适合煤层气井固井的低密度水泥浆体系

摘 要

摘要:煤层气井固井与常规天然气井固井有一定区别,前者的难点主要表现在:①低温低压下水泥浆强度发展缓慢;②水泥浆中的微颗粒对煤层割理与裂缝易造成充填与堵塞;③井壁稳定性差;④

摘要:煤层气井固井与常规天然气井固井有一定区别,前者的难点主要表现在:①低温低压下水泥浆强度发展缓慢;②水泥浆中的微颗粒对煤层割理与裂缝易造成充填与堵塞;③井壁稳定性差;④煤层属低压多压力系统剖面,地层压力系数变化规律性差,难以平衡压力固井;⑤煤层流体pH值呈酸性,易和水泥浆滤液反应产生沉淀污染储层。为提高煤层气井的固井质量,根据煤层气井的特点,确定了适用于煤层气井固井的低密度水泥浆体系的设计思路:①选择密度较低、粒径合适、抗压强度适当的减轻剂;②开发减轻剂和活性矿物微粉,利用其填充作用、级配调节作用和晶核作用来提高体系的力学性能;③选择性能良好的成膜型降失水剂和早强剂,控制水泥浆失水并提高早期强度;④确定合适的减轻剂、水泥、矿物微粉的加量比例和粒度分布,根据固井要求选定水固比配制水泥浆。据此开发出了水泥浆密度在1.20~1.50g/cm3范围内可调,水泥浆失水量低,水泥浆在25~50℃条件下早期强度发展迅速,力学性能稳定,流动性良好,施工性能良好的低密度水泥浆体系。实验结果表明,该水泥浆体系能满足煤层气井固井的要求。
关键词:煤层气;固井;紧密堆积;低密度水泥;钻井液;粒径;减轻剂;增强材料
    固井作业效果是影响煤层气井产能的关键之一。由于煤层气井具有井深浅、储集方式特殊等特点[1~2],因而煤层气井固井与天然气井固井有着较大区别。因此,在综合考虑煤储层的物理化学性质和岩石力学性质并结合煤层气井钻井完井方式的基础上,明确了煤层气井的固井要求、开发出符合要求的水泥浆体系,对提高煤层气井固井质量具有重要意义。
1 煤层气井对固井水泥浆性能的要求
1.1 煤层气井的特点
   对煤层气井而言,煤层既是气源岩,又是储集岩。煤层气井在储气机理、孔渗性能、气井的产气机理和产量动态等方面与天然气井有明显区别[3]
    中国煤层气井的特点主要有:①井深一般较浅,井底温度与压力低,300~1500m埋深的煤层气资源占中国煤层气资源的60%以上;②煤层渗透率低,孔隙压力低,中国煤层渗透率一般介于0.O02~16.17mD;③储集方式与储集层岩性不同于天然气,煤层气绝大部分被吸附在煤的内表面上,孔隙中游离气较少,储集岩为有机质高度富集的可燃有机岩,易受水泥浆污染;④井壁稳定性差,煤层的孔隙体积压缩系数在0.01MPa-1范围内,其孔隙度和渗透性对应力较敏感;⑤井型主要有垂直井(包括丛式井)和多分支水平井两种,钻进方式主要有近平衡钻井与欠平衡钻井。
1.2 煤层气井固井难点及对固井水泥浆性能的要求
    煤层气井固井的难点表现在:①井底温度一般在50℃以下,井底压力在10MPa以下,低温低压下水泥浆强度发展缓慢;②煤层渗透率低,孔隙匿力低,水泥浆中的微颗粒对煤层割理与裂缝易造成充填与堵塞,破坏储集岩,降低煤层气产量;③井壁稳定性差,固井中液柱压力大于煤层孔隙压力所引起的高的侵入速度和侵入半径易破坏煤储层;④煤层属低压多压力系统剖面,地层压力系数变化规律性差,难以平衡压力固井;⑤煤层流体pH值呈酸性,易和水泥浆滤液反应产生沉淀污染储层。
    针对以上难点,固井水泥浆性能应满足以下条件:①良好的低温快凝性能,早期强度发展迅速,后期强度高;②沉降稳定性优良,失水量低;③煤储层压力低,固井中常需低密度水泥浆;④煤层气井井浅,井径扩大率大,因此水泥浆应具有良好的流变性能。
2 低密度水泥浆体系设计
2.1 煤层气固井低密度水泥浆体系设计思路
    煤层气井固井水泥浆体系的设计思路为:①选择密度较低、粒径合适、抗压强度适当的减轻剂;②据紧密堆积理论,以水泥粒径为核心,开发与减轻剂和水泥具有合理粒度分布级配、火山灰活性较强、球形度较好的活性矿物微粉,利用其填充作用、级配调节作用和晶核作用来提高体系的力学性能;③选择性能良好的成膜型降失水剂和早强剂,控制水泥浆失水并提高早期强度;④确定合适的减轻剂、水泥、矿物微粉的加量比例和粒度分布,据固井要求选定水固比配制水泥浆[5]
2.2 减轻剂的选择
    漂珠是种薄壁珠状颗粒,以漂珠为减轻剂的低密度水泥浆具有较低的游离液、较低的渗透率和较高的强度;其缺点在于漂珠承压能力较低,压力较高时易破碎或进水[6]。在煤层气井固井中,由于煤层气井具有井浅、地层压力低的特点,对漂珠的承压能力要求较低[7]。综合以上因素后决定:选择漂珠为减轻剂。
2.3 增强材料的选择
    选定漂珠为减轻剂后,由于水泥的粒径主要集中在20~30μm,漂珠粒径集中于80~100μm,据固体悬浮模型,相邻充填细微胶凝材料的尺寸dm50应在被充填材料颗粒尺寸dm50的1/2.5~1/10范围内(dm50为颗粒累计体积分数为50%处的颗粒直径)。以固体悬浮模型为指导,开发了增强材料DRB-1S。DRB-1S由具有火山灰性质的多种矿物微粉复配组成,在水泥浆中起到填充作用、级配调节作用和晶核作用[8~10]

    紧密堆积低密度水泥浆由漂珠、水泥和增强材料组成,堆积密实度较高,从而提高了水泥浆的综合性能。图1为活性增强材料DRB-1S的粒度分布图,由图1可以看出,DRB-1S的粒径主要集中于5~10μm;图2为水泥体系干混组分粒度分布图。由图2可以看出,由漂珠、水泥和增强材料组成的干混组分具有优化的粒度分布,起到了大小颗粒互相填充的作用[11]
3 低密度水泥浆体系的性能
3.1 低密度水泥浆配方
    实验原料:G级油井水泥,漂珠,增强材料DRB-1S,降失水剂DRF-300S,分散剂DRS-1S,早强剂DRA-1S,消泡剂DRX-1,自来水。水泥浆性能实验按照下列基本配方进行:
    1) 1.20g/cm3:水泥100+DRB-1S 50+漂珠100+降失水剂DRF-300S 3+早强剂DRA-1S 3+分散剂DRS-1S 2+消泡剂DRX-1 0.5+水120。
    2) 1.30g/cm3:水泥100+DRB-1S 50+漂珠60+降失水剂DRF-300S 3+早强剂DRA-1S 2+分散剂DRS-1S 2+消泡剂DRX-1 0.5+水120。
    3) 1.40g/cm3:水泥100+DRB-1S 28+漂珠35+降失水剂DRF-300S 2.5+早强剂DRA-1S 2+分散剂DRS-1S 1+消泡剂DRX-1 0.5+水120。
    4) 1.50g/cm3:水泥100+DRB-1S 30+漂珠26+降失水剂DRF-300S 2+早强剂DRA-1S 2+分散剂DRS-1S 1+消泡剂DRX-1 0.5+水120。
3.2 低密度水泥浆体系的综合性能
    按照基本配方配制出的水泥浆性能如表1所示。

    表1表明,水泥浆综合性能良好,满足煤层气井固井要求:密度在1.20~1.50g/cm3范围内可调;水泥浆失水量低,不易污染煤层;在25~50℃条件下早期强度发展迅速,后期强度高;水泥浆流动性良好。
3.3 低密度水泥浆的稳定性
   在水泥浆体系中,随活性增强材料的增加,体系的稳定性提高,游离液减少。由图3可以看出,低密度水泥浆沉降稳定性良好,BP实验中水泥石的上下密度差小于0.03g/cm3,满足固井要求。
 

3.4 低密度水泥浆的力学性能
    用5265型静胶凝强度测试仪和6265型机械性能测试仪进行了水泥浆强度发展和机械性能测试;图4与图5分别是1.20g/cm3密度水泥浆在30℃下的强度发展曲线和60℃下的机械性能发展曲线。

    由图4可知,水泥浆有良好的低温快凝性能,满足煤层气井固井的要求;由图5可知,低密度水泥浆在长期低温条件下抗压强度、弹性模量与泊松比保持稳定,弹性模量约为9GPa,具有较好的韧性。
4 结论与建议
    1) 煤层气井固井水泥浆体系应满足低温下强度发展迅速、沉降稳定性优良、失水量低的要求。
    2) 紧密堆积低密度水泥浆的抗压强度、稳定性和力学性能良好,可以满足煤层气井固井的需要。
    3) 运用最新的紧密堆积理论,根据水泥石的孔径分布设计水泥浆体系,进一步提高减轻剂的质量,提高低密度水泥浆的综合性能应是以后的发展方向。
参考文献
[1] 王红岩,赵洪林,赵庆波,等.煤层气富集成藏规律[M].北京:石油工业出版社,2005.
[2] 秦勇.国外煤层气成因与储层物性研究进展与分析[J].地学前缘,2005,12(3):291-292.
[3] LANGENBERG C W,BEATON A,BERHANE H.Regional evaluation of the coalbed methane potential of the Foothills/Mountains of Alberta,Canada[J].International Journal of Coal Geology,2006,65(1):114-128.
[4] 齐奉忠,刘爱萍.煤层气井固井技术研究与实践[J].天然气工业,2001,21(1):75-78.
[5] 刘爱萍,邓金根,鲜保安.保护煤储层的煤层气井固井技术[J].石油钻采工艺,2006,28(2):35-38.
[6] 高兴原,李喜峰,李国金,等.低密度高强度水泥浆体系在苏丹1/2/4区块的应用[J].天然气工业,2005,25(12):58-59.
[7] 薛改珍,金学锋,张景良,等.沁水盆地煤层气安全钻井工艺[J].石油钻探技术,2007,35(5):65-67.
[8] ERDOGDU K,TURKER P.Effects of fly ash particle size on strength of Portland cement fly ash mortars[J].Cement and Concrete Research,1998,28(9):1217-1222.
[9] 0LORUNSOGO F T.Particle size distribution of GGBS and bleeding characteristics of slag cement mortars[J].Cement and Concrete Research,1998,28(6):907-919.
[10] 黄柏宗.紧密堆积理论的微观机理及模型设计[J].石油钻探技术,2007,35(1):5-12.
[11] 孙富全,侯薇,靳建洲,等.超低密度水泥浆体系设计和研究[J].钻井液与完井液,2007,24(3):31-34.
 
(本文作者:李明1 齐奉忠2 靳建洲2 于永金2 1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学;2.中国石油集团钻井工程技术研究院固井完井研究所)