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 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 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、稠化時間長、流動性差、失水量大、易發(fā)生氣竄等特點，常規(guī)水泥漿體系無法滿足該類井的固井要求。依據(jù)顆粒級配原理，利用分形級配模型得出固相材料的理論配比，通過優(yōu)選外加劑配制了超低密度水泥漿體系。性能評價試驗表明，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，稠化時間可調(diào)范圍大，同時早期形成的水泥石也具有較高的抗壓強度，由此說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

隨著煤層氣的開采利用，煤層氣井面臨著低壓易漏、低溫下強度發(fā)展緩慢、稠化時間長、失水量大等固井難題。目前，國內(nèi)外設(shè)計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，筆者針對煤層氣井的特點，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，并對低溫條件下超低密度水泥漿體系的性能進行了研究。

1 超低密度水泥漿體系固相配比設(shè)計

圖1 3種材料粒徑分布圖

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

為合理設(shè)計油井水泥外摻料配比，采用顆粒群分形級配模型進行配比計算，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D的范圍為2.51～2.69。由試驗結(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)進行計算，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，最后進行百分比轉(zhuǎn)換，便得到不同D值下水泥體系緊密堆積時的固相配比。據(jù)此，選取5個不同D值(2.54、2.573、2.6、2.638、2.672)分別進行計算，得到不同D值下水泥體系緊密堆積時的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級水泥，分散劑選用FHJZ-1(勝利油田富海公司)、早強劑選用硫酸鈉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(見表1)。

表1 不同密度的水泥漿體系配方

3 性能評價

3.1抗壓強度

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℃作為試驗溫度，并選取75℃的溫度條件作為對照。將該水泥漿體系分別在4種溫度下養(yǎng)護24h和48h，對所形成的水泥石進行抗壓強度測試。試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知，在25℃低溫養(yǎng)護條件下，24h形成的水泥石壓強度均大于3.6MPa，說明早期形成的水泥石也具有較高的抗壓強度。此外，養(yǎng)護溫度升高，水泥石強度也隨之增大，說明水泥石強度受養(yǎng)護溫度影響較大。

表2 不同養(yǎng)護溫度下水泥漿體系的抗壓強度

3.2漿體性能

漿體性能測試如表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；稠化時間在310～380min之間，可調(diào)范圍大，具有較好的可泵性；析水率很低，說明除了潤濕漂珠和微硅所吸收的水以及水泥水化過程中所用的水之外，幾乎沒有自由水產(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，表明水泥漿體系具有較好的穩(wěn)定性［3］。分別對5組配方形成的水泥柱做懸浮穩(wěn)定性試驗，試驗(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，說明水泥漿具有較好的懸浮穩(wěn)定性，可滿足現(xiàn)場固井施工要求。

4 結(jié) 語

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)顆粒級配原理優(yōu)化固相顆粒配比，通過優(yōu)選外加劑配制了超低密度水泥漿體系。試驗結(jié)果表明，該超低密度水泥漿體系的稠化時間可調(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，同時所形成的水泥石具有較高的抗壓強度，說明設(shè)計的超低密度水泥漿體系綜合性能評價較好，可有效防止煤層氣井固井時產(chǎn)生的漏失及其對儲層的損害，從而顯著改善固井質(zhì)量。

［1］程榮超，王瑞和，王成文，等.基于分形級配理論的油井水泥體系設(shè)計及評價［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報，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)主要從事油田開發(fā)方面的研究工作。

［編輯］ 李啟棟