间，防止返上的水泥浆直接压漏目标煤层；

固井作业车，用于现场混制水泥浆，并注入井筒内；

一次固井水泥浆通道，从注入到返回包括技术套管管柱内环空间、浮箍和浮鞋内环空间、技术套管管柱与表层套管管柱的环隙空间以及井口旁通接口；

二次固井水泥浆通道，从注入到返回包括技术套管管柱与表层套管管柱的环隙空间、返浆管柱内环空间以及井口旁通接口。

其中，本发明所述煤炭地下气化工艺的固井系统中，所述返浆管柱包含2-4根连续管柱，分别安装设计于固井水泥浆返高面1-20米内。所述返浆管柱末端1-10米内为开孔管段，孔径为5-10mm，开孔以交错间隔模式布局，开孔总面积占管壁面积的10-35％。

本发明所述煤炭地下气化工艺的固井系统中，所述管外封隔器包含4-8个止回阀，所述止回阀用于阻止已返回到管外封隔器以上的水泥浆逆向漏失至煤层内。

所述止回阀可以是本领域技术人员已知适用于水泥浆的任何类型的止回阀，例如可以为弹簧挡板阀或球+弹簧型等。

用于煤炭地下气化工艺的固井方法，所述固井方法如下：

S1：钻井结束后进行通井，井筒/目标地层和煤层的承压测试；

S2：计算固井水泥浆的返高(H)，理论最大水泥液柱的静液压(P1)等于井筒最大承压压力(P0)减去固井过程的操作压力(1-2MPa)；

S21：若计算的固井水泥浆的返高(H)大于井筒垂深30％-50％时，采用返浆管柱固井；

1)返浆管柱分别绑在计算的固井水泥浆的返高(H)上部1-20米；

2)调节固井水泥的初凝时间至固井作业时间的1.5-2倍；

3)采用常规下套管和固井方法，通过技术套管管柱内注入固井水泥浆，注入量为达到计算的固井水泥浆返高(H)所需的固井水泥浆量。固井水泥浆的注入流速为0.5-2方每分钟；

4)断开固井设备，候凝，时间为2)设定的固井水泥初凝时间；

5)通过井口T型旁通接口，向技术套管管柱与表层套管管柱的环隙空间注入固井水泥浆，注入量为计算的固井水泥浆返高(H)位置至地面的所需的固井水泥浆量的1.2-1.5倍，固井水泥浆的注入流速为0.2-0.5方每分钟；

6)清水清洗旁通后，候凝，时间为2)设定的固井水泥初凝时间；

7)若固井水泥浆液面降低至井口以下，通过井口T型旁通接口，向技术套管管柱与表层套管管柱的环隙空间注入固井水泥浆至井口旁通，固井水泥浆的注入流速为0.2-0.5方每分钟，关闭井口旁通，候凝24小时；

8)进行水泥环质量测井作业。

或者S22：若计算的固井水泥浆的返高(H)小于或等于井筒垂深的30％-50％时，采用管外封隔器固井；

1)管外封隔器安装在目标煤层顶板上部1-10米；

2)调节管外封隔器上止回阀的开启压力(P2)，等于理论最大水泥液柱的静液压(P1)减去管外封隔器安装位置以深水泥液柱的静液压(P3)的结果的50％；

3)采用常规下套管方法，套管就位后开启管外封隔器封闭技术套管管柱与井筒之间环隙空间；

4)采用常规固井方法，通过技术套管管柱内注入固井水泥浆，注入量为达到井口所需的固井水泥浆量的1.2-1.5倍，固井水泥浆的注入流速为0.5-2方每分钟；

5)断开固井设备，候凝24小时；

6)进行水泥环质量测井作业。

按照本发明，当利用本发明所述固井系统和方法进行煤炭地下气化过程时，可以在浅层地层地质条件较差的情况下，获得合格的固井质量。同时避免常规固井方法中破坏技术套管管柱的气密性和完整性、破坏水泥浆体系性能的问题，并显著地降低项目的经济成本和时间成本，为现有技术带来了进步。

附图说明

图1是一个用于煤炭地下气化工艺的固井系统的示意图；

图2是图的剖视图；

图3是另一个用于煤炭地下气化工艺的固井系统的示意图；

图4是图3的剖视图。

在各附图中，相同的附图标记指相同部件。具体地，各附图中涉及的附图标记含义如下：

1，井口头下部；2，表层套管管柱；3，表层套管水泥环；4，技术套管管柱；5，技术套管水泥环；6，浮箍和浮鞋；7，返浆管柱；8，T型旁通接口；9，固井作业车；10，一次固井水泥浆通道；11，二次固井水泥浆通道；12，钢制扎带；13，管外封隔器；14，止回阀；15，旁通阀门。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。

如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。

用于煤炭地下气化工艺的固井系统，基于井口头，所述固井系统包括如下部件：

表层套管管柱和同轴心内设的技术套管管柱，连接于井口头下部，所述表层套管管柱通过表层套管水泥环固定在井筒的表层地层中；

所述技术套管管柱通过技术套管水泥环固定在表层套管管柱以及井筒的周边地层中；

技术套管管柱和技术套管水泥环从井口开始延伸至煤层水平定向钻孔点；

浮箍和浮鞋，用于控制固井过程中胶塞下行位置，确保水泥浆液柱高度和防止水泥浆倒流，以及引导技术套管管柱沿着井筒顺利下到井下指定位置，所述浮箍和浮鞋安装在技术套管管柱的顶端；

返浆管柱，用于给二次固井提供返浆通道，防止水泥浆直接压漏地层，返浆管柱固定于技术套管管柱外侧；

管外封隔器，用于封隔技术套管管柱与井筒之间环隙空间，防止返上的水泥浆直接压漏目标煤层；

固井作业车，用于现场混制水泥浆，并注入井筒内；

一次固井水泥浆通道，从注入到返回包括技术套管管柱内环空间、浮箍和浮鞋内环空间、技术套管管柱与表层套管管柱的环隙空间以及井口旁通接口；

二次固井水泥浆通道，从注入到返回包括技术套管管柱与表层套管管柱的环隙空间、返浆管柱内环空间以及井口旁通接口。

本发明的技术方案中的所述固井系统，其设计压力需满足所有标准行业或非行业监管机构的压力要求，1,000-25,000psi。所述固井系统的设计温度最高可达到350-500℃。固井系统的选材可依据油气行业API规范的防腐等级选定，包括但不限于AA(适用于基本无腐蚀性液体或气体)，BB(适用于13铬不锈钢内部零件的耐腐蚀性，也可用于内部表面轻微腐蚀)，CC(适用于任何满足13铬不锈钢的液体或气态)，DD(适用于低温酸性气体和油，耐H2S腐蚀，适用于存在H2S时的其它化学品、产品或碳氢化合物)，EE(适用于酸性气体和油，耐H2S腐蚀，适用于存在H2S时的其它化学品、产品或碳氢化合物)，FF(适用于当CO2超过H2S含量时的酸性气体、油、其它化学品、产品或碳氢化合物)或以上材料。固井系统的设计规范水平(PSL)包括但不限于满足API规范的PSL-1，PSL-2和PSL-3。固井系统的设计尺寸包括但不限于5-30英寸。

本发明的技术方案中的井口头下部一般通过螺纹与表层套管管柱连接，根据钻井和完井设计要求，该连接可以是螺纹、焊接或法兰连接。所述井口头下部通过悬挂头与技术套管管柱连接。

本发明的技术方案中的表层套管管柱和表层套管水泥环，用于加固和隔离井筒，表层套管管柱通过表层套管水泥环固定在井筒的表层地层中。所述表层套管管柱尺寸20-30英寸，材质要求碳钢或以上材料。所述常规固井水泥为油气固井水泥G级或以上，高温固井水泥的设计温度为350-500℃。

本发明的技术方案中的技术套管管柱和技术套管水泥环，用于加固和隔离井筒，技术套管管柱通过固井水泥形成的技术套管水泥环固定在井筒的周边地层中。技术套管管柱和技术套管水泥环从井口开始延伸至煤层水平定向钻孔点。所述技术套管管柱尺寸7-20英寸，材质要求碳钢或以上材料。所述常规固井水泥为油气固井水泥G级或以上，高温固井水泥的设计温度为350-500℃。

本发明的技术方案中的浮箍和浮鞋，用于控制固井过程中胶塞下行位置，确保水泥浆液柱高度和防止水泥浆倒流。以及引导技术套管管柱沿着井筒顺利下到井下指定位置。浮箍和浮鞋为常规固井设备，安装在技术套管管柱的顶端。

本发明的技术方案中的返浆管柱，用于给二次固井提供返浆通道，防止水泥浆直接压漏地层。所述返浆管柱包含2-4根连续管柱，分别安装设计固井水泥浆返高面1-20米内，通过钢制扎带固定于技术套管管柱外侧。所述返浆管柱为碳钢及以上材料，尺寸为1/4-2英寸，其末端1-10米内为开孔管段，孔径为5-10mm，开孔以交错间隔模式布局，开孔总面积占管壁面积的10-35％。

本发明的技术方案中的管外封隔器，用于封隔技术套管管柱与井筒之间环隙空间，防止返上的水泥浆直接压漏目标煤层。所述管外封隔器包含4-8个止回阀。所述止回阀主要用于阻止已返回到管外封隔器以上的水泥浆逆向漏失至煤层内。所述止回阀可以是本领域技术人员已知适用于水泥浆的任何类型的止回阀，例如可以为弹簧挡板阀或球+弹簧型等。

用于煤炭地下气化工艺的固井方法，所述固井方法如下：

S1：钻井结束后进行通井，井筒/目标地层和煤层的承压测试；

S2：计算固井水泥浆的返高(H)，理论最大水泥液柱的静液压(P1)等于井筒最大承压压力(P0)减去固井过程的操作压力(1-2MPa)；

S21：若计算的固井水泥浆的返高(H)大于井筒垂深30％-50％时，采用返浆管柱固井；

1)返浆管柱分别绑在计算的固井水泥浆的返高(H)上部1-20米；

2)调节固井水泥的初凝时间至固井作业时间的1.5-2倍；

3)采用常规下套管和固井方法，通过技术套管管柱内注入固井水泥浆，注入量为达到计算的固井水泥浆返高(H)所需的固井水泥浆量。固井水泥浆的注入流速为0.5-2方每分钟；

4)断开固井设备，候凝，时间为(2)设定的固井水泥初凝时间；

5)通过井口T型旁通接口，向技术套管管柱与表层套管管柱的环隙空间注入固井水泥浆，注入量为计算的固井水泥浆返高(H)位置至地面的所需的固井水泥浆量的1.2-1.5倍，固井水泥浆的注入流速为0.2-0.5方每分钟；

6)清水清洗旁通后，候凝，时间为(2)设定的固井水泥初凝时间；

7)若固井水泥浆液面降低至井口以下，通过井口T型旁通接口，向技术套管管柱与表层套管管柱的环隙空间注入固井水泥浆至井口旁通，固井水泥浆的注入流速为0.2-0.5方每分钟，关闭井口旁通，候凝24小时；

8)进行水泥环质量测井作业。

或者S22：若计算的固井水泥浆的返高(H)小于或等于井筒垂深的30％-50％时，采用管外封隔器固井；

1)管外封隔器安装在目标煤层顶板上部1-10米；

2)调节管外封隔器上止回阀的开启压力(P2)，等于理论最大水泥液柱的静液压(P1)减去管外封隔器安装位置以深水泥液柱的静液压(P3)的结果的50％；

3)采用常规下套管方法，套管就位后开启管外封隔器封闭技术套管管柱与井筒之间环隙空间；

4)采用常规固井方法，通过技术套管管柱内注入固井水泥浆，注入量为达到井口所需的固井水泥浆量的1.2-1.5倍，固井水泥浆的注入流速为0.5-2方每分钟；

5)断开固井设备，候凝24小时；

6)进行水泥环质量测井作业。

下面参考附图进一步描述本发明的实施方案。

图1-2给出了一个用于煤炭地下气化工艺的固井系统的示意图。钻井结束后进行通井和承压测试，计算固井水泥浆返高，确定固井方法。下技术套管管柱4的过程中，浮箍和浮鞋安装在技术套管管柱4的顶端。从设计固井水泥浆返高上部10米处开始利用钢制扎带12将两根返浆管柱7(相差180度)绑在技术套管管柱4外部。继续下入1根技术套管管柱后，再绑上2根返浆管柱7。最后整个技术套管管柱4通过悬挂安装在井口头下部1。固井作业车9通过管线连接在一次固井水泥通道10上，通过一次固井水泥通道10注入固井水泥浆至设计量。断开固井作业车9，候凝2小时。固井作业车9通过管线连接在二次固井水泥通道11上，通过二次固井水泥通道11注入固井水泥浆至设计量。断开固井作业车9，并清洗二次固井水泥通道11的接口，候凝2小时。若固井水泥浆液面降低至井口以下，固井作业车9通过管线连接在二次固井水泥通道11上，再次注入固井水泥浆至井口旁通后，关闭井口旁通。候凝24小时进行水泥环质量测井作业。

图3-4给出了另一个用于煤炭地下气化工艺的固井系统的示意图。钻井结束后进行通井和承压测试，计算固井水泥浆返高，确定固井方法。下技术套管管柱4的过程中，浮箍和浮鞋安装在技术套管管柱4的顶端。管外封隔器13安装在目标煤层顶板上部5米。最后整个技术套管管柱4通过悬挂安装在井口头下部1。开启管外封隔器13封闭技术套管管柱4与井筒之间环隙空间。固井作业车9通过管线连接在一次固井水泥通道10上，通过一次固井水泥通道10注入固井水泥浆至设计量。断开固井作业车9，候凝24小时进行水泥环质量测井作业。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (3)

1.用于煤炭地下气化工艺的固井系统，基于井口头，所述固井系统包括如下部件：

表层套管管柱和同轴心内设的技术套管管柱，连接于井口头下部，所述表层套管管柱通过固井水泥形成的表层套管水泥环固定在井筒的表层地层中；

所述技术套管管柱通过固井水泥形成的技术套管水泥环固定在表层套管管柱以及井筒的周边地层中；

技术套管管柱和技术套管水泥环从井口开始延伸至煤层水平定向钻孔点；

浮箍和浮鞋，用于控制固井过程中胶塞下行位置，确保水泥浆液柱高度和防止水泥浆倒流，以及引导技术套管管柱沿着井筒顺利下到井下指定位置，所述浮箍和浮鞋安装在技术套管管柱的顶端；

返浆管柱，用于给二次固井提供返浆通道，防止水泥浆直接压漏地层，返浆管柱固定于技术套管管柱外侧；

管外封隔器，用于封隔技术套管管柱与井筒之间环隙空间，防止返上的水泥浆直接压漏目标煤层；

固井作业车，用于现场混制水泥浆，并注入井筒内；

一次固井水泥浆通道，从注入到返回，其包括技术套管管柱内环空间、浮箍和浮鞋内环空间、技术套管管柱与表层套管管柱的环隙空间以及井口旁通接口；

二次固井水泥浆通道，从注入到返回，其包括技术套管管柱与表层套管管柱的环隙空间、返浆管柱内环空间以及井口旁通接口；

所述返浆管柱包含2-4根连续管柱，分别安装设计于固井水泥浆返高面1-20米内；

所述返浆管柱末端1-10米内为开孔管段，孔径为5-10mm，开孔以交错间隔模式布局，开孔总面积占管壁面积的10-35％；

所述管外封隔器包含4-8个止回阀，所述止回阀用于阻止已返回到管外封隔器以上的水泥浆逆向漏失至煤层内。

2.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的固井系统，其特征在于，所述止回阀是适用于水泥浆的止回阀，包括弹簧挡板阀或球+弹簧型阀。

3.一种采用权利要求1-2任意一项所述用于煤炭地下气化工艺的固井系统的固井方法，其特征在于，所述固井方法如下：

S1：钻井结束后进行通井，井筒或目标地层和煤层的承压测试；

S2：计算固井水泥浆的返高H，理论最大水泥液柱的静液压P1等于井筒最大承压压力P0减去固井过程的操作压力，所述操作压力为1-2MPa；

S21：若计算的固井水泥浆的返高H大于井筒垂深30％-50％时，采用返浆管柱固井；

1)返浆管柱分别绑在计算的固井水泥浆的返高H上部1-20米；

2)调节固井水泥的初凝时间至固井作业时间的1.5-2倍；

3)采用常规下套管和固井方法，通过技术套管管柱内注入固井水泥浆，注入量为达到计算的固井水泥浆返高H所需的固井水泥浆量，固井水泥浆的注入流速为0.5-2方每分钟；

4)断开固井设备，候凝，时间为2)设定的固井水泥初凝时间；

5)通过井口旁通接口，向技术套管管柱与表层套管管柱的环隙空间注入固井水泥浆，注入量为计算的固井水泥浆返高H位置至地面的所需的固井水泥浆量的1.2-1.5倍，固井水泥浆的注入流速为0.2-0.5方每分钟；

6)清水清洗旁通后，候凝，时间为2)设定的固井水泥初凝时间；

7)若固井水泥浆液面降低至井口以下，通过井口T型旁通接口，向技术套管管柱与表层套管管柱的环隙空间注入固井水泥浆至井口旁通，固井水泥浆的注入流速为0.2-0.5方每分钟，关闭井口旁通，候凝24小时；

8)进行表层套管水泥环及技术套管水泥环质量测井作业；

或者S21：若计算的固井水泥浆的返高H小于或等于井筒垂深的30％-50％时，采用管外封隔器固井；

1)管外封隔器安装在目标煤层顶板上部1-10米；

2)调节管外封隔器上止回阀的开启压力P2，等于理论最大水泥液柱的静液压P1减去管外封隔器安装位置以深水泥液柱的静液压P3的结果的50％；

3)采用常规下套管方法，套管就位后开启管外封隔器封闭技术套管管柱与井筒之间环隙空间；

4)采用常规固井方法，通过技术套管管柱内注入固井水泥浆，注入量为达到井口所需的固井水泥浆量的1.2-1.5倍，固井水泥浆的注入流速为0.5-2方每分钟；

5)断开固井设备，候凝24小时；

6)进行表层套管水泥环及技术套管水泥环质量测井作业。

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