適合煤層氣井固井的低密度水泥漿體系

摘 要

摘要：煤層氣井固井與常規(guī)天然氣井固井有一定區(qū)別，前者的難點主要表現(xiàn)在：①低溫低壓下水泥漿強(qiáng)度發(fā)展緩慢；②水泥漿中的微顆粒對煤層割理與裂縫易造成充填與堵塞；③井壁穩(wěn)定性差；④
摘要：煤層氣井固井與常規(guī)天然氣井固井有一定區(qū)別，前者的難點主要表現(xiàn)在：①低溫低壓下水泥漿強(qiáng)度發(fā)展緩慢；②水泥漿中的微顆粒對煤層割理與裂縫易造成充填與堵塞；③井壁穩(wěn)定性差；④煤層屬低壓多壓力系統(tǒng)剖面，地層壓力系數(shù)變化規(guī)律性差，難以平衡壓力固井；⑤煤層流體pH值呈酸性，易和水泥漿濾液反應(yīng)產(chǎn)生沉淀污染儲層。為提高煤層氣井的固井質(zhì)量，根據(jù)煤層氣井的特點，確定了適用于煤層氣井固井的低密度水泥漿體系的設(shè)計思路：①選擇密度較低、粒徑合適、抗壓強(qiáng)度適當(dāng)?shù)臏p輕劑；②開發(fā)減輕劑和活性礦物微粉，利用其填充作用、級配調(diào)節(jié)作用和晶核作用來提高體系的力學(xué)性能；③選擇性能良好的成膜型降失水劑和早強(qiáng)劑，控制水泥漿失水并提高早期強(qiáng)度；④確定合適的減輕劑、水泥、礦物微粉的加量比例和粒度分布，根據(jù)固井要求選定水固比配制水泥漿。據(jù)此開發(fā)出了水泥漿密度在1.20～1.50g/cm3范圍內(nèi)可調(diào)，水泥漿失水量低，水泥漿在25～50℃條件下早期強(qiáng)度發(fā)展迅速，力學(xué)性能穩(wěn)定，流動性良好，施工性能良好的低密度水泥漿體系。實驗結(jié)果表明，該水泥漿體系能滿足煤層氣井固井的要求。
關(guān)鍵詞：煤層氣；固井；緊密堆積；低密度水泥；鉆井液；粒徑；減輕劑；增強(qiáng)材料
    固井作業(yè)效果是影響煤層氣井產(chǎn)能的關(guān)鍵之一。由于煤層氣井具有井深淺、儲集方式特殊等特點[1～2]，因而煤層氣井固井與天然氣井固井有著較大區(qū)別。因此，在綜合考慮煤儲層的物理化學(xué)性質(zhì)和巖石力學(xué)性質(zhì)并結(jié)合煤層氣井鉆井完井方式的基礎(chǔ)上，明確了煤層氣井的固井要求、開發(fā)出符合要求的水泥漿體系，對提高煤層氣井固井質(zhì)量具有重要意義。
1 煤層氣井對固井水泥漿性能的要求
1.1 煤層氣井的特點
   對煤層氣井而言，煤層既是氣源巖，又是儲集巖。煤層氣井在儲氣機(jī)理、孔滲性能、氣井的產(chǎn)氣機(jī)理和產(chǎn)量動態(tài)等方面與天然氣井有明顯區(qū)別[3]。
    中國煤層氣井的特點主要有：①井深一般較淺，井底溫度與壓力低，300～1500m埋深的煤層氣資源占中國煤層氣資源的60%以上；②煤層滲透率低，孔隙壓力低，中國煤層滲透率一般介于0.O02～16.17mD；③儲集方式與儲集層巖性不同于天然氣，煤層氣絕大部分被吸附在煤的內(nèi)表面上，孔隙中游離氣較少，儲集巖為有機(jī)質(zhì)高度富集的可燃有機(jī)巖，易受水泥漿污染；④井壁穩(wěn)定性差，煤層的孔隙體積壓縮系數(shù)在0.01MPa-1范圍內(nèi)，其孔隙度和滲透性對應(yīng)力較敏感；⑤井型主要有垂直井(包括叢式井)和多分支水平井兩種，鉆進(jìn)方式主要有近平衡鉆井與欠平衡鉆井。
1.2 煤層氣井固井難點及對固井水泥漿性能的要求
    煤層氣井固井的難點表現(xiàn)在：①井底溫度一般在50℃以下，井底壓力在10MPa以下，低溫低壓下水泥漿強(qiáng)度發(fā)展緩慢；②煤層滲透率低，孔隙匿力低，水泥漿中的微顆粒對煤層割理與裂縫易造成充填與堵塞，破壞儲集巖，降低煤層氣產(chǎn)量；③井壁穩(wěn)定性差，固井中液柱壓力大于煤層孔隙壓力所引起的高的侵入速度和侵入半徑易破壞煤儲層；④煤層屬低壓多壓力系統(tǒng)剖面，地層壓力系數(shù)變化規(guī)律性差，難以平衡壓力固井；⑤煤層流體pH值呈酸性，易和水泥漿濾液反應(yīng)產(chǎn)生沉淀污染儲層。
    針對以上難點，固井水泥漿性能應(yīng)滿足以下條件：①良好的低溫快凝性能，早期強(qiáng)度發(fā)展迅速，后期強(qiáng)度高；②沉降穩(wěn)定性優(yōu)良，失水量低；③煤儲層壓力低，固井中常需低密度水泥漿；④煤層氣井井淺，井徑擴(kuò)大率大，因此水泥漿應(yīng)具有良好的流變性能。
2 低密度水泥漿體系設(shè)計
2.1 煤層氣固井低密度水泥漿體系設(shè)計思路
    煤層氣井固井水泥漿體系的設(shè)計思路為：①選擇密度較低、粒徑合適、抗壓強(qiáng)度適當(dāng)?shù)臏p輕劑；②據(jù)緊密堆積理論，以水泥粒徑為核心，開發(fā)與減輕劑和水泥具有合理粒度分布級配、火山灰活性較強(qiáng)、球形度較好的活性礦物微粉，利用其填充作用、級配調(diào)節(jié)作用和晶核作用來提高體系的力學(xué)性能；③選擇性能良好的成膜型降失水劑和早強(qiáng)劑，控制水泥漿失水并提高早期強(qiáng)度；④確定合適的減輕劑、水泥、礦物微粉的加量比例和粒度分布，據(jù)固井要求選定水固比配制水泥漿[5]。
2.2 減輕劑的選擇
    漂珠是種薄壁珠狀顆粒，以漂珠為減輕劑的低密度水泥漿具有較低的游離液、較低的滲透率和較高的強(qiáng)度；其缺點在于漂珠承壓能力較低，壓力較高時易破碎或進(jìn)水[6]。在煤層氣井固井中，由于煤層氣井具有井淺、地層壓力低的特點，對漂珠的承壓能力要求較低[7]。綜合以上因素后決定：選擇漂珠為減輕劑。
2.3 增強(qiáng)材料的選擇
    選定漂珠為減輕劑后，由于水泥的粒徑主要集中在20～30μm，漂珠粒徑集中于80～100μm，據(jù)固體懸浮模型，相鄰充填細(xì)微膠凝材料的尺寸dm50應(yīng)在被充填材料顆粒尺寸dm50的1/2.5～1/10范圍內(nèi)(dm50為顆粒累計體積分?jǐn)?shù)為50%處的顆粒直徑)。以固體懸浮模型為指導(dǎo)，開發(fā)了增強(qiáng)材料DRB-1S。DRB-1S由具有火山灰性質(zhì)的多種礦物微粉復(fù)配組成，在水泥漿中起到填充作用、級配調(diào)節(jié)作用和晶核作用[8～10]。

    緊密堆積低密度水泥漿由漂珠、水泥和增強(qiáng)材料組成，堆積密實度較高，從而提高了水泥漿的綜合性能。圖1為活性增強(qiáng)材料DRB-1S的粒度分布圖，由圖1可以看出，DRB-1S的粒徑主要集中于5～10μm；圖2為水泥體系干混組分粒度分布圖。由圖2可以看出，由漂珠、水泥和增強(qiáng)材料組成的干混組分具有優(yōu)化的粒度分布，起到了大小顆粒互相填充的作用[11]。
3 低密度水泥漿體系的性能
3.1 低密度水泥漿配方
    實驗原料：G級油井水泥，漂珠，增強(qiáng)材料DRB-1S，降失水劑DRF-300S，分散劑DRS-1S，早強(qiáng)劑DRA-1S，消泡劑DRX-1，自來水。水泥漿性能實驗按照下列基本配方進(jìn)行：
    1) 1.20g/cm3：水泥100+DRB-1S 50+漂珠100+降失水劑DRF-300S 3+早強(qiáng)劑DRA-1S 3+分散劑DRS-1S 2+消泡劑DRX-1 0.5+水120。
    2) 1.30g/cm3：水泥100+DRB-1S 50+漂珠60+降失水劑DRF-300S 3+早強(qiáng)劑DRA-1S 2+分散劑DRS-1S 2+消泡劑DRX-1 0.5+水120。
    3) 1.40g/cm3：水泥100+DRB-1S 28+漂珠35+降失水劑DRF-300S 2.5+早強(qiáng)劑DRA-1S 2+分散劑DRS-1S 1+消泡劑DRX-1 0.5+水120。
    4) 1.50g/cm3：水泥100+DRB-1S 30+漂珠26+降失水劑DRF-300S 2+早強(qiáng)劑DRA-1S 2+分散劑DRS-1S 1+消泡劑DRX-1 0.5+水120。
3.2 低密度水泥漿體系的綜合性能
    按照基本配方配制出的水泥漿性能如表1所示。

    表1表明，水泥漿綜合性能良好，滿足煤層氣井固井要求：密度在1.20～1.50g/cm3范圍內(nèi)可調(diào)；水泥漿失水量低，不易污染煤層；在25～50℃條件下早期強(qiáng)度發(fā)展迅速，后期強(qiáng)度高；水泥漿流動性良好。
3.3 低密度水泥漿的穩(wěn)定性
   在水泥漿體系中，隨活性增強(qiáng)材料的增加，體系的穩(wěn)定性提高，游離液減少。由圖3可以看出，低密度水泥漿沉降穩(wěn)定性良好，BP實驗中水泥石的上下密度差小于0.03g/cm3，滿足固井要求。
 

3.4 低密度水泥漿的力學(xué)性能
    用5265型靜膠凝強(qiáng)度測試儀和6265型機(jī)械性能測試儀進(jìn)行了水泥漿強(qiáng)度發(fā)展和機(jī)械性能測試；圖4與圖5分別是1.20g/cm3密度水泥漿在30℃下的強(qiáng)度發(fā)展曲線和60℃下的機(jī)械性能發(fā)展曲線。

    由圖4可知，水泥漿有良好的低溫快凝性能，滿足煤層氣井固井的要求；由圖5可知，低密度水泥漿在長期低溫條件下抗壓強(qiáng)度、彈性模量與泊松比保持穩(wěn)定，彈性模量約為9GPa，具有較好的韌性。
4 結(jié)論與建議
    1) 煤層氣井固井水泥漿體系應(yīng)滿足低溫下強(qiáng)度發(fā)展迅速、沉降穩(wěn)定性優(yōu)良、失水量低的要求。
    2) 緊密堆積低密度水泥漿的抗壓強(qiáng)度、穩(wěn)定性和力學(xué)性能良好，可以滿足煤層氣井固井的需要。
    3) 運用最新的緊密堆積理論，根據(jù)水泥石的孔徑分布設(shè)計水泥漿體系，進(jìn)一步提高減輕劑的質(zhì)量，提高低密度水泥漿的綜合性能應(yīng)是以后的發(fā)展方向。
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(本文作者：李明1 齊奉忠2 靳建洲2 于永金2 1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué)；2.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院固井完井研究所)