[发明专利]提高煤层气水平井玻璃钢管或铝合金管固井顶替效率方法

说明书

本发明涉及的是提高煤层气水平井玻璃钢管或铝合金管固井顶替效率方法，具体为：计算玻璃钢管或铝合金管在煤层气水平井水平段本体悬浮所需要的水泥浆密度；根据煤层气水平井水平段平均井眼直径、玻璃钢管或铝合金管外径在FLUENT软件中建立长度为10米的有限元物理模型并进行网格划分，进行不同下偏心居中度条件下水平井两相流体顶替数值模拟；通过顶替界面形态分析，得出顶替界面最短时所对应的最优下偏心居中度；在玻璃钢管或铝合金管上间隔安装玻璃钢制铝合金制扶正器，扶正器的尺寸使得玻璃钢管或铝合金管达到最优的下偏心居中度。本发明用于解决玻璃钢管/铝合金管由于密度较低固井顶替时管柱上偏心造成的顶替效率低的问题。

技术领域

本发明涉及煤层气固井技术，具体涉及一种提高煤层气水平井玻璃钢管或铝合金管固井顶替效率的方法。

背景技术

煤层气俗称瓦斯，是与煤伴生并以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，需要通过排水降压的方式使其解析出来。煤层气的有效开发一方面能够获得清洁的能源，另一方面煤层气的开采能够将采煤过程中的瓦斯爆炸率降低70%到85%，有效的降低煤矿开采的危险性。我国含气煤层多为低孔、低渗、低压储层，采用水平井裸眼完井容易发生井壁垮塌和严重出砂，导致频繁修井和井眼报废，影响了煤层气井的长期稳产和正常生产；筛管完井可以从一定程度上缓解井壁垮塌和出砂的问题，但不能进行分段压裂改造，限制了增产措施的实施。为了提高煤层气井的产能，煤层气水平井大多采用注水泥射孔和水力压裂相结合的完井方式。

目前煤层气水平井通常下入与常规油气井相同的钢制套管，然而钢制套管在后期采煤过程中容易产生电火花和摩擦火花，从而导致井下瓦斯爆炸事故，增加了煤矿安全生产的隐患。考虑到后期采煤作业的安全，煤层水平段推荐选用非金属材质的套管和不产生电火花和摩擦火花的铝合金套管。玻璃钢作为一类主要的树脂基复合材料产品，具有耐腐蚀性好、材质轻、强度高、流体阻力小且经济效益好等优点，已开始应用于煤层气水平井筛管完井，是代替常规钢制套管在煤层中实现非金属固井的理想材料；铝合金属于软体金属，与煤矿开采工具碰撞摩擦时瞬间积累的能量主要消耗到铝合金的变形上，很少有微粒脱落，因此很难使脱落的微粒达到燃烧点或发光的温度而产生火花，也能有效的避免煤矿开采过程中瓦斯爆炸事故的发生。因此选用玻璃钢管或铝合金管代替钢制套管进行水平井固井作业不仅为煤层分段压裂改造等增产措施的实施创造了条件，同时还能提高后期采煤作业的安全性。

由于玻璃钢管/铝合金管以及顶替钻井液的密度较低，固井时玻璃钢管/铝合金管在水平井眼内的位置及居中情况与钢制套管有较大差异：若水泥浆密度较小，水泥浆对玻璃钢管/铝合金管的浮力不足以克服玻璃钢管/铝合金管的重力和管内钻井液的重力，玻璃钢管/铝合金管的浮重为正值，玻璃钢管/铝合金管会发生偏向水平段井眼低边的挠曲变形；若水泥浆的密度较大，水泥浆对玻璃钢管/铝合金管的浮力超过玻璃钢管/铝合金管的重力和管内钻井液的重力，玻璃钢管/铝合金管的浮重为负值，此时玻璃钢管/铝合金管整体将会偏向井眼高边，发生偏向水平段井眼高边的挠曲变形。水泥浆密度过大或过小，由于浮重线载荷的作用两扶正器中间的玻璃钢管/铝合金管都会发生挠曲变形，随着扶正器间距的增加挠曲变形急剧增大，部分水平井段玻璃钢管/铝合金管偏心现象明显，甚至出现两扶正器中间的玻璃钢管/铝合金管与井壁接触的现象，严重制约了固井顶替效率和封固质量的提高。

同时由于水泥浆的密度大于钻井液，水平井固井顶替时密度大的水泥浆在重力作用下沉向井眼低边，使得水泥浆沿井眼低边突进，井眼高边的钻井液流动较慢甚至存在顶替结束时未能返出封固段造成钻井液窜槽的可能。对于水平井来说，玻璃钢管/铝合金管具有一定的下偏心，在井眼低边形成窄间隙，由于窄间隙处流体流动阻力较大，这种偏心效应恰好能够在一定程度上平衡顶替流体密度差引起的水泥浆沿井眼低边的指进现象，因此水平井玻璃钢管/铝合金管具有一定的偏向井眼低边的下偏心反而能够取得最好的顶替效果。在钻井液密度固定的条件下，水泥浆密度与玻璃钢管/铝合金管下偏心居中度之间存在合理的匹配关系。玻璃钢管/铝合金管上偏心时由于顶替流体密度差和井眼低边形成的宽间隙效应导致顶替界面沿井眼低边突进严重，此时的顶替效果最差，因此煤层气水平井固井时要尽量避免玻璃钢管/铝合金管上偏心的形成。