貴州省煤層氣井固井水泥漿體系的開(kāi)發(fā)研究

＊趙凌云 周培明 吳章利*

（1.自然資源部復(fù)雜構(gòu)造區(qū)非常規(guī)天然氣評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 貴州 550000 2.貴州省油氣勘查工程研究院 貴州 550000）

貴州省是煤層氣資源大省，僅次于山西、新疆，居全國(guó)第三位。貴州省預(yù)測(cè)埋深2000m以淺煤層氣資源量為31511.59億立方米，約占全國(guó)煤層氣資源量總量的10%[1]。貴州省煤層氣資源具有儲(chǔ)量大、分布集中、品位高等特點(diǎn)，具備大規(guī)模勘探開(kāi)發(fā)的資源優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展煤層氣發(fā)電、液化等利用項(xiàng)目的前景廣闊。

煤層氣的安全高效開(kāi)發(fā)需要鉆探大量的煤層氣井，并配合壓裂等增產(chǎn)工藝，由于煤層的特殊性，在煤層氣的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，存在較多的難題。煤層氣井的固井作業(yè)同樣面臨諸多挑戰(zhàn)：（1）貴州省煤層含氣飽和度普遍較高，超過(guò)90%的產(chǎn)層含氣飽和度大于50%，且主要分布在70%～90%產(chǎn)層，這非常有利于煤層氣井產(chǎn)量的保證，但這給固井作業(yè)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，對(duì)固井水泥漿的防竄性能要求較高[2]；（2）煤層裂縫發(fā)育、破裂壓力低，固井過(guò)程中水泥漿容易漏失，污染儲(chǔ)層、水泥漿返高難以滿足要求，為了減少水泥漿對(duì)煤層的傷害，要求水泥漿具有良好的防漏能力和較低的失水量[3]；（3）煤層的潤(rùn)濕性與水泥石存在較大差異，導(dǎo)致界面密封質(zhì)量往往較差[4]；（4）煤層埋藏較淺，井底溫度較低，水泥石強(qiáng)度發(fā)展緩慢，影響施工進(jìn)度和施工安全[5]。下文基于顆粒級(jí)配技術(shù)設(shè)計(jì)得到了水泥體系[6]，并通過(guò)優(yōu)選早強(qiáng)劑等開(kāi)發(fā)得到了適用于貴州煤層氣井固井用的低密度水泥漿體系，對(duì)解決貴州煤層氣井固井難題和促進(jìn)貴州煤層氣的安全高效開(kāi)發(fā)具有重要意義。

1.基于顆粒級(jí)配的低密度水泥體系研究

煤層一般強(qiáng)度較低，因而破裂壓力梯度也較低，在固井過(guò)程中容易發(fā)生水泥漿漏失。為了防止水泥漿漏失，固井時(shí)往往采用低密度水泥漿。低密度水泥漿在配制時(shí)，需要加入較多的低密度材料。低密度材料往往活性比較低，加入大量的低密度材料往往使得水泥石的強(qiáng)度大幅度降低。為了緩解低密度水泥漿水泥石強(qiáng)度的降低，可以減少水的加量。但是減少水的加量又會(huì)使得水泥漿的流變性變差，難以泵送。通過(guò)優(yōu)選圓球度好的外摻料，并通過(guò)優(yōu)選和設(shè)計(jì)不同粒徑的外摻料形成良好的顆粒級(jí)配效果可有效的兼顧水泥的流變性和高強(qiáng)度性能。為此，通過(guò)選擇不同粒徑的材料，形成了三元四組分的水泥體系。具體的材料為油井水泥、超細(xì)膠凝材料、微硅和玻璃微珠。材料組成如表1所示。

表1 低密度水泥體系的材料組成

2.水泥漿降失水劑的優(yōu)選

水泥漿體系的失水對(duì)固井施工至關(guān)重要。對(duì)于煤層氣固井，要求水泥漿失水＜50mL。低失水可以有效降低水泥漿漿體對(duì)產(chǎn)層的污染，保護(hù)井筒周圍有效的滲流通道，其良好的密封性可以有效防止氣竄，增加產(chǎn)能，保證后期煤層氣井的穩(wěn)定生產(chǎn)[7]。降失水劑的類型主要有微顆粒型（如膠乳、微硅等）、天然聚合物型（如改性纖維素等）、人工合成的聚合物（如丙烯酰胺類衍生物等）、聚乙烯醇成膜型降失水劑等。常規(guī)的降失水劑具有明顯的增黏能力，這非常不利于固井注水泥漿期間頂替效率的提高和循環(huán)摩阻的改善。聚乙烯醇成膜型降失水劑具有良好的濾失控制能力、低增黏能力和防氣竄能力，非常適合貴州高含氣飽和度煤儲(chǔ)層的固井問(wèn)題。為此，在多種型號(hào)的降失水劑中優(yōu)選出了具有良好的濾失控制能力和低增黏特性的SGJS-2作為水泥漿降失水劑。

3.彈韌性材料的優(yōu)選

為了提高產(chǎn)量，貴州煤層氣井需要進(jìn)行壓裂。在壓裂載荷下，水泥環(huán)會(huì)破裂失效，影響壓裂效果及后期水泥環(huán)密封完整性。傳統(tǒng)水泥環(huán)較高的彈性模量是壓裂過(guò)程中水泥環(huán)應(yīng)力失效的主要原因。為了防止壓裂過(guò)程中，水泥環(huán)開(kāi)裂失效，需要在水泥漿中加入彈性材料橡膠顆粒[8]。由于傳統(tǒng)的橡膠顆粒屬于親油性材料，其在水泥漿中容易聚并，影響水泥石的力學(xué)性能。為此，需要對(duì)橡膠顆粒進(jìn)行表面改性處理，采用的處理方法為將橡膠顆粒在硅酸鈉水溶液中在80℃下持續(xù)加熱4h。從圖1可以看出，處理前由于潤(rùn)濕性的差異，在表面張力作用下橡膠顆粒漂浮在水面上。從圖2可以看出，處理后橡膠顆粒的潤(rùn)濕性變?yōu)橛H水性，橡膠顆粒全部沉積在水中。選用的橡膠顆粒的粒徑大小為120目，圖3顯示了橡膠粉加量對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響。從圖中可以看出，隨著彈性材料加量的增加，水泥石抗壓強(qiáng)度逐漸降低，在橡膠粉加量為8%時(shí)，水泥石抗壓強(qiáng)度損失6.54MPa（20.89%），彈性模量可以降低至6GPa以下，因此確定橡膠粉加量為8%。

圖1 改性處理前橡膠顆粒在水中的狀態(tài)

圖2 改性處理后橡膠顆粒在水中的狀態(tài)

圖3 橡膠粉加量對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響

4.早強(qiáng)劑的優(yōu)選

煤層氣埋藏淺，地層溫度低，在低溫環(huán)境下水泥漿強(qiáng)度發(fā)展緩慢，嚴(yán)重地影響固井施工進(jìn)度且危害固井安全。為了改善水泥漿的強(qiáng)度發(fā)展速率，需要在水泥漿中加入早強(qiáng)劑[9]。傳統(tǒng)的氯化鈣早強(qiáng)劑擁有較好的促凝效果，但是會(huì)影響水泥石的安定性，也會(huì)危害固井安全。將納米二氧化硅、硫酸鈉、三乙醇胺、鋁酸鈉進(jìn)行復(fù)配開(kāi)發(fā)形成了一種性能優(yōu)異的早強(qiáng)劑，加入該早強(qiáng)劑后，在30℃下水泥石1d抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)率為66%，顯示了優(yōu)異的早強(qiáng)性能。

5.觸變劑的優(yōu)選

貴州煤層氣井容易漏失，而且在高含氣飽和度固井過(guò)程中也非常容易發(fā)生氣竄。良好的觸變特性是防止固井水泥漿漏失和環(huán)空氣竄的有效方法[10]。水泥漿觸變性是指水泥漿在高速剪切下黏度減小，但是靜止或者低剪切速率下黏度增大的一種特性。擁有良好觸變性的水泥漿，在水泥漿泵送過(guò)程中具有較低的黏度可以確保頂替效率和防止壓漏地層，在水泥漿一旦泵注完成后，黏度快速增加，可以有效減少水泥漿靜液柱壓力向下的傳遞，形成“失重”，降低漏失動(dòng)力，有效防止或緩解水泥漿的失重。此外，快速增加的水泥漿的黏度，可以有效阻止侵入水泥漿中的氣體在水泥漿中的運(yùn)移，起到良好的防氣竄效果。為了防止固井過(guò)程中，環(huán)空竄流和水泥漿漏失的發(fā)生，需要在水泥漿中加入觸變劑。傳統(tǒng)的觸變劑為納米二氧化硅、黃原膠等，這些觸變劑的觸變性能良好，但同時(shí)會(huì)增加水泥漿的黏度，不利于固井質(zhì)量的改善。為此，選擇了一種球形的低增黏的微球觸變劑，其可以較好地改善水泥漿的觸變性，且不會(huì)導(dǎo)致水泥漿黏度的額外增加，非常有利于固井安全和固井質(zhì)量的改善。

6.低密高強(qiáng)韌性防漏防竄水泥漿體系的構(gòu)建

圖4 水泥漿稠化曲線圖

本部分基于上述開(kāi)發(fā)的密度為1.37g/cm3的低密度固結(jié)體系，以及優(yōu)選的早強(qiáng)劑、降失水劑、增韌劑等，開(kāi)發(fā)形成了低密高強(qiáng)韌性防漏防竄水泥漿體系。

具體配方如下：水泥100%+玻璃微珠20%+微硅12%+分散劑0.2%+早強(qiáng)劑3.05%+2%降失水劑+120目改性橡膠粉4%+1.5%觸變劑+水固比0.52。

具體的體系性能如下：從表2數(shù)據(jù)可以看出，在密度為1.37g/cm3的低密度條件下，水泥漿的流變性、沉降穩(wěn)定性良好，失水量較低，稠化時(shí)間滿足施工要求，擁有良好的觸變性和抗壓強(qiáng)度特性，彈性模量較低，預(yù)期可較好地滿足低溫煤層氣井的固井作業(yè)要求。

表2 低密高強(qiáng)韌性防漏防竄水泥漿體系性能

圖5 水泥石應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

7.結(jié)語(yǔ)

針對(duì)貴州煤層氣井固井存在的高含氣飽和度、固井環(huán)境溫度低、固井過(guò)程中易發(fā)生環(huán)空氣竄、水泥漿易漏失、水泥漿強(qiáng)度發(fā)展緩慢的問(wèn)題。基于顆粒級(jí)配理論，優(yōu)選油井水泥、超細(xì)膠凝材料、微硅和玻璃微珠四種材料，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了三元四組分膠凝水泥體系，具有良好的早強(qiáng)特性。采用納米二氧化硅、硫酸鈉、三乙醇胺、鋁酸鈉等開(kāi)發(fā)形成了復(fù)合型油井水泥早強(qiáng)劑，水泥漿在30℃一天的強(qiáng)度可以提高60%以上。研究得到了一套橡膠粉表面改性工藝，改性得到了分散性良好、對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度損失較小的改性橡膠粉。基于開(kāi)發(fā)的低密度固結(jié)體系，以及優(yōu)選的早強(qiáng)劑、降失水劑、增韌劑等，開(kāi)發(fā)形成了低密高強(qiáng)韌性防漏防竄水泥漿體系，該體系的綜合性能良好，預(yù)期可較好的滿足貴州低溫煤層氣井的固井作業(yè)要求。