二连盆地低阶煤层超低密度水泥浆固井技术

刘景丽，彭松，王野，何景朝，姚晓军，毕毅，张鑫，贺兴伟

（1.渤海钻探工程技术研究院，天津300450；2.华北油田煤层气事业部，河北任丘062552；3.渤海钻探第一固井分公司，河北任丘062552）

二连盆地吉尔嘎朗图凹陷低阶煤层发育，煤层埋深浅、压实性差、煤层巨厚，地层承压能力极低，钻井过程中煤层既有漏失点又有涌水点，易造成水泥浆直接大量漏失入煤储层中，严重影响水泥浆返高和固井质量。漏入煤层孔隙或裂缝中的水泥浆颗粒在其中水化固结，会堵塞孔隙或喉道，造成煤储层的永久堵塞，影响煤层气井产气量[1-4]。因此，煤层气固井除了固井质量要高，层间封隔要好，还要对煤储层的伤害小[5-6]。该区块已使用常规低密度水泥浆固井十余井次，固井过程中全部发生过漏失，且水泥浆返高[7]全部低于设计返高，只能靠“正注反挤”的措施进行补救，低返问题已经成为该区块固井的一大难题。为攻克这一难题，通过优选低密度减轻材料及外加剂研发出一套现场应用最低密度达1.06 g/cm3的超低密度水泥浆体系并应用于该区块，取得了良好的效果。

1 室内实验

1.1 二连地区煤岩裂缝显微分析

提取二连盆地吉尔嘎朗图凹陷区块低阶煤层的吉煤8井煤心，通过扫描电镜观察该区块煤岩的微观结构。图1～图4为吉煤8井煤心扫描电镜观测。

图1 煤岩放大500倍

图2 煤岩放大3000倍

图3 煤岩放大3000倍

图4 煤岩放大4000倍

图1 放大500倍，煤岩全貌，样品以镜质体为主，微裂缝发育；图2放大3000倍，丝质体纵断面呈纤维状，顺层分布；图3放大3000倍，叠瓦状木栓质体内发育气孔带；图4放大4000倍，镜质体内组织孔和气孔伴生。发现该煤矿区微裂缝较发育。裂缝是煤层气流动的主要通道，同时极大地降低了岩层的强度。固井水泥浆在灌入过程中会发生漏失或滤失，缝隙也不可避免地为水泥浆及其滤液的渗透提供了通道。

1.2 减轻剂优选

选用中空玻璃微珠作为减轻剂，其堆积密度对水泥浆的密度及抗压强度影响很大。在300 g G级水泥中加入95 g不同中空玻璃微珠，配制成水灰比为0.74的水泥浆，进行中空玻璃微珠的优选，结果见表1。由表1可以看出，堆积密度大的微珠配得的水泥浆密度不易降至1.20 g/cm3以下；堆积密度小的微珠配得的水泥石抗压强度低，微珠易上浮水泥浆体系不稳定，综合考虑选用堆积密度为0.40 g/cm3的中空玻璃微珠。

表1 中空玻璃微珠优选

1.3 超低密度水泥浆体系组成

超低密度水泥浆主要由油井水泥、减轻剂、稳定增强材料及外加剂组成。其中减轻剂使用堆积密度为0.40 g/cm3的低密度空心玻璃微珠，稳定增强材料WZQ（自研）为偶联剂、硅酸钠、超细水泥、微硅等的混合物，外加剂为促凝剂、降失水剂ZJ-2（工程院自产）、分散剂ZF-1（工程院自产）等。由于煤储层的孔隙压力梯度和破裂压力梯度都很低[8]，超低密度水泥浆体系的密度控制在1.05～1.30 g/cm3之间，目的是为了控制水泥浆的液柱压力，实现近平衡压力固井，降低固井作业对煤储层的伤害。按照不同密度要求， 进行了多组水泥、 减轻剂、 外加剂配伍性实验，优选出了不同密度水泥浆配方， 见表 2。

表2 超低密度水泥浆体系配方

1.4 超低密度水泥浆稳定性

减轻剂空心玻璃微珠的堆积密度为0.40 g/cm3左右，水泥的堆积密度为3.15 g/cm3左右，配制低密水泥浆时易出现微珠上浮、水泥下沉等分层离析现象[9]。因此，为解决超低密度水泥浆的悬浮稳定问题，配制体系时一方面利用颗粒级配和紧密堆积原理充分考虑材料的粒径[10-13]，另一方面加入稳定增强材料，增加体系的稳定性，同时提高体系的抗压强度。G级水泥、玻璃微珠、超细水泥及微硅的粒径分布在1～500 μm之间，微硅的颗粒粒径在0.2～1.1 μm之间，能填充水泥颗粒和空心玻璃微珠之间的空隙，增加了体系的悬浮稳定性；稳定增强材料中的超细水泥，水化能力强、速度快，可提高水泥石的早期强度；偶联剂能够改善空心玻璃微珠表面亲水性，在微珠和水泥颗粒之间形成共价键桥；硅酸钠对体系有增稠作用。稳定增强材料和分散剂协同作用达到体系平衡，既增加体系的稳定性又使之具有良好的流动性能。超低密度体系加入稳定增强材料与没加稳定增强材料的配方，其水泥石块对比见图5，加入WZQ后，水泥石块分层现象有明显改善。稳定增强材料加量一般为8%～10%，加量低于5%则水泥浆易分层，沉降稳定性差，加量高于10%则水泥浆的流动性差，虽然可以通过增加分散剂用量调节流动度，但加量大会使水泥浆密度增加。

图5 超低密度水泥浆体系固化体对比

对于超低密度水泥浆要求沉降稳定性好，不易分层，上、 下层的密度差不超过0.05 g/cm3[9]。测试了不同密度水泥浆的沉降稳定性，结果见表3。水泥石上下密度差都不超过0.02 g/cm3。

表3 超低密度水泥浆沉降稳定性实验(室温)

1.5 超低密度水泥浆综合性能评价

评价了1.05～1.30 g/cm3超低密水泥浆的流动性、30 ℃、60 ℃下的失水量、抗压强度及稠化时间，性能见表4、表5。

表4 超低密度水泥浆体系的基本性能（30 ℃）

表5 超低密度水泥浆体系的基本性能（60 ℃）

室内实验表明，配制的超低密度水泥浆流动度控制在19～21 cm时，浆体的沉降稳定性最佳，流动度过低不利于现场泵送，过高则影响浆体沉降稳定性；析水均为0 mL，说明体系较稳定；稠化时间控制在1.5～4.5 h，因该区块煤层气井深浅，温度低，加入促凝剂后稠化时间也稍长；API失水量小于50 mL，对煤储层污染小；24 h抗压强度大于3.5 MPa，72 h抗压强度大于6.0 MPa。

1.6 超低密度水泥浆失水滤液性能

对比超低密度水泥浆（密度为1.10 g/cm3）与普通低密度水泥浆（密度为1.60 g/cm3）滤液黏度与切力性能，见表6。

通过表6可知，常规滤液表观黏度比清水稍高，基本没有切力；超低密度水泥浆滤液与常规水泥浆滤液相比，表观黏度和密度均有所升高，但变化量较小，动切力变化较明显。

从储层保护的角度分析，超低密度水泥浆由于添加了降失水剂，使滤液有一定动切力，向地层渗透阻力较大，且超低密水泥浆的滤失量小于50 mL，滤液的污染半径会减小，污染程度有所降低。射孔后对煤储层产出影响小。

表6 2种固井水泥浆滤液的基本物理性能参数

2 现场应用

吉煤6井是二连盆地吉尔嘎朗图凹陷的一口煤层气探井。该井地质资料显示，累计存在近300 m的低阶煤煤层，煤层裂缝发育，地层承压能力极低。钻井液密度为1.07 g/cm3，钻进过程中发生过渗漏。工程设计要求水泥浆返至井口，因此固井过程中存在极大的漏失风险。

固井前注入2 m3冲洗液，充分清洗井眼，提高顶替效率；随后先打入12 m3密度为1.06～1.12 g/cm3的超低密度领浆，降低环空液柱压力；然后注入7 m3密度为1.18～1.25 g/cm3的超低密度尾浆，在保证安全的前提下尽可能提高固井质量。全程控制排量不超过1.2 m3/min，施工一切正常，未发生漏失，水泥浆返至地面。最终测井声幅显示固井返高和固井质量均达到设计要求，首次解决了该区块固井低返的难题，实现了突破。

该超低密水泥浆体系已在二连盆地成功应用5井次，解决了该区块固井水泥浆低返问题，5口井水泥浆返高全部满足设计要求，固井质量合格率为100%。

3 结论

1.对二连盆地吉尔嘎朗图凹陷区块低阶煤层的煤岩进行扫描电镜分析，观察煤岩的微观结构，证实该煤矿区块微裂缝较发育，压实性差，水泥浆密度高则容易发生漏失，堵塞或污染储层，现采用超低密度水泥浆，实现近平衡固井，则不再造成漏失或漏失量极小，间接保护了储层和油气通道。

2.超低密度水泥浆主要由油井水泥、减轻剂、稳定增强材料及外加剂组成，其密度在1.05～1.30 g/cm3之间可调，综合性能优良。通过颗粒级配及加入稳定增强材料增加体系的稳定性，同时提高体系的抗压强度。

3.超低密度水泥浆滤液有一定动切力，向地层渗透的阻力较大，且该体系的滤失量小于50 mL，有利于降低污染程度。

4.该超低密度水泥浆体系已在华北油田的二连盆地应用5井次，成功解决了该区块固井水泥浆低返问题，固井质量合格率为100%。