超低密度水泥浆体系在鹤煤3井固井中的应用

2015-07-02齐先立

石油地质与工程 2015年5期

关键词：强剂固井低密度

齐先立

(中国石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮阳 457001)

超低密度水泥浆体系在鹤煤3井固井中的应用

齐先立

(中国石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮阳 457001)

鹤煤3井在360～1 030 m井段共发生8次漏失，共计漏失钻井液100 m3。通过优选水泥浆体系，采用含有特种纤维防漏增韧和助防漏材料的低密度和超低密度两种水泥浆体系相搭配进行固井，有效地防止了井漏，固井质量良好。超低密度水泥浆体系在该井的成功应用，为该区块大面积开发煤层气提供了强有力的技术保障。

鹤岗盆地；鹤煤3井；超低密度水泥浆；固井

鹤煤3井位于鹤岗盆地红旗断陷东部斜坡区，自上而下依次钻遇道台组、宝泉岭组、松木河组、猴石沟组、东山组、穆棱组、城子河组，穆棱组、城子河组为主要目的层，穆棱组主要为灰色砂质砾岩夹深灰色泥岩、粉砂质泥岩、灰色泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩，与下伏地层呈不整合接触。城子河组为主要含煤层系。本区煤储层压力多数处于略欠压状态，压力为2.24～5.00 MPa。从储层压力和压力梯度看，随着煤层埋藏深度的增加，储层压力增高，压力梯度增大。

该井钻井目的是通过钻井采气，有效地降低煤层和围岩中的瓦斯含量，达到安全采煤目的，总体评价煤层气勘探前景，同时兼探致密砂岩气，为鹤岗盆地进一步评价和寻找煤层气提供参数。

1 工程简况及固井难点

鹤煤3井一开使用φ346 mm钻头钻至井深52 m,φ273 mm表层套管下至井深51.90 m；二开使用φ215.9 mm钻头钻至井深1 420 m完钻，φ139.7 mm套管下至井深1 417.98 m。该井气层顶界598 m，气层底界是1 381 m。二开采用微泡沫钻井液，钻至360 m时发生井漏，漏失密度0.90 g/cm3；钻进至1 030 m处时发生井漏，漏失密度0.98 g/cm3；该井从360 m到1 030 m处存在多处漏失点。后将密度降至0.95 g/cm3，同时降低泵排量直至完钻。完钻电测前共计发生漏失20多次，共计漏失钻井液约100 m3左右。

根据钻井情况，该井固井施工存在以下技术难点：①上部地层的断层、不整合面等存在漏失的问题，固井施工过程中有水泥浆漏失的隐患，且易造成水泥浆低返；下部煤层段抗破裂压力低，固井存在漏失风险。②井浅且地温梯度较低，若水泥浆密度过低，返高顶部的水泥石的强度发展缓慢，强度很难满足地质要求。

2 水泥浆体系研究

针对鹤煤3井钻井过程中的漏失情况，为防止固井及候凝过程中发生漏失，首先采用降低水泥浆的密度。单纯的降低水泥浆密度会导致水泥浆的失水、析水增大，强度降低，且浆体的稳定性也大大降低，所以采用一般的低密度水泥浆体系已远远不能满足固井施工要求。

2.1 超低密度水泥浆

针对该井漏失严重情况，选用低密度和超低密度两种水泥浆体系相搭配。水泥浆体系采用减轻材料和颗粒级配[1]的漂珠微硅低密度水泥浆体系。在兼顾水泥浆密度、流动性和强度的同时，选用性能优异的低密度水泥浆稳定剂，以解决减轻材料在水泥浆中上浮的问题。由于钻井过程中采用的是微泡沫钻井液体系，钻井液的密度为0.95 g/cm3，根据该井的裂缝孔隙型漏失情况及地层特性，选择由特种纤维防漏剂及适量助防漏剂组成的低密度水泥浆体系[2]。特种纤维防漏剂具有适宜的尺寸，表面经过亲水处理，在水泥浆中具有良好的分散作用。助防漏剂具有悬浮稳定纤维，保证纤维在水泥浆中均匀分散作用，与水泥颗粒及纤维相互作用，形成网络结构，大大提高防漏剂堵漏能力，并可适当提高纤维与水泥的胶结作用。作用机理是通过注水泥的压力将堵漏材料压缩，挤入漏失地层，形成屏蔽层，阻止继续漏失；同时纤维材料具有一定的弹性，在水泥浆失重的情况下，体积有所恢复，水泥石发生适度膨胀，阻止油水外浸。根据现场地质情况，在室内用模拟堵漏实验装置，选用不同孔径和和宽度的模块进行实验，根据堵漏效果，确定在水泥浆中加入不同尺寸和长度的纤维材料，通常长度小于12 mm。

2.2 水泥浆性能

水泥浆应具有密度低、防漏、堵漏的性能，同时失水、稠化时间、早期强度等指标还要满足施工和后期开发的要求。根据紧密堆积理论[3]，利用合理的物料颗粒级配，提高单位体积水泥浆中的固相含量，形成更加致密的水泥石；考虑超细矿物材料之间的物理化学作用，在室内对超低密度水泥浆的稳定剂、低温促凝早强剂、低温早强剂、分散剂进行了优选，并进行了一系列的低密度和超低密度防漏水泥浆配方实验。最后选定1.50 g/cm3的常规低密度水泥浆体系和1.25 g/cm3超低密度水泥浆体系。

(1)常规低密度水泥浆体系配方：JHG级高抗硫酸盐油井水泥+25%精细漂珠+36%早强剂+4%纤维防漏剂+4%助防漏剂+2%促凝早强剂+1%分散剂+0.3%消泡剂(水灰比：0.9)。

(2)超低密度水泥浆体系配方：JHG级高抗硫酸盐油井水泥+92%精细漂珠+85%早强剂+8%纤维防漏剂+6%助防漏剂+2.5%促凝早强剂+1%分散剂+1.5%消泡剂(水灰比：1.6)。

从表1的水泥浆性能可知，在45 ℃条件下，密度为1.25 g/cm3的超低密度水泥浆流动性好，游离液基本为零，失水易控制，稠化时间可调，抗压强度高，具有良好的水泥浆综合性能，可满足鹤煤3井的固井施工要求。

3 现场应用情况

根据电测井径、封固段长度及水泥附加量并考虑到部份漏失情况，一级计算需用水泥量16 t；二级计算需用水泥量17 t；固井前钻井液密度为0.95 g/cm3，黏度90 s，滤失量4 mL，含砂量0.1%，初、终切为4/17 Pa，pH值为8。

表1 超低密度水泥浆和低密度水泥浆体系性能评价结果

(1)一级固井：①注隔离液7 m3。②注入密度为1.50 g/cm3的低密度水泥浆25 m3，水泥浆最大密度1.51 g/cm3，最低密度1.45 g/cm3，平均密度1.49 g/cm3。③注入压塞液2.0 m3。④替浆，替浆前期采用水泥车替，替清水10.12 m3。后期改用钻井队泥浆泵替泥浆5.0 m3。(采用塞流顶替，排量控制在1.0 m3/min)。一级固井施工顺利。

(2)二级固井：①注隔离液7 m3。②注密度为1.25 g/cm3的超低密度水泥浆20 m3，水泥浆最大密度1.25 g/cm3，最低密度1.22 g/cm3，平均密度1.24 g/cm3；注密度为1.50 g/cm3的低密度水泥浆16 m3，水泥浆最大密度1.53 g/cm3，最低密度1.50 g/cm3，平均密度1.44 g/cm3。③注压塞液2.0 m3。④替浆，采用水泥车替浆，替清水9.86 m3。(采用塞流顶替，排量控制在1.0 m3/min)。替浆压力0～5 MPa，碰压15 MPa。二级固井施工顺利，水泥浆返出地面。

72小时后测声幅，水泥返高达到设计要求，全井固井质量良好。