二連盆地低階煤層超低密度水泥漿固井技術

劉景麗，彭松，王野，何景朝，姚曉軍，畢毅，張鑫，賀興偉

（1.渤海鉆探工程技術研究院，天津300450；2.華北油田煤層氣事業(yè)部，河北任丘062552；3.渤海鉆探第一固井分公司，河北任丘062552）

二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷低階煤層發(fā)育，煤層埋深淺、壓實性差、煤層巨厚，地層承壓能力極低，鉆井過程中煤層既有漏失點又有涌水點，易造成水泥漿直接大量漏失入煤儲層中，嚴重影響水泥漿返高和固井質量。漏入煤層孔隙或裂縫中的水泥漿顆粒在其中水化固結，會堵塞孔隙或喉道，造成煤儲層的永久堵塞，影響煤層氣井產氣量[1-4]。因此，煤層氣固井除了固井質量要高，層間封隔要好，還要對煤儲層的傷害小[5-6]。該區(qū)塊已使用常規(guī)低密度水泥漿固井十余井次，固井過程中全部發(fā)生過漏失，且水泥漿返高[7]全部低于設計返高，只能靠“正注反擠”的措施進行補救，低返問題已經成為該區(qū)塊固井的一大難題。為攻克這一難題，通過優(yōu)選低密度減輕材料及外加劑研發(fā)出一套現場應用最低密度達1.06 g/cm3的超低密度水泥漿體系并應用于該區(qū)塊，取得了良好的效果。

1 室內實驗

1.1 二連地區(qū)煤巖裂縫顯微分析

提取二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷區(qū)塊低階煤層的吉煤8井煤心，通過掃描電鏡觀察該區(qū)塊煤巖的微觀結構。圖1～圖4為吉煤8井煤心掃描電鏡觀測。

圖1 煤巖放大500倍

圖2 煤巖放大3000倍

圖3 煤巖放大3000倍

圖4 煤巖放大4000倍

圖1 放大500倍，煤巖全貌，樣品以鏡質體為主，微裂縫發(fā)育；圖2放大3000倍，絲質體縱斷面呈纖維狀，順層分布；圖3放大3000倍，疊瓦狀木栓質體內發(fā)育氣孔帶；圖4放大4000倍，鏡質體內組織孔和氣孔伴生。發(fā)現該煤礦區(qū)微裂縫較發(fā)育。裂縫是煤層氣流動的主要通道，同時極大地降低了巖層的強度。固井水泥漿在灌入過程中會發(fā)生漏失或濾失，縫隙也不可避免地為水泥漿及其濾液的滲透提供了通道。

1.2 減輕劑優(yōu)選

選用中空玻璃微珠作為減輕劑，其堆積密度對水泥漿的密度及抗壓強度影響很大。在300 g G級水泥中加入95 g不同中空玻璃微珠，配制成水灰比為0.74的水泥漿，進行中空玻璃微珠的優(yōu)選，結果見表1。由表1可以看出，堆積密度大的微珠配得的水泥漿密度不易降至1.20 g/cm3以下；堆積密度小的微珠配得的水泥石抗壓強度低，微珠易上浮水泥漿體系不穩(wěn)定，綜合考慮選用堆積密度為0.40 g/cm3的中空玻璃微珠。

表1 中空玻璃微珠優(yōu)選

1.3 超低密度水泥漿體系組成

超低密度水泥漿主要由油井水泥、減輕劑、穩(wěn)定增強材料及外加劑組成。其中減輕劑使用堆積密度為0.40 g/cm3的低密度空心玻璃微珠，穩(wěn)定增強材料WZQ（自研）為偶聯(lián)劑、硅酸鈉、超細水泥、微硅等的混合物，外加劑為促凝劑、降失水劑ZJ-2（工程院自產）、分散劑ZF-1（工程院自產）等。由于煤儲層的孔隙壓力梯度和破裂壓力梯度都很低[8]，超低密度水泥漿體系的密度控制在1.05～1.30 g/cm3之間，目的是為了控制水泥漿的液柱壓力，實現近平衡壓力固井，降低固井作業(yè)對煤儲層的傷害。按照不同密度要求， 進行了多組水泥、 減輕劑、 外加劑配伍性實驗，優(yōu)選出了不同密度水泥漿配方， 見表 2。

表2 超低密度水泥漿體系配方

1.4 超低密度水泥漿穩(wěn)定性

減輕劑空心玻璃微珠的堆積密度為0.40 g/cm3左右，水泥的堆積密度為3.15 g/cm3左右，配制低密水泥漿時易出現微珠上浮、水泥下沉等分層離析現象[9]。因此，為解決超低密度水泥漿的懸浮穩(wěn)定問題，配制體系時一方面利用顆粒級配和緊密堆積原理充分考慮材料的粒徑[10-13]，另一方面加入穩(wěn)定增強材料，增加體系的穩(wěn)定性，同時提高體系的抗壓強度。G級水泥、玻璃微珠、超細水泥及微硅的粒徑分布在1～500 μm之間，微硅的顆粒粒徑在0.2～1.1 μm之間，能填充水泥顆粒和空心玻璃微珠之間的空隙，增加了體系的懸浮穩(wěn)定性；穩(wěn)定增強材料中的超細水泥，水化能力強、速度快，可提高水泥石的早期強度；偶聯(lián)劑能夠改善空心玻璃微珠表面親水性，在微珠和水泥顆粒之間形成共價鍵橋；硅酸鈉對體系有增稠作用。穩(wěn)定增強材料和分散劑協(xié)同作用達到體系平衡，既增加體系的穩(wěn)定性又使之具有良好的流動性能。超低密度體系加入穩(wěn)定增強材料與沒加穩(wěn)定增強材料的配方，其水泥石塊對比見圖5，加入WZQ后，水泥石塊分層現象有明顯改善。穩(wěn)定增強材料加量一般為8%～10%，加量低于5%則水泥漿易分層，沉降穩(wěn)定性差，加量高于10%則水泥漿的流動性差，雖然可以通過增加分散劑用量調節(jié)流動度，但加量大會使水泥漿密度增加。

圖5 超低密度水泥漿體系固化體對比

對于超低密度水泥漿要求沉降穩(wěn)定性好，不易分層，上、 下層的密度差不超過0.05 g/cm3[9]。測試了不同密度水泥漿的沉降穩(wěn)定性，結果見表3。水泥石上下密度差都不超過0.02 g/cm3。

表3 超低密度水泥漿沉降穩(wěn)定性實驗(室溫)

1.5 超低密度水泥漿綜合性能評價

評價了1.05～1.30 g/cm3超低密水泥漿的流動性、30 ℃、60 ℃下的失水量、抗壓強度及稠化時間，性能見表4、表5。

表4 超低密度水泥漿體系的基本性能（30 ℃）

表5 超低密度水泥漿體系的基本性能（60 ℃）

室內實驗表明，配制的超低密度水泥漿流動度控制在19～21 cm時，漿體的沉降穩(wěn)定性最佳，流動度過低不利于現場泵送，過高則影響漿體沉降穩(wěn)定性；析水均為0 mL，說明體系較穩(wěn)定；稠化時間控制在1.5～4.5 h，因該區(qū)塊煤層氣井深淺，溫度低，加入促凝劑后稠化時間也稍長；API失水量小于50 mL，對煤儲層污染小；24 h抗壓強度大于3.5 MPa，72 h抗壓強度大于6.0 MPa。

1.6 超低密度水泥漿失水濾液性能

對比超低密度水泥漿（密度為1.10 g/cm3）與普通低密度水泥漿（密度為1.60 g/cm3）濾液黏度與切力性能，見表6。

通過表6可知，常規(guī)濾液表觀黏度比清水稍高，基本沒有切力；超低密度水泥漿濾液與常規(guī)水泥漿濾液相比，表觀黏度和密度均有所升高，但變化量較小，動切力變化較明顯。

從儲層保護的角度分析，超低密度水泥漿由于添加了降失水劑，使濾液有一定動切力，向地層滲透阻力較大，且超低密水泥漿的濾失量小于50 mL，濾液的污染半徑會減小，污染程度有所降低。射孔后對煤儲層產出影響小。

表6 2種固井水泥漿濾液的基本物理性能參數

2 現場應用

吉煤6井是二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷的一口煤層氣探井。該井地質資料顯示，累計存在近300 m的低階煤煤層，煤層裂縫發(fā)育，地層承壓能力極低。鉆井液密度為1.07 g/cm3，鉆進過程中發(fā)生過滲漏。工程設計要求水泥漿返至井口，因此固井過程中存在極大的漏失風險。

固井前注入2 m3沖洗液，充分清洗井眼，提高頂替效率；隨后先打入12 m3密度為1.06～1.12 g/cm3的超低密度領漿，降低環(huán)空液柱壓力；然后注入7 m3密度為1.18～1.25 g/cm3的超低密度尾漿，在保證安全的前提下盡可能提高固井質量。全程控制排量不超過1.2 m3/min，施工一切正常，未發(fā)生漏失，水泥漿返至地面。最終測井聲幅顯示固井返高和固井質量均達到設計要求，首次解決了該區(qū)塊固井低返的難題，實現了突破。

該超低密水泥漿體系已在二連盆地成功應用5井次，解決了該區(qū)塊固井水泥漿低返問題，5口井水泥漿返高全部滿足設計要求，固井質量合格率為100%。

3 結論

1.對二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷區(qū)塊低階煤層的煤巖進行掃描電鏡分析，觀察煤巖的微觀結構，證實該煤礦區(qū)塊微裂縫較發(fā)育，壓實性差，水泥漿密度高則容易發(fā)生漏失，堵塞或污染儲層，現采用超低密度水泥漿，實現近平衡固井，則不再造成漏失或漏失量極小，間接保護了儲層和油氣通道。

2.超低密度水泥漿主要由油井水泥、減輕劑、穩(wěn)定增強材料及外加劑組成，其密度在1.05～1.30 g/cm3之間可調，綜合性能優(yōu)良。通過顆粒級配及加入穩(wěn)定增強材料增加體系的穩(wěn)定性，同時提高體系的抗壓強度。

3.超低密度水泥漿濾液有一定動切力，向地層滲透的阻力較大，且該體系的濾失量小于50 mL，有利于降低污染程度。

4.該超低密度水泥漿體系已在華北油田的二連盆地應用5井次，成功解決了該區(qū)塊固井水泥漿低返問題，固井質量合格率為100%。