煤層氣井超低密度水泥漿體系研究

王昕馨 唐文泉

(中石化勝利油田分公司現(xiàn)河采油廠，山東 東營(yíng) 257061) (中石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

煤層氣井超低密度水泥漿體系研究

王昕馨 唐文泉

(中石化勝利油田分公司現(xiàn)河采油廠，山東 東營(yíng) 257061) (中石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

煤層氣固井具有井身淺、井底溫度低、稠化時(shí)間長(zhǎng)、流動(dòng)性差、失水量大、易發(fā)生氣竄等特點(diǎn)，常規(guī)水泥漿體系無(wú)法滿足該類(lèi)井的固井要求。依據(jù)顆粒級(jí)配原理，利用分形級(jí)配模型得出固相材料的理論配比，通過(guò)優(yōu)選外加劑配制了超低密度水泥漿體系。性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)表明，該體系的懸浮穩(wěn)定性和流變性能較好，失水量和析水率很低，稠化時(shí)間可調(diào)范圍大，同時(shí)早期形成的水泥石也具有較高的抗壓強(qiáng)度，由此說(shuō)明該超低密度水泥漿體系在低溫條件下具有較好的綜合性能。

煤層氣井；超低密度水泥漿體系；固井

隨著煤層氣的開(kāi)采利用，煤層氣井面臨著低壓易漏、低溫下強(qiáng)度發(fā)展緩慢、稠化時(shí)間長(zhǎng)、失水量大等固井難題。目前，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)的超低密度水泥漿體系大多適用于地層溫度較高的油氣井中，而對(duì)于低溫環(huán)境下超低密度水泥漿體系的性能研究較少。為此，筆者針對(duì)煤層氣井的特點(diǎn)，綜合考慮成本、應(yīng)用效果及配伍性等因素配制了超低密度水泥漿體系，并對(duì)低溫條件下超低密度水泥漿體系的性能進(jìn)行了研究。

1 超低密度水泥漿體系固相配比設(shè)計(jì)

圖1 3種材料粒徑分布圖

對(duì)于超低密度水泥漿體系，水泥與減輕劑相互間的粒徑級(jí)配關(guān)系是影響體系強(qiáng)度的重要因素。為實(shí)現(xiàn)水泥體系的緊密堆積，從而獲得較高的早期強(qiáng)度，對(duì)所選用的勝濰G級(jí)水泥、漂珠及微硅(上海天愷硅粉)進(jìn)行粒度分析［1］，具體粒徑分布如圖1所示。

為合理設(shè)計(jì)油井水泥外摻料配比，采用顆粒群分形級(jí)配模型進(jìn)行配比計(jì)算，所建立的模型如下［1］：

(1)

式中，V(x)為水泥混合料體積分?jǐn)?shù)，%；xmin為組分顆粒最小粒徑，μm；xmax為組分顆粒最大粒徑，μm；x為當(dāng)前粒徑大小，μm；D為粒徑分布分形維數(shù)。

利用數(shù)值分析法得到水泥體系緊密堆積時(shí)D的范圍為2.51～2.69。由試驗(yàn)結(jié)果知，3種物質(zhì)固相顆粒中最大粒徑為370.87μm，最小粒徑為0.0072μm。將極限粒徑和D值代入式(1)進(jìn)行計(jì)算，得到漂珠、微硅和水泥3種物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)，再乘以它們各自的密度得到3種物質(zhì)的質(zhì)量百分比，最后進(jìn)行百分比轉(zhuǎn)換，便得到不同D值下水泥體系緊密堆積時(shí)的固相配比。據(jù)此，選取5個(gè)不同D值(2.54、2.573、2.6、2.638、2.672)分別進(jìn)行計(jì)算，得到不同D值下水泥體系緊密堆積時(shí)的5組基礎(chǔ)配方，即水泥∶漂珠∶微硅的質(zhì)量比分別為100∶70∶30(配方1)、100∶80∶35(配方2)、100∶90∶45(配方3)、100∶100∶50(配方4)、100∶110∶60(配方5)。

2 超低密度水泥漿體系配方

減輕劑選用山東漂珠CP-1為減輕劑，膠凝材料選用勝濰G級(jí)水泥，分散劑選用FHJZ-1(勝利油田富海公司)、早強(qiáng)劑選用硫酸鈉Na2SO4與三乙醇胺(TEA)復(fù)配，降失水劑選用W99(天津中油渤星公司)，最終組成不同密度的水泥漿配方(見(jiàn)表1)。

表1 不同密度的水泥漿體系配方

3 性能評(píng)價(jià)

3.1抗壓強(qiáng)度

煤層氣井井底溫度低，一般在25～45℃之間［2］，因而選取25、35和45℃作為試驗(yàn)溫度，并選取75℃的溫度條件作為對(duì)照。將該水泥漿體系分別在4種溫度下養(yǎng)護(hù)24h和48h，對(duì)所形成的水泥石進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，在25℃低溫養(yǎng)護(hù)條件下，24h形成的水泥石壓強(qiáng)度均大于3.6MPa，說(shuō)明早期形成的水泥石也具有較高的抗壓強(qiáng)度。此外，養(yǎng)護(hù)溫度升高，水泥石強(qiáng)度也隨之增大，說(shuō)明水泥石強(qiáng)度受養(yǎng)護(hù)溫度影響較大。

表2 不同養(yǎng)護(hù)溫度下水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度

3.2漿體性能

漿體性能測(cè)試如表3所示。由表3可知，稠度系數(shù)K的范圍在0.9～1.2Pa·sn，說(shuō)明水泥漿體系具有較好的流變性能；水泥漿體系30min失水量可降至50ml以下，十分有利于固井質(zhì)量的提高及煤層保護(hù)；稠化時(shí)間在310～380min之間，可調(diào)范圍大，具有較好的可泵性；析水率很低，說(shuō)明除了潤(rùn)濕漂珠和微硅所吸收的水以及水泥水化過(guò)程中所用的水之外，幾乎沒(méi)有自由水產(chǎn)生，因而水泥漿體系的水固比是合理的。

注：流性指數(shù)n越大，稠度系數(shù)K越小，說(shuō)明漿體流變性越好。

3.3懸浮穩(wěn)定性

表4 超低密度水泥漿體系懸浮穩(wěn)定性

超低密度水泥漿體系的懸浮穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在水泥柱縱向密度差上。水泥柱上下密度差小于0.08g/cm3時(shí)，表明水泥漿體系具有較好的穩(wěn)定性［3］。分別對(duì)5組配方形成的水泥柱做懸浮穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)(表4)結(jié)果表明，5組配方形成的漿柱最上段與最下段密度偏差在0.015～0.019g/cm3，說(shuō)明水泥漿具有較好的懸浮穩(wěn)定性，可滿足現(xiàn)場(chǎng)固井施工要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

以輕質(zhì)漂珠和穩(wěn)定性好的微硅作為體系減輕劑，依據(jù)顆粒級(jí)配原理優(yōu)化固相顆粒配比，通過(guò)優(yōu)選外加劑配制了超低密度水泥漿體系。試驗(yàn)結(jié)果表明，該超低密度水泥漿體系的稠化時(shí)間可調(diào)范圍大、流變性好、失水量小、析水率很低和懸浮穩(wěn)定性較好，同時(shí)所形成的水泥石具有較高的抗壓強(qiáng)度，說(shuō)明設(shè)計(jì)的超低密度水泥漿體系綜合性能評(píng)價(jià)較好，可有效防止煤層氣井固井時(shí)產(chǎn)生的漏失及其對(duì)儲(chǔ)層的損害，從而顯著改善固井質(zhì)量。

［1］程榮超，王瑞和，王成文，等.基于分形級(jí)配理論的油井水泥體系設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32(6)：84-85.

［2］齊秦中.淺談煤層氣井固井技術(shù)［J］.鉆采工藝，2000，23(1)：13-16.

［3］周仕明.微硅漂珠復(fù)合低密度水泥體系的探討［J］.鉆井液與完井液，1999，16(6)：28-29.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.022

TE256.7

A

1673-1409(2012)07-N068-02

2012-02-27

王昕馨(1982-)，女，2005年大學(xué)畢業(yè),碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事油田開(kāi)發(fā)方面的研究工作。

［編輯］ 李啟棟