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

摘要

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。

说明书

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。

常规钢制套管的密度较大，因此其在水平井中通常发生偏向井眼低边的挠曲变形。而玻璃钢管/铝合金管由于自身密度较低，会出现管柱整体偏向井眼高边挠曲变形的可能，造成玻璃钢管/铝合金管严重的上偏心，再加上水泥浆与钻井液的密度差作用，使得顶替过程中水泥浆沿井眼低边产生严重的突进，井眼高边的钻井液流动速度较慢，存在顶替结束时顶替界面后缘的钻井液未能返出封固段的可能，导致水泥浆被污染环空封隔能力变差甚至是形成局部钻井液窜槽完全丧失环空封隔能力。

因此必须针对煤层气水平井玻璃钢管/铝合金管的实际受力情况，制定具有针对性的固井顶替效率提高措施，从而保证顶替界面的最小掺混长度以及顶替界面的整体近似匀速移动，提高煤层气水平井玻璃钢管/铝合金管固井的顶替效率。本发明即以此为目标，提出了实现煤层气水平井玻璃钢管/铝合金管固井的“本体悬浮、居中度优化、整体平直下偏心”的方法，从而为煤层气水平井玻璃钢管/铝合金管固井顶替效率提高措施的制定提供了合理的方法。

发明内容

本发明的目的是提供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方法，这种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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种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：

步骤一、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，其计算公式为

式中：为玻璃钢管或铝合金管的密度，kg/m³；为玻璃钢管或铝合金管内部钻井液的密度，kg/m³；为玻璃钢管或铝合金管外部水泥浆的密度，kg/m³；R_c为玻璃钢管或铝合金管的外半径，m；r_c为玻璃钢管或铝合金管的内半径，m；g为重力加速度，m/s²；

步骤二、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，输入步骤一得出的水泥浆密度，以及顶替流体的流变性能和排量，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；

步骤三、根据步骤二得到的不同下偏心居中度条件下两相流体顶替数值模拟的结果，通过顶替界面形态的分析，得出顶替界面最短时所对应的最优下偏心居中度；

步骤四、在玻璃钢管或铝合金管上每间隔一定距离安装一个扶正器，所述扶正器采用玻璃钢制扶正器或铝合金制扶正器，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；

玻璃钢管或铝合金管达到最优下偏心居中度的扶正器尺寸为

式中：R_T为扶正器半径，m；为玻璃钢管或铝合金管在煤层气水平井水平段内的最优下偏心居中度，%；>_w为井眼半径，m。

本发明具有以下有益效果：

1、通过本发明提供的提高煤层气水平井玻璃钢管/铝合金管固井顶替效率的方法，能够保证玻璃钢管/铝合金管本体在水平段悬浮而不发生挠曲变形，管柱整体保持平直，避免了局部套管严重偏心现象的出现，为顶替效率的提高创造了良好的条件；

2、通过本发明提供的提高煤层气水平井玻璃钢管/铝合金管固井顶替效率的方法，能够得出实现玻璃钢管/铝合金管本体悬浮的水泥浆密度对应的最优下偏心居中度，从而保证顶替界面的最小掺混长度以及顶替界面的整体近似匀速移动，防止钻井液对水泥浆的污染造成的封固段内环空水泥封隔能力降低甚至是钻井液窜槽；

3、通过本发明提供的提高煤层气水平井玻璃钢管/铝合金管固井顶替效率的方法，通过在玻璃钢管/铝合金管上安装扶正器，对水平段管柱施加点载荷，避免了线载荷造成的挠曲变形，同时又实现了管柱的整体平直下偏心，避免了玻璃钢管/铝合金管上偏心对顶替效率的不良影响；

4、通过本发明提供的提高煤层气水平井玻璃钢管/铝合金管固井顶替效率的方法，给出了实现玻璃钢管/铝合金管实现最优下偏心居中度所需的扶正器尺寸，为煤层气玻璃钢管/铝合金管固井扶正器尺寸的设计提供了依据。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明：

这种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：

步骤一、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，其计算公式为

式：为玻璃钢管或铝合金管的密度，kg/m³；为玻璃钢管或铝合金管内部钻井液的密度，kg/m³；为玻璃钢管或铝合金管外部水泥浆的密度，kg/m³；R_c为玻璃钢管或铝合金管的外半径，m；r_c为玻璃钢管或铝合金管的内半径，m；g为重力加速度，m/s²；

步骤二、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，输入步骤一得出的水泥浆密度，以及顶替流体的流变性能和排量，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；

步骤三、根据步骤二得到的不同下偏心居中度条件下两相流体顶替数值模拟的结果，通过顶替界面形态的分析，得出顶替界面最短时所对应的最优下偏心居中度；

步骤四、在玻璃钢管或铝合金管上每间隔一定距离安装一个扶正器，所述扶正器采用玻璃钢制扶正器或铝合金制扶正器，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；

玻璃钢管或铝合金管达到最优下偏心居中度的扶正器尺寸为

式中：R_T为扶正器半径，m；为玻璃钢管或铝合金管在煤层气水平井水平段内的最优下偏心居中度，%；>_w为井眼半径，m。

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