煤层气裂缝性漏失井新型堵漏技术研究_鲜保安

16 /Natural Gas Technology
总第 22 期
天然气技术 · 钻井工程
2010 年
裂缝深度：
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槡
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2
（4）
新型堵漏工艺技术研究
选择的堵漏材料在裂缝内能相互搭桥，起到良好的 桥塞作用，而后配合堵漏泥浆及其他膨胀材料、充 填材料等对裂缝起到良好的封堵效果。 （1） （2）
裂缝平均漏失速率：

裂缝断面截面积：


槡

表 1 4 种材料吸水膨胀实验结果表

槡

材料名称
实验前／ mm × mm × mm 2×2×3 2×3×4 3×7×8 3×8×9 30 × 30 × 70 28 × 30 × 65
实验后 3 h 后／ mm × mm × mm 6×8×9 7 × 9 × 12 体积膨胀比／倍 6 h 后／ 体积膨胀比／倍 （3 h 后） mm × mm × mm （6 h 后） 36 31.5 16.5 15.3 （1h） （1h） 6.92 5.71 5 × 10 × 12 9 × 11 × 13 50 53.6 32.1 33.7 ／
失，地层裂缝漏失达到平衡时，井筒环空泥浆液面
深度为 H1。根据建立的裂缝几何模型及其基本假 设，对煤层气漏失井 （尤其是井口无法建立循环的 井） 建立简化计算模型，如图 1 所示 [6]。图 1 中，Q 为 井筒环空漏失达到平衡时泥浆漏失排量， m3／h； v1 为井筒环空泥浆漏失速率， m／s； A1 为井筒环空截 面积，m2；D 为井筒环空当量直径，m；H1 为井筒环 空泥浆液面深度， m； H 为漏层深度， m； v2 为地层 m2；d 为裂缝宽度，m；L 为裂缝深度，m。
膨胀树脂颗粒、黄原胶的胶泥球，投入井底，通过 壁。
4） 泥饼造壁封堵。制作混有棉籽壳、不同粒径
造壁钻头将胶泥挤入裂缝中，堵塞裂缝，形成新井 前 3 种堵漏方法主要与封隔器一起配合使用，采
用承压堵漏工艺进行堵漏。由于封隔器是下入到导 管或表层套管内，通过封堵钻杆柱与导管或表层套 管之间的环形空间来实现关井和承压堵漏，因此这 3 井。第 4 种方法由于无需配合封隔器使用，因此既适 失井。这 4 种方法可根据漏失井漏失情况 （漏失的深 度与严重程度等） 相互配合，嵌套使用。 种方法主要适用于第二次开钻以后发生漏失的漏失 用于第二次开钻以后发生漏失的漏失井，同样也适 用于第一次开钻钻进过程中便发生了严重漏失的漏
的泥浆质量守恒、动量守恒和能量守恒，因此对两 部分流体建立相应的 3 大守恒方程，并结合井筒环空 出裂缝几何形态的分析计算模型如下： 内的水力损失方程和裂缝内的伯努利方程 [7]，可求
2） 视高陡斜劈裂缝为垂直裂缝；
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收稿日期：2010－07－12 修订日期：2010－07－19 ∗基金项目: 国家科技重大专项项目“大型油气田与煤层气开发” （编号：2008ZX05033） 作者简介：鲜保安 （1966－） ，高级工程师，在读博士后，从事煤层气钻完井新技术研究及现场试验工作。Email：xbalffy@163.
口防喷器或封井器的煤层气开发井，在堵漏过程中 通过关闭井口防喷器或封井器即可实现关井，即可 18 /Natural Gas Technology
材料的吸Baidu Nhomakorabea膨胀性能及以往的堵漏经验，提出了 4 种 膨胀堵漏方法 [17－20]：
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天然气技术 · 钻井工程
2010 年
农作物秸秆压块 （条形、圆柱形） ，配合高黏堵漏泥
2010 年 第4卷 · 第4期
天然气技术
Natural Gas Technology
Vol.4，No.4
Aug.2010
文章编号： 1673-9035 （2010） 04-0016-05
煤层气裂缝性漏失井新型堵漏技术研究∗
鲜保安 1, 2
（1. 中国地质大学，北京 摘 要
张
义2
孙粉锦 2
鲍清英 2
图 2 承压堵漏新工艺示意图
开展环空憋压堵漏工艺方法对漏失井进行承压堵 漏。但由于煤层气藏及煤层气井自身的部分特殊 以内，在煤层气井钻完井过程中一般不会钻遇高压 含水层、异常高压层等，且煤层气藏本身也非高压 气藏，因此在煤层气开发直井钻完井过程中，一般 在井口都没有安装防喷器或封井器。为了解决这一 问题，研制了一套成本低、操作简单、使用方便的 井口膨胀封隔器。 器本体 3 部分组成。封隔器本体则主要用于安装膨胀 井口膨胀封隔器主要由膨胀胶囊、压板、封隔 性，即目前煤层气开发井一般垂直井深都在 1 000 m
对于常规的渗透性漏失或小型裂缝性漏失，通
过提高泥浆黏度或在泥浆中加入颗粒状堵漏材料， 通常可以取得很好的堵漏效果。但对于斜直裂缝， 尤其是纵深较深的裂缝，堵漏材料和堵漏方法的选 择对堵漏成功与否至关重要 [8－12]。 2.1
图1 煤层气漏失井井筒简化计算模型图
新型堵漏材料优选 要有效封堵这类高陡斜直裂缝，最关键的是所
1
裂缝形态分析
裂缝几何模型 通过观察鄂尔多斯盆地东缘某煤层气开发区块
1.1
裂缝平均漏失速率， m／s； A2 为裂缝断面截面积， 由于井筒环空内所漏失的泥浆与漏入地层裂缝
的岩心发现，该地区地层裂缝主要以非对称斜劈裂 缝为主。为了便于分析和计算，对该地层裂缝作以 下简化处理： 1） 视不规则井眼为圆形井眼；
2.2.1 常规堵漏工艺 常规堵漏工艺除了随钻堵漏以外，其他的堵漏 工艺诸如桥接材料堵漏、化学堵漏、无机凝胶堵 漏、水泥浆堵漏等，大多是静止堵漏 [10][13 － 14]，即将 堵漏泥浆与堵漏材料循环至井筒漏失层段后停泵， 停止循环，让堵漏材料和堵漏泥浆在自身重力作用 下，随地层漏失进入裂缝中，进行裂缝的封堵。静 止堵漏工艺由于纯粹依靠堵漏材料自身重力作用进 行堵漏，因此材料进入裂缝深度有限，对于斜直裂 缝堵漏效果一般。在煤层气漏失井堵漏应用中，部 分井都只是暂堵成功，在建立起循环继续钻进过程 中，部分井漏失层中的堵漏材料由于进入裂缝深度 有限，又被环空泥浆的抽吸作用给带出了裂缝，进 而漏失层继续发生漏失。此外，该堵漏工艺对于漏 失发生在井底且斜直裂缝在钻井过程中没有被完全 揭开的漏失层，堵漏效果更是欠佳，当开泵循环继 续钻进时，由于斜直裂缝没有被完全揭开，一般钻 进 0.5 m 左右漏失继续发生，钻进 1 m 左右井筒又无 对煤层气漏失井开展了承压堵漏新工艺技术研究。 2.2.2 新型承压堵漏工艺
法建立起循环。因此，为了有效地解决这些问题，
胶囊，并通过上下接头将整个封隔器系统连接在钻 杆柱上，下入表层套管内；膨胀胶囊采用特制橡胶 材料制成，通过压板安装在封隔器本体上，通过调 节液压控制胶筒的膨胀性能，实现可调式封堵钻杆 柱与表层套管之间的环形空间，最终起到关井、压 井作用。 2.2.3 膨胀堵漏方法 基于前面所优选的 4 种膨胀堵漏材料，结合每种
0
引言
目前在沁水盆地樊庄、郑庄及鄂尔多斯盆地东
1.2
3） 视非对称裂缝系统为对称裂缝系统。 裂缝分析计算模型 假定钻井过程中钻至 H 深度处发生裂缝性漏
缘韩城、三交、大宁 — 吉县等地区煤层气钻完井过 程中普遍存在井漏现象，有的地区漏失非常严重， 大部分井存在严重的裂缝性漏失 （部 分 井 甚 至 全 漏） ，严重影响了煤层气井的正常钻进，使煤层气钻 井周期大大延长、钻井成本大幅增长 [1－3]。因此，为 了提高煤层气井钻井效率，缩短钻井周期，降低钻 井成本，针对裂缝性漏失的基本特征，开展裂缝形 态分析及适应性堵漏材料、堵漏技术研究具有非常 重要的意义[4－5]。
张继东 2
廊坊 065007）
100083；2. 中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北
裂缝性漏失是目前煤层气钻完井过程中普通存在的现象，它严重影响了煤层气勘探开发进程。以鄂
尔多斯盆地东缘某煤层气区块为例，针对其裂缝性漏失的基本特征，开展了裂缝形态的分析，建立了裂缝分析计 算模型，通过室内实验优选了 4 种膨胀堵漏材料，并以此为基础提出了适应于该区块的 4 种膨胀堵漏工艺。现场 应用表明：所建立的裂缝分析计算模型可为堵漏材料粒径的选择提供依据；所优选的 4 种堵漏材料可作为良好的 桥塞材料或充填材料；所提出的 4 种膨胀堵漏工艺通过合理组合使用，能对不同漏失井产生良好的堵漏效果；在 堵漏过程中配合使用膨胀封隔器可实现关井，从而可以大幅提高堵漏的速率和效率。 关键词 煤层气 漏失 裂缝 堵漏 封隔器 文献标识码：A 中图分类号：TE358
常规静止堵漏工艺技术的基础上，当堵漏泥浆与堵 漏材料循环至井筒漏失层段后，利用封井器或封隔 器将井筒环形空间封闭，充分利用井筒环形空间内 的憋压作用，使堵漏泥浆和堵漏材料尽可能多地进 入到裂缝中，从而提高堵漏的速率和效率 [15－16]。 2） 膨胀封隔器。对于常规油气直井及安装了井
1） 工艺概况。承压堵漏工艺如图 2 所示，即在

选择玉米秸秆压块和棉秆压块 2 种纤维状堵漏材料作 料，黏弹性树脂材料作为胶结堵漏材料。玉米秸秆 和棉秆这 2 种纤维状材料压实以后可以根据需要做成
通过对 30 多种不同材料的室内实验研究，最终
为桥塞堵漏材料，膨胀树脂材料作为充填堵漏材
裂缝宽度：

槡

条形或圆柱形，密度也可根据泥浆比重进行调整控 （3） 制，压块材料在吸水 1 h 以后体积能膨胀到原来的 5～6 倍以上，吸水泡散开后恢复成纤维状，进入裂 缝以后能相互架桥，起到良好的桥塞作用；膨胀树
1） 有机物桥塞封堵。不同形状固体架构的有机
料、膨胀树脂材料相互胶结，封堵裂缝。
浆、棉籽壳等，利用有机质秸秆压块吸水膨胀泡散 开后，纤维状秸秆材料进入裂缝中相互搭桥形成桥 塞，棉籽壳等进入裂缝充填，高黏堵漏泥浆在秸秆 材料表面与棉籽壳之间相互胶结，并形成泥饼封堵 裂缝。 2） 早强水泥封堵。早强低密度水泥浆结合棉籽
膨胀树脂材料
黏弹性树脂材料
11 × 14 × 18 11 × 15 × 20 50 × 80 × 90 30 × 90 × 140 （1h） （1h）
15 × 18 × 20 13 × 20 × 28 ／
棉秆压块
玉米秸秆压块
／
／
注：① 棉秆压块和玉米秸秆压块实验时间均为 1 h，1 h 后基本上已经吸水膨胀完毕，体积无明显变化。 天然气技术／ 17
壳、桥塞堵漏材料等，利用桥塞堵漏材料、棉籽壳 等在裂缝内架桥形成桥塞，利用早强低密度水泥在 预定时间内在裂缝中速凝封堵裂缝。利用早强水泥 封堵，可缩短水泥浆凝固时间，提高堵漏速率和效 率。 3） 树脂泥浆封堵。配制不同粒径的膨胀树脂颗
粒、黏弹性树脂颗粒、纤维素等复合泥浆，配合核 桃壳等桥塞堵漏材料，利用桥塞堵漏材料进入裂缝 后相互架桥形成桥塞，膨胀树脂进入裂缝后吸水膨 胀充填裂缝，黏弹性树脂颗粒吸水膨胀后与桥塞材
第4卷
鲜保安，等：煤层气裂缝性漏失井新型堵漏技术研究
第4期
脂材料吸水 3 h 后体积能膨胀 30 倍以上，吸水 6 h 后
能膨胀 50 倍以上，因此可以作为良好的颗粒充填材 料；黏弹性树脂材料吸水后不仅体积能膨胀 30 倍以 上，还具有一定的黏性，进入裂缝以后不仅可以起 到良好的充填作用，而且还能将纤维材料和膨胀树 脂材料等堵漏材料相互黏结在一块，从而可增强其 在裂缝中的堵漏效果。所优选的 4 种堵漏材料其实验 结果见表 1。 2.2 新型堵漏工艺技术研究
3
现场应用
利用前面所建立的裂缝分析计算模型与优选的
表 2 部分煤层气漏失严重井漏失情况及堵漏情况表 井号 漏失层段／ 漏失层数／ 漏失速率／ 3 m 层 m· h-1 242～261 343～345 365～379 1～2 1 2 13 10 > 18 堵漏方法 有机物桥塞封堵 （承压堵漏） 有机物桥塞封堵 （承压堵漏） 有机物桥塞封堵 （承压堵漏） 早强水泥封堵 （承压堵漏） 有机物桥塞封堵 树脂钻井液封堵 （承压堵漏） 滤饼造壁封堵 树脂钻井液封堵 （承压堵漏） 有机物桥塞封堵 树脂钻井液封堵 （承压堵漏） 有机物桥塞封堵 树脂钻井液封堵 早强水泥封堵 （承压堵漏） 早强水泥封堵 （承压堵漏） 堵漏时间／ h 4 5 5 8 10 6 3 20 38 14 堵漏效果 一次性封堵成功 一次性封堵成功 堵漏失败 堵漏成功 堵漏失败 （现场设备不匹配） 一次性封堵成功 一次性封堵成功 部分漏层堵漏成功， 效果欠佳