煤层气井注水泥顶替效率研究_张立刚.pdf

第42卷第3期 2014年6月 煤田地质与勘探 COALGEOLC陷Y 2.大庆油田有限责任公司井下作业分公司，黑龙江大庆163412 Vol. 42 No.3 Jun. 2014 摘要煤层低压、易塌、易漏造成煤层段井眼不规则，扩径严重，使注水泥过程顶替效率降低， 影响水泥浆的封固效采．运用CFD数位模拟方法，结合鹤岗煤层气井测井数据，模拟了煤层段不 同扩径长度、扩径率、井斜角、套管居中度、水泥浆流变参数及顶替流态下的体积顶替效率及截 面顶替效率值；分析了各因素对顶替效率的影响规律。结果表明，扩径段长度增加，顶替效率提 高；扩径率、井斜角及偏心度增加，顶替效率降低；宾汉流体及菲率流体均存在顶替效率最高的 流变参数值，顶替流态建议采用塞流顶替。研究成果为煤层气井安全优质固井提供了技术指导． 关键词煤层气；顶替效率；CFD数值模拟；注水泥 中图分类号P634文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.l001-1986.2014.03.0 IO Displacement efficiency of cementing in CBM well ZHANG Ligang1, J卧JXianpeng2, LYU Deqing2 I. Petroleum Engineering Department, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2. Downhole Services Branch, Daqing Oilfield Company Ltd, Petro China, Daqing 163412, China Abstract Due to some characteristics of the coal seam such as the low pressure, easy to collapse and leakage, re- suiting in the I汀egularborehole in coal seam segments and serious hole enlargement, the displacement efficiency in the process of cementing is reduced, which affects the sealing effects of slurry in cementing. ln this paper, through the use of CFO numerical simulation , combined with Hegang CBM well logging data, various parameters of the different coal seam segments such as the length of the hole enlargement, hole enlargement ratio, deviation angle, the centralisation degree of casing, the slurry rheological parameters and the value of volume displacement efficiency under the replacement fluid state and cross- sectional displacement efficiency are simulated. The influ- ence of various factors on the displacement efficiency is analyzed. The displacement efficiency will be improved with the length of the hole enlargem巳ntsegment increasing. On the contrary it will be reduced with the hole enlargement ratio, the deviation angle and the eccentricity boosting. Bingham fluid and power law fluid both have the highest rheological parameter values of displacement efficiency. The plug flow displacement is recommended under replacement fluid states. The above research results have provided the technical guidance for the safe and high quality cementing ofCBM wells. Key words CBM; the displacement efficiency; CFO numerical simulation; cementmg 煤层气俗称瓦斯气，主要成分为甲皖，它是在煤 形成过程中逐步生成并赋存于煤层及煤系中的一种非 常规天然气，以吸附或储集方式存在于煤层孔隙中， 通过排水降压使其解析出来。但是，由于煤层气的产 量低，98的煤层气井需要进行大型水力压裂，因而， 煤层气井固井质量的好坏直接关系到煤层气的开发井 的寿命［I2］。由于煤层具有低压、易塌、易漏等特点， 造成煤层段井眼不规则，扩径严重，给注水泥顶替效 率和固井质量带来严峻挑战。国内外许多学者针对该 收稿日期2013-04-08 问题展开了研究，并从水泥浆体系和固井工艺方面论 述了提高煤层气井固井质量的方法[3-o］。但这些多是定 性分析，缺少对煤层段厚度、扩径率及水泥浆性能对 顶替效率的定量认识。为此，笔者针对鹤岗地区煤层 气井特点，运用CFD数值模拟方法，研究了煤层气井 注水泥顶替效率的影响因素和控制方法。 1 鹤岗地区煤层气井特点 鹤岗地区煤层气井井深一般为300～l500 m，井 基金项目国家自然科学基金项目（51274069）；黑龙江省自然科学基金项目（E201015 作者简介张立刚（1982一），男，吉林榆树人，硕士，讲师，从事油气井工程力学等方面的教学和研究工作． ChaoXing 44 煤田地质与勘探第42卷 深较浅，地棍和地层ffi力都比较低；煤岩体机械强 度低，松散．具微裂缝，割期发汗，力学稳定性差， 圳周）I力和｜破裂J卡力也较低经i式气和压裂数据获 得鹤煤3井4个含煤层系的JI力和l破裂ffi力当量密 度虫IJ表l所不 Fil」二l可知｜．在煤）三段易发生;JI二漏、井塌，导 致月二径扩大，形成“大肚子”井眼鹤煤3井井径测 井｜咐线如图l所示。由于煤层厚度和煤阶的不同， 造成各煤层段的扩径率、扩径长度都不相同，最大 井径达到508mm以七，超过仪器的测量范围。上 述的煤层气井眼特点，造成注水泥过程中顶替效率 降低，水泥浆不能将大井眼的泥浆顶替干净，在水 泥和井壁之间残留部分泥浆，降低了水泥浆的封同 效果，便问井质量变差。 表1鹤煤3井地层压裂和破裂压力值 Tablet ation pressure and fracture pressure value of Hegang No.3 CBM well 煤马J-巧， J也fl王力当虽密度f眩裂It力当hl密度 /gcrn主）/gcrn 3 0.96 1.54 2 0.92 1.58 3 0.94 1.59 4 0.85 1.48 ｜组l鹤煤3ttiHJrll1线 Fig. I Log of Hegang No.3 CBM well 2 煤层段顶替效率的数值模拟 2.1 顶替效率的概念 有效的驱替钻井液，是w除钻井液窜槽，保证 水泥胶结质量和水泥环密封效果的基本前提。顶替 效率是｜刮井施工过程中最难控制的因素，受井眼条 件、钻井液性能、水泥浆性能、浆体结构设计、施 工参数、前置液接触时间等参数的影响。水泥浆顶 替效率分为体积顶替效率和截面顶替效率。 体积顶替效率ηv为环形空间封固段水泥浆体 积尺a与环形空间体积几l之比，即 v＿一 ηv ＝可（I 业ηv I时，水泥浆全部替换了钻井液，注水泥 质量优良。当ηv I时，水泥浆部分顶替了钻井液。 ηv越小，注水泥质量越差。 体积顶替效率并不能完全反映环空局部截面上 钻井被严重窜槽的情况，有时体积顶替效率较好， 而局部截面上的顶替效率却较差，因此还必须考虑 封固段各截面的顶替效率。 s ηs ti-2 式中sea为环空截面水泥浆面积，m2;So，为环空截 面面积，m2; 主u1Js I，截面中水泥浆全部替换了钻井液，注 水泥质量优良。当时ηs I，截面中水泥浆部分顶替 了钻井液。ηv越小，注水泥质量越差。 2.2 物理模型建立和数值模拟方法 借助计算流体力学（CFD）软件，数值模拟了鹤煤 3井扩径段。设计的物理模型中各参数取值如下 套管外径139.7mm ，正常井眼尺寸215.9mm，扩径 段井眼尺寸216～320mm。利用GAMB盯前处理软 件，采取六面体网格划分网格，如图2a所示。钻井 液和水泥浆均采用宾汉流体。钻井液参数动切应 力8Pa，塑性粘度0.015Pa s，密度ρm 1.05 g/cm3。 水泥浆参数动切应力13Pa ，塑性粘度0.038Pa s , 密度1.55g/cm3。设置好材料属性和边界条件后， 既可以初始化流场、求解，获得模拟井段不同深 度处，钻井液和水泥浆的浓度分布，如图2b所示。 根据模拟结果，即可以获得体积顶替效率和各截 面顶替效率。 ;liJ己；I. a b 图2扩径段环空网格划分示意图（a）及钻井液和水泥浆 环空浓度分布图（b Fig.2 Enlargement section annulus mesh a and drilling fluid and cement concentration distribution in annulus ChaoXing 第3期张立刚等煤层气井注水泥顶替效率研究 45 2.3 井身质量因素对顶替效率的影晌 单因素改变扩径段长度、扩径率、井斜角、偏心 度，获得的顶替效率随各参数的变化规律如图3所示。 由图3可知，随着扩径段长度减小，体积顶替效 率和截面顶替效率都变差，并且存在临界值0.36m。 当扩径段长度大于该值时，顶部截面顶替效率优于 底部截面顶替效率；等于该值时，二者相等；小于 政值时，发生反转，底部截面顶替效率优于顶部截 面顶替效率。随着扩径率的增加，体积顶替效率和 截面顶替效率都变差但变化速度不同，体积顶替 1.0 0.8 子0.6 右耳 和0.4 高 0.2 06 『品各 盖0.8 在军 －＋－顶部 －－巾部 －舍－J成部 整体 0.6 效率和顶部截面顶替效率呈线性减小，中部截面顶 替效率开始降低较缓慢。当扩径率超过40后急剧 变差，底部截面顶替效率开始降急剧下降，当扩径 率超过60趋于平稳。随着井斜角的增加，体积顶 替效率和各截面顶替效率都显著下降。 2.4 水泥浆性能对顶替效率的影晌 水泥浆一般为宾汉或幕律流体［7-8］。不同流态、 （紊流、层流和塞流）下流变参数（塑性粘度、动切应 力、稠度系数和流性指数）对顶替效率的影响规律如 图4所示。 1.0 0.8 咱。、备，, 和极民0.6 0.4 寸 Z二运击、.....＿＿. 0.2 1.0 -- 0.8 革3百缸三 0.2 一＋－1在体 一一顶部 巾部 -e-Jil.部 0.5 书 1卡咛 b 0.61 。｜ 五俨俨 IO 20 30 0 0.2 0.4 0.6 0.8 井斜角／（。）俐，心皮 c d 图3扩径段长度（a）、扩径率（b）、井斜角（c）、偏心度（d）对顶替效率的影响 Fig.3 Effect of enlargement section length（吟，ratiob,deviation angle c, eccentricityd on displacement efficiency 1.04 1.0 1.0 仨二岱＝之 0.98 恃割草吕草0.96 惕。.96 0.92 .. 主晏 ＋－紊流 草E草E0.94 0.88 4←J去流 0.84 古「塞流0.92 叮矗－塞流 0.8 0.9 5 10 15 20 。0.02 0.04 0.06 0.08 动i切jJI Pa 塑性帖JjtI Pa s a b 10 1.0 0.96 0.98 F件仁＝ 惕。92 到ζ〈 0.96 争芒←巳‘＜、品。” 等。” .－－－－－..－也t一一 E三『←4二流 0.84 0.92 4’一去拍 寸矗－塞流1曲－“fj儿 0.8 09 。0.2 04 0.6 0.8 。0.2 04 0.6 0.8 倒度系数IPas 流性指数 c d 图4宾汉流体（a、b）和幕律流体（c、b）顶替流态和流变参数对体积顶替效率的影响 Fig.4 Effect of Bingham a,b and power-law c,b fluid replacement state and rheological parameters on displacement efficiency ChaoXing 46 煤田地质与勘探第42卷 由罔4可知，紊流顶替效果最好，塞流顶替效果 和紊流接近，层流顶替效果最差u对于宾汉流体，体 积顶替效率随着动切应力增加，开始时也有增大，当超 过门.3Pa时，缓慢降低。随着塑性粘度增加，体积顶 替效率开始稳定增大，当达到48rnPa s时，开始呈现 下降的趋势。对于；需律流体，体积顶替效率随着稠度 系数增加，开始明显增大，当达到0.5Pas＂时，缓慢 下降。随着流性指数增大，体积顶替效率随之缓慢增 大，当达到0.48时，开始缓慢下降。因此，为了保证 高的顶替效率，建议水泥浆流变性能参数取宾又流体 11.3 Pa和48mPa s；幕律流体0.5Pas＂和0.48。 3 煤层气井注水泥顶替流态选择 注水泥施工中，紊流顶替效果最好，但紊流顶替 需要较高的排量，在施工过程中会形成较大的环空压 耗，造成井底斥力过大，易发生漏失。因此，能否采用 紊流顶替，要依据煤层段破裂压力及需要排量能否实现 来确定。根据鹤煤3井切IJ井资料，不同井径位置对应的 塞流和紊流顶替｜临界排量如图5所示。 紊流UT替｜｜伍界排量随着井径增加而增大，最大井 扑j{,I cm ii而界流量／（m飞min叮 20 2-1 28 32 36 0 2 4 6 8 IO 0 \ 400 i送600 4」 －－、 800 { nu n忖 1200 图5塞流和紊流顶替｜｜伍界判｜芷 Fig.5 The Critical flow rate of plug flow and turbulent flow 径位置，最难实现紊流状态。为了保证全井紊流顶替， 注入排量应高于最大临界排量（8.17m3 /min）。如此高 的排量，在地面施工很难实现，即使实现也会形成巨 大的环空摩阻压耗，压漏井底，因此不建议采用紊流 顶替。塞流顶替临界排量随着井径增加逐渐增大，在 最小井径位置最难实现塞流，往往会过渡成层流或紊 流。为了实现全井塞流顶替，注入排量应低于全井最 小临界排量（0.73旷／min）。该排量地面易于施工组 织，井有效降低摩阻压耗，减小井底压力，既保证了 固井质量，也减小了漏失及煤层气储层伤害。因此， 建议煤层气井采用塞流顶替。 4结论 a.煤层段易发生井漏、井塌，导致井径扩大，形 成“大肚子”井眼。鹤煤3井最大井径达到508mm以上， 造成注水泥过程中顶替效率降低，使固井质量变差。 b.随着扩径段长度增加，顶替效率提高，并且 存在临界值0.36m，顶部和底部截面顶替效率发生反 转。随着扩径率、井斜角及偏心度增加，顶替效率降 低，宾汉流体及幕律流体均存在最佳的流变参数值。 c.紊流和塞流顶替临界排量都随着井径增加而 增大，最大井径位置，最难实现紊流状态；最小井径 位置最难实现塞流。兼顾固井质量、减小漏失及煤层 气储层保护，建议采用塞流顶替。 参考文献 川计勇．郭大立，赵金洲，等影响煤层气井压后产茧的因素分 析［J］，煤田地质与勘探，2012,401 10一12 [2）林鑫．张上诚，张劲．等．柳林煤层气储层敏感性评价实验［J. 煤刷地质与勘探，20 II . 396 28-31 [3）齐奉中，浅谈煤层气井固井技术［J）.钻采t艺，2000.231 13-17. 4）孟尚志，王竹平，那捷年．钻井完井过程中煤层气储层伤害机 理分析与控制措施[J）.中罔煤层气，2007,41 34-36. 5）茧建辉，王先国，乔磊，等．煤层气多分支井水平井钻井技术 在樊庄区块的应用［几煤田地质与勘探，2008,364 21- 24. [6）李宏欣，张学峰煤层气洞穴一筛管完井工艺［J），中间煤层、， 2012. 92 13一17. [7）郑永刚，宾汉流体定向井注水泥机理［月－石油钻采t艺，1994, 166 20- 30. 8）李静．林承焰．王言峰．非牛顿流体-m；替机理研究综述［J.钻 井液与完井液，2009,261 75一77. ChaoXing