一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵结构及方法与流程

本发明涉及重叠区天然气井修井工程技术，具体为一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵结构及方法。

背景技术：

1、目前，煤矿重叠区天然气井主要分布于盆地区域，盆地内构造西低东高，纵向自上而下主要为淡水层、煤层和气层叠置。煤矿开采以露天或地表浅层开采为主，与天然气开采矿权重叠区域较小。

2、但近年来，随着煤矿开采技术的发展，煤矿可开采深度大幅提高，煤矿开采区域大幅西进，与油田天然气开采区域形成较大的矿权重叠区，煤矿开采和气田开发的相互避让已成必然。针对煤矿重叠区天然气井，需采用现代射孔+压裂技术进行高效开发，因此，煤矿开采前，天然气井的油层水泥环内部已存在由射孔、压裂及开发导致的裂纹及缺陷，一定程度上破坏了煤矿重叠区水泥环及井筒完整性。

3、并且，煤矿重叠区天然气井弃置后，进行煤矿开采会破坏煤层段内井筒水泥环和套管，导致井筒完整性被彻底破坏。因此，煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵技术成为煤矿安全开采的重要保障。然而，现有天然气井永久性封井标准及永久性封堵工艺均未考虑封井后地下管柱完整性被破坏的情况，已无法满足煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵要求。

4、因此，亟待研究一种经济、安全、环保且适用的新型煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵方法及技术。

5、现有相关技术及方法主要针对储气库封堵而提出的，主要利用管内水泥塞对储气库中无法利用的废弃井进行封堵。

6、具体地，向待封堵的废弃井中注入预设量的水泥浆,待该水泥浆在废气井中凝固后,即可形成水泥塞,以实现对废弃井的封堵。

7、结合煤矿重叠区开发特点，分析发现相关技术至少存在以下问题：1)未考虑煤矿开采对煤层段内井筒水泥环和套管及井筒完整性的破坏；2)煤矿开采时，产层甲烷、co2、h2s等有毒有害气体窜入煤层，造成自然、爆炸、中毒等事故；3)煤矿开采时，煤层有毒有害气体进入淡水层及空气，造成环境污染；4)未考虑射孔、压力及开发过程中导致的水泥环内部缺陷及裂纹对后期封堵的影响。

8、因此，仍需解决射孔压裂开发和煤矿开采双重作用破坏煤矿重叠区天然气井水泥环及井筒完整性的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在射孔压裂开发和煤矿开采双重作用破坏煤矿重叠区天然气井水泥环及井筒完整性的问题，本发明提供一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵结构及方法；不仅可实现煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵，而且还可安全开采煤矿并保护环境，同时解决了煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵、煤矿安全开展及淡水层及空气被污染的技术难题，该结构及方法成本低、操作简单，且极易满足不同井眼环境下的真实工况。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵结构，包括一级屏障、二级屏障和三级屏障，所述生产套管的外侧轴向依次设置淡水层、煤层、盖层及产层，所述淡水层、煤层、盖层及产层依次连接，所述二级屏障的一侧与煤层和淡水层连接，所述二级屏障的另一侧和生产套管连接；所述三级屏障的一侧与产层和盖层连接，所述三级屏障的另一侧和生产套管连接。

4、进一步的，所述一级屏障包括普通套管、易钻合金套管、高强度套管，所述普通套管、易钻合金套管、高强度套管依次连接，其中，所述普通套管设置在淡水层和煤层的内壁，所述盖层和产层设置在普通套管、易钻合金套管和高强度套管的内壁。

5、进一步的，所述二级屏障包括表层水泥环、表层套管、速凝水泥环；所述淡水层的内壁设置表层套管，所述表层套管和普通套管之间设置高强度套管，所述速凝水泥环设置在普通套管和淡水层连接端外侧。

6、进一步的，所述二级屏障包括第一水泥塞和第一桥塞，所述第一水泥塞的下方设置第一桥塞，所述第一水泥塞和第一桥塞同轴设置，所述第一水泥塞的外径和普通套管的内壁面贴合。

7、进一步的，所述三级屏障包括超细水泥浆、密集射孔，所述密集射孔和一级屏障垂直设置，所述超细水泥浆设置在密集射孔内，所述超细水泥浆通过高强度套管上的压裂射孔进入密集射孔。

8、进一步的，所述三级屏障包括油层水泥环、第二桥塞和第二水泥塞，所述第二水泥塞设置在易钻合金套管的内侧，所述第二水泥塞的外壁面和易钻合金套管的内壁面贴合，所述第二水泥塞的下端面和第二桥塞的上端面连接。

9、进一步的，所述表层套管和普通套管之间设置有速凝水泥环，所述速凝水泥环设置在靠近淡水层的一侧，所述速凝水泥环和环空等径。

10、一种基于上述的煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵方法，所述永久性封堵方法包括以下步骤：

11、s1：确定淡水层、煤层、盖层及产层的厚度设置；

12、s2：根据淡水层、煤层、盖层、产层的厚度，对应设置一级屏障；

13、s3：通过不同温度、压力、位置参数，确定二级屏障和三级屏障的各结构参数；

14、s4：根据确定得到的参数结果，由下至上设置二级屏障和三级屏障的各结构，完成永久性封堵。

15、进一步的，根据产层附近的油层水泥环和压裂射孔的参数，确定超细水泥浆在该区域的参数；根据盖层附近油层水泥环和密集射孔的参数，确定超细水泥浆在该区域的参数。

16、进一步的，根据产层、煤层、周围的温度、压力，以及连接一级屏障的内径，以及水泥塞的摩擦系数，确定水泥塞和速凝水泥环的长度以及泥浆的用量。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

18、本发明提供的一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵方法，通过针对产层和煤层的温度、流体及压力特征，提出了一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵结构。

19、在本发明提供的一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵结构上，主要采用向密集射孔孔眼带压挤注超细水泥浆、压裂射孔带压挤注超细水泥浆及第二水泥塞组成的三级屏障对产层和煤层进行阻断和封堵，采用环空水泥环和第一桥塞组成的二级屏障对淡水层和煤层进行阻断和封堵，从而实现了煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵，为后期煤矿安全开采提高了重要保障。

技术特征：

1.一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵结构，其特征在于，包括一级屏障、二级屏障和三级屏障，所述生产套管的外侧轴向依次设置淡水层(4)、煤层(6)、盖层(7)及产层(8)，所述淡水层(4)、煤层(6)、盖层(7)及产层(8)依次连接，所述二级屏障的一侧与煤层(6)和淡水层(4)连接，所述二级屏障的另一侧和生产套管连接；所述三级屏障的一侧与产层(8)和盖层(7)连接，所述三级屏障的另一侧和生产套管连接。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵结构，其特征在于，所述一级屏障包括普通套管(10)、易钻合金套管(11)、高强度套管(12)，所述普通套管(10)、易钻合金套管(11)、高强度套管(12)依次连接，其中，所述普通套管(10)设置在淡水层(4)和煤层(6)的内壁，所述盖层(7)和产层(8)设置在普通套管(10)、易钻合金套管(11)和高强度套管(12)的内壁。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵结构，其特征在于，所述二级屏障包括表层水泥环(5)、表层套管(1)、速凝水泥环(13)；所述淡水层(4)的内壁设置表层套管(1)，所述表层套管(1)和普通套管(10)之间设置高强度套管(12)，所述速凝水泥环(13)设置在普通套管(10)和淡水层(4)连接端外侧。

4.根据权利要求1所述的一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵结构，其特征在于，所述二级屏障包括第一水泥塞(14)和第一桥塞(15)，所述第一水泥塞(14)的下方设置第一桥塞(15)，所述第一水泥塞(14)和第一桥塞(15)同轴设置，所述第一水泥塞(14)的外径和普通套管(10)的内壁面贴合。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵结构，其特征在于，所述三级屏障包括超细水泥浆(19)、密集射孔(18)，所述密集射孔(18)和一级屏障垂直设置，所述超细水泥浆(19)设置在密集射孔(18)内，所述超细水泥浆(19)通过高强度套管(12)上的压裂射孔(9)进入密集射孔(18)。

6.根据权利要求1所述的一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵结构，其特征在于，所述三级屏障包括油层水泥环(3)、第二桥塞(17)和第二水泥塞(16)，所述第二水泥塞(16)设置在易钻合金套管(11)的内侧，所述第二水泥塞(16)的外壁面和易钻合金套管(11)的内壁面贴合，所述第二水泥塞(16)的下端面和第二桥塞(17)的上端面连接。

7.根据权利要求3所述的一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵结构，其特征在于，所述表层套管(1)和普通套管(10)之间设置有速凝水泥环(13)，所述速凝水泥环(13)设置在靠近淡水层(4)的一侧，所述速凝水泥环(13)和环空(2)等径。

8.一种基于权利要求1至权利要求7任一项所述的煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵方法，其特征在于，所述永久性封堵方法包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵方法，其特征在于，根据产层(8)附近的油层水泥环(3)和压裂射孔(9)的参数，确定超细水泥浆(19)在该区域的参数；根据盖层(7)附近油层水泥环(3)和密集射孔(18)的参数，确定超细水泥浆(19)在该区域的参数。

10.根据权利要求8所述的一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵方法，其特征在于，根据产层(8)、煤层(6)、周围的温度、压力，以及连接一级屏障的内径，以及水泥塞的摩擦系数，确定水泥塞和速凝水泥环(13)的长度以及泥浆的用量。

技术总结本发明公开了一种煤矿重叠区天然气弃置井永久性封堵结构，包括一级屏障、二级屏障和三级屏障，所述生产套管的外侧轴向依次设置淡水层、煤层、盖层及产层，所述淡水层、煤层、盖层及产层依次连接，所述二级屏障的一侧与煤层和淡水层连接，所述二级屏障的另一侧和生产套管连接；所述三级屏障的一侧与产层和盖层连接，所述三级屏障的另一侧和生产套管连接。所述永久性封堵方法包括以下步骤：确定淡水层、煤层、盖层及产层的厚度设置；根据淡水层、煤层、盖层、产层的厚度，对应设置一级屏障；通过不同温度、压力、位置参数，确定二级屏障和三级屏障的各结构参数；根据确定得到的参数结果，由下至上设置二级屏障和三级屏障的各结构，完成永久性封堵。技术研发人员：李旭梅,桂捷,王效明,巨亚锋,马得华,吕杨,胡衡,王昌龄,罗有刚,江智强受保护的技术使用者：中国石油天然气股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/26