贵州省煤层气井固井水泥浆体系的开发研究

＊赵凌云 周培明 吴章利*

（1.自然资源部复杂构造区非常规天然气评价与开发重点实验室 贵州 550000 2.贵州省油气勘查工程研究院 贵州 550000）

贵州省是煤层气资源大省，仅次于山西、新疆，居全国第三位。贵州省预测埋深2000m以浅煤层气资源量为31511.59亿立方米，约占全国煤层气资源量总量的10%[1]。贵州省煤层气资源具有储量大、分布集中、品位高等特点，具备大规模勘探开发的资源优势，开展煤层气发电、液化等利用项目的前景广阔。

煤层气的安全高效开发需要钻探大量的煤层气井，并配合压裂等增产工艺，由于煤层的特殊性，在煤层气的开发过程中，存在较多的难题。煤层气井的固井作业同样面临诸多挑战：（1）贵州省煤层含气饱和度普遍较高，超过90%的产层含气饱和度大于50%，且主要分布在70%～90%产层，这非常有利于煤层气井产量的保证，但这给固井作业带来了极大的挑战，对固井水泥浆的防窜性能要求较高[2]；（2）煤层裂缝发育、破裂压力低，固井过程中水泥浆容易漏失，污染储层、水泥浆返高难以满足要求，为了减少水泥浆对煤层的伤害，要求水泥浆具有良好的防漏能力和较低的失水量[3]；（3）煤层的润湿性与水泥石存在较大差异，导致界面密封质量往往较差[4]；（4）煤层埋藏较浅，井底温度较低，水泥石强度发展缓慢，影响施工进度和施工安全[5]。下文基于颗粒级配技术设计得到了水泥体系[6]，并通过优选早强剂等开发得到了适用于贵州煤层气井固井用的低密度水泥浆体系，对解决贵州煤层气井固井难题和促进贵州煤层气的安全高效开发具有重要意义。

1.基于颗粒级配的低密度水泥体系研究

煤层一般强度较低，因而破裂压力梯度也较低，在固井过程中容易发生水泥浆漏失。为了防止水泥浆漏失，固井时往往采用低密度水泥浆。低密度水泥浆在配制时，需要加入较多的低密度材料。低密度材料往往活性比较低，加入大量的低密度材料往往使得水泥石的强度大幅度降低。为了缓解低密度水泥浆水泥石强度的降低，可以减少水的加量。但是减少水的加量又会使得水泥浆的流变性变差，难以泵送。通过优选圆球度好的外掺料，并通过优选和设计不同粒径的外掺料形成良好的颗粒级配效果可有效的兼顾水泥的流变性和高强度性能。为此，通过选择不同粒径的材料，形成了三元四组分的水泥体系。具体的材料为油井水泥、超细胶凝材料、微硅和玻璃微珠。材料组成如表1所示。

表1 低密度水泥体系的材料组成

2.水泥浆降失水剂的优选

水泥浆体系的失水对固井施工至关重要。对于煤层气固井，要求水泥浆失水＜50mL。低失水可以有效降低水泥浆浆体对产层的污染，保护井筒周围有效的渗流通道，其良好的密封性可以有效防止气窜，增加产能，保证后期煤层气井的稳定生产[7]。降失水剂的类型主要有微颗粒型（如胶乳、微硅等）、天然聚合物型（如改性纤维素等）、人工合成的聚合物（如丙烯酰胺类衍生物等）、聚乙烯醇成膜型降失水剂等。常规的降失水剂具有明显的增黏能力，这非常不利于固井注水泥浆期间顶替效率的提高和循环摩阻的改善。聚乙烯醇成膜型降失水剂具有良好的滤失控制能力、低增黏能力和防气窜能力，非常适合贵州高含气饱和度煤储层的固井问题。为此，在多种型号的降失水剂中优选出了具有良好的滤失控制能力和低增黏特性的SGJS-2作为水泥浆降失水剂。

3.弹韧性材料的优选

为了提高产量，贵州煤层气井需要进行压裂。在压裂载荷下，水泥环会破裂失效，影响压裂效果及后期水泥环密封完整性。传统水泥环较高的弹性模量是压裂过程中水泥环应力失效的主要原因。为了防止压裂过程中，水泥环开裂失效，需要在水泥浆中加入弹性材料橡胶颗粒[8]。由于传统的橡胶颗粒属于亲油性材料，其在水泥浆中容易聚并，影响水泥石的力学性能。为此，需要对橡胶颗粒进行表面改性处理，采用的处理方法为将橡胶颗粒在硅酸钠水溶液中在80℃下持续加热4h。从图1可以看出，处理前由于润湿性的差异，在表面张力作用下橡胶颗粒漂浮在水面上。从图2可以看出，处理后橡胶颗粒的润湿性变为亲水性，橡胶颗粒全部沉积在水中。选用的橡胶颗粒的粒径大小为120目，图3显示了橡胶粉加量对水泥石抗压强度和弹性模量的影响。从图中可以看出，随着弹性材料加量的增加，水泥石抗压强度逐渐降低，在橡胶粉加量为8%时，水泥石抗压强度损失6.54MPa（20.89%），弹性模量可以降低至6GPa以下，因此确定橡胶粉加量为8%。

图1 改性处理前橡胶颗粒在水中的状态

图2 改性处理后橡胶颗粒在水中的状态

图3 橡胶粉加量对水泥石抗压强度和弹性模量的影响

4.早强剂的优选

煤层气埋藏浅，地层温度低，在低温环境下水泥浆强度发展缓慢，严重地影响固井施工进度且危害固井安全。为了改善水泥浆的强度发展速率，需要在水泥浆中加入早强剂[9]。传统的氯化钙早强剂拥有较好的促凝效果，但是会影响水泥石的安定性，也会危害固井安全。将纳米二氧化硅、硫酸钠、三乙醇胺、铝酸钠进行复配开发形成了一种性能优异的早强剂，加入该早强剂后，在30℃下水泥石1d抗压强度增强率为66%，显示了优异的早强性能。

5.触变剂的优选

贵州煤层气井容易漏失，而且在高含气饱和度固井过程中也非常容易发生气窜。良好的触变特性是防止固井水泥浆漏失和环空气窜的有效方法[10]。水泥浆触变性是指水泥浆在高速剪切下黏度减小，但是静止或者低剪切速率下黏度增大的一种特性。拥有良好触变性的水泥浆，在水泥浆泵送过程中具有较低的黏度可以确保顶替效率和防止压漏地层，在水泥浆一旦泵注完成后，黏度快速增加，可以有效减少水泥浆静液柱压力向下的传递，形成“失重”，降低漏失动力，有效防止或缓解水泥浆的失重。此外，快速增加的水泥浆的黏度，可以有效阻止侵入水泥浆中的气体在水泥浆中的运移，起到良好的防气窜效果。为了防止固井过程中，环空窜流和水泥浆漏失的发生，需要在水泥浆中加入触变剂。传统的触变剂为纳米二氧化硅、黄原胶等，这些触变剂的触变性能良好，但同时会增加水泥浆的黏度，不利于固井质量的改善。为此，选择了一种球形的低增黏的微球触变剂，其可以较好地改善水泥浆的触变性，且不会导致水泥浆黏度的额外增加，非常有利于固井安全和固井质量的改善。

6.低密高强韧性防漏防窜水泥浆体系的构建

图4 水泥浆稠化曲线图

本部分基于上述开发的密度为1.37g/cm3的低密度固结体系，以及优选的早强剂、降失水剂、增韧剂等，开发形成了低密高强韧性防漏防窜水泥浆体系。

具体配方如下：水泥100%+玻璃微珠20%+微硅12%+分散剂0.2%+早强剂3.05%+2%降失水剂+120目改性橡胶粉4%+1.5%触变剂+水固比0.52。

具体的体系性能如下：从表2数据可以看出，在密度为1.37g/cm3的低密度条件下，水泥浆的流变性、沉降稳定性良好，失水量较低，稠化时间满足施工要求，拥有良好的触变性和抗压强度特性，弹性模量较低，预期可较好地满足低温煤层气井的固井作业要求。

表2 低密高强韧性防漏防窜水泥浆体系性能

图5 水泥石应力-应变曲线图

7.结语

针对贵州煤层气井固井存在的高含气饱和度、固井环境温度低、固井过程中易发生环空气窜、水泥浆易漏失、水泥浆强度发展缓慢的问题。基于颗粒级配理论，优选油井水泥、超细胶凝材料、微硅和玻璃微珠四种材料，设计开发了三元四组分胶凝水泥体系，具有良好的早强特性。采用纳米二氧化硅、硫酸钠、三乙醇胺、铝酸钠等开发形成了复合型油井水泥早强剂，水泥浆在30℃一天的强度可以提高60%以上。研究得到了一套橡胶粉表面改性工艺，改性得到了分散性良好、对水泥石抗压强度损失较小的改性橡胶粉。基于开发的低密度固结体系，以及优选的早强剂、降失水剂、增韧剂等，开发形成了低密高强韧性防漏防窜水泥浆体系，该体系的综合性能良好，预期可较好的满足贵州低温煤层气井的固井作业要求。