煤层气井超低密度水泥浆体系研究

王昕馨 唐文泉

(中石化胜利油田分公司现河采油厂，山东 东营 257061) (中石化石油工程技术研究院，北京 100101)

煤层气井超低密度水泥浆体系研究

王昕馨 唐文泉

(中石化胜利油田分公司现河采油厂，山东 东营 257061) (中石化石油工程技术研究院，北京 100101)

煤层气固井具有井身浅、井底温度低、稠化时间长、流动性差、失水量大、易发生气窜等特点，常规水泥浆体系无法满足该类井的固井要求。依据颗粒级配原理，利用分形级配模型得出固相材料的理论配比，通过优选外加剂配制了超低密度水泥浆体系。性能评价试验表明，该体系的悬浮稳定性和流变性能较好，失水量和析水率很低，稠化时间可调范围大，同时早期形成的水泥石也具有较高的抗压强度，由此说明该超低密度水泥浆体系在低温条件下具有较好的综合性能。

煤层气井；超低密度水泥浆体系；固井

随着煤层气的开采利用，煤层气井面临着低压易漏、低温下强度发展缓慢、稠化时间长、失水量大等固井难题。目前，国内外设计的超低密度水泥浆体系大多适用于地层温度较高的油气井中，而对于低温环境下超低密度水泥浆体系的性能研究较少。为此，笔者针对煤层气井的特点，综合考虑成本、应用效果及配伍性等因素配制了超低密度水泥浆体系，并对低温条件下超低密度水泥浆体系的性能进行了研究。

1 超低密度水泥浆体系固相配比设计

图1 3种材料粒径分布图

对于超低密度水泥浆体系，水泥与减轻剂相互间的粒径级配关系是影响体系强度的重要因素。为实现水泥体系的紧密堆积，从而获得较高的早期强度，对所选用的胜潍G级水泥、漂珠及微硅(上海天恺硅粉)进行粒度分析［1］，具体粒径分布如图1所示。

为合理设计油井水泥外掺料配比，采用颗粒群分形级配模型进行配比计算，所建立的模型如下［1］：

(1)

式中，V(x)为水泥混合料体积分数，%；xmin为组分颗粒最小粒径，μm；xmax为组分颗粒最大粒径，μm；x为当前粒径大小，μm；D为粒径分布分形维数。

利用数值分析法得到水泥体系紧密堆积时D的范围为2.51～2.69。由试验结果知，3种物质固相颗粒中最大粒径为370.87μm，最小粒径为0.0072μm。将极限粒径和D值代入式(1)进行计算，得到漂珠、微硅和水泥3种物质的体积分数，再乘以它们各自的密度得到3种物质的质量百分比，最后进行百分比转换，便得到不同D值下水泥体系紧密堆积时的固相配比。据此，选取5个不同D值(2.54、2.573、2.6、2.638、2.672)分别进行计算，得到不同D值下水泥体系紧密堆积时的5组基础配方，即水泥∶漂珠∶微硅的质量比分别为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 超低密度水泥浆体系配方

减轻剂选用山东漂珠CP-1为减轻剂，胶凝材料选用胜潍G级水泥，分散剂选用FHJZ-1(胜利油田富海公司)、早强剂选用硫酸钠Na2SO4与三乙醇胺(TEA)复配，降失水剂选用W99(天津中油渤星公司)，最终组成不同密度的水泥浆配方(见表1)。

表1 不同密度的水泥浆体系配方

3 性能评价

3.1抗压强度

煤层气井井底温度低，一般在25～45℃之间［2］，因而选取25、35和45℃作为试验温度，并选取75℃的温度条件作为对照。将该水泥浆体系分别在4种温度下养护24h和48h，对所形成的水泥石进行抗压强度测试。试验结果如表2所示。由表2可知，在25℃低温养护条件下，24h形成的水泥石压强度均大于3.6MPa，说明早期形成的水泥石也具有较高的抗压强度。此外，养护温度升高，水泥石强度也随之增大，说明水泥石强度受养护温度影响较大。

表2 不同养护温度下水泥浆体系的抗压强度

3.2浆体性能

浆体性能测试如表3所示。由表3可知，稠度系数K的范围在0.9～1.2Pa·sn，说明水泥浆体系具有较好的流变性能；水泥浆体系30min失水量可降至50ml以下，十分有利于固井质量的提高及煤层保护；稠化时间在310～380min之间，可调范围大，具有较好的可泵性；析水率很低，说明除了润湿漂珠和微硅所吸收的水以及水泥水化过程中所用的水之外，几乎没有自由水产生，因而水泥浆体系的水固比是合理的。

注：流性指数n越大，稠度系数K越小，说明浆体流变性越好。

3.3悬浮稳定性

表4 超低密度水泥浆体系悬浮稳定性

超低密度水泥浆体系的悬浮稳定性主要表现在水泥柱纵向密度差上。水泥柱上下密度差小于0.08g/cm3时，表明水泥浆体系具有较好的稳定性［3］。分别对5组配方形成的水泥柱做悬浮稳定性试验，试验(表4)结果表明，5组配方形成的浆柱最上段与最下段密度偏差在0.015～0.019g/cm3，说明水泥浆具有较好的悬浮稳定性，可满足现场固井施工要求。

4 结 语

以轻质漂珠和稳定性好的微硅作为体系减轻剂，依据颗粒级配原理优化固相颗粒配比，通过优选外加剂配制了超低密度水泥浆体系。试验结果表明，该超低密度水泥浆体系的稠化时间可调范围大、流变性好、失水量小、析水率很低和悬浮稳定性较好，同时所形成的水泥石具有较高的抗压强度，说明设计的超低密度水泥浆体系综合性能评价较好，可有效防止煤层气井固井时产生的漏失及其对储层的损害，从而显著改善固井质量。

［1］程荣超，王瑞和，王成文，等.基于分形级配理论的油井水泥体系设计及评价［J］.中国石油大学学报，2008，32(6)：84-85.

［2］齐秦中.浅谈煤层气井固井技术［J］.钻采工艺，2000，23(1)：13-16.

［3］周仕明.微硅漂珠复合低密度水泥体系的探讨［J］.钻井液与完井液，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年大学毕业,硕士，助理工程师，现主要从事油田开发方面的研究工作。

［编辑］ 李启栋