馬騰飛 楊 剛 孫晗森

（中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011）

0 引 言

中國煤層氣資源量豐富，煤層氣是一種潔凈的優(yōu)質(zhì)非常規(guī)天然氣，其開采與利用不僅具有重要的經(jīng)濟價值，還可提高煤礦開采的安全性。山西沁水盆地是中國首個整裝1000×108m3規(guī)模儲量煤層氣田，該地區(qū)煤炭資源以巖漿熱變質(zhì)作用下形成的無煙煤為主，具有儲層壓力小，煤體原生結(jié)構(gòu)裂隙保存較好，割理、裂隙發(fā)育等特點，其中沁水盆地南部潘河區(qū)塊是中國最早具有良好經(jīng)濟效益的規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)的煤層氣田［1-3］。沁水盆地潘河地區(qū)煤層氣開采較早，2005 年第一階段工程在3#煤層布置并完成了40 口井及整體壓裂改造，形成了國內(nèi)第一個經(jīng)過大面積整體改造的煤層氣田。經(jīng)過10 多年抽采，3#煤層壓力梯度降至約0.4 MPa/100m，已形成一個超低壓、裂縫性易漏地層。近年來，隨著對15#煤層煤層氣的加快開發(fā)，建井過程中面臨著突出的固井漏失問題，如何保證固井水泥漿返高和封固質(zhì)量，成為制約15#煤層煤層氣能否順利開采的關(guān)鍵。

美國是煤層氣勘探開發(fā)最成功的國家，煤主要以中低煤階為主。在鉆完井過程中十分重視煤儲層保護(hù)，90%以上井均采用空氣—泡沫鉆井；固井采用低密度水泥漿實現(xiàn)“低壓固井”目標(biāo)，使用的水泥漿體系主要有高強度低密度低失水水泥漿、泡沫水泥漿、斯倫貝謝LiteCRETECBM 體系等，并采用雙級注水泥工藝［4-7］。國內(nèi)煤層氣固井主要以漂珠低密度水泥漿為主，但水泥漿密度較高（≥1.60 g/cm3），固井易發(fā)生漏失，對煤儲層傷害大，水泥石綜合力學(xué)性能較差，無法滿足產(chǎn)層固井要求［8-10］。為此，筆者根據(jù)潘河區(qū)塊的煤層特性、地層壓力特點等，攻克了超低密度水泥漿穩(wěn)定性、滿足封固產(chǎn)層所需的水泥石抗壓強度、國產(chǎn)中空玻璃微珠現(xiàn)場應(yīng)用等難題，研發(fā)出一套性能穩(wěn)定、強度高的高性能超低密度水泥漿，形成了一套煤層氣高性能超低密度水泥漿固井技術(shù)，成功在現(xiàn)場應(yīng)用17 井次，有效保障了潘河煤層氣田15#煤層的順利開發(fā)。

1 減輕劑的評價與優(yōu)選

選用的火電廠優(yōu)級漂珠（國產(chǎn)，平均粒徑200 μm，標(biāo)記為1 號）、中空微珠（國產(chǎn)，平均粒徑105 μm，標(biāo)記為2號）、中空玻璃微珠（國產(chǎn)，平均粒徑45 μm，真實密度0.4 g/cm3，抗壓強度28 MPa，標(biāo)記為3號）、中空玻璃微珠（美國，平均粒徑52 μm，真實密度0.38 g/cm3，抗壓強度38 MPa，標(biāo)記為4 號），按照勝濰G 級油井水泥+0%~45%減輕劑，水固比為0.50，參 考 API 標(biāo) 準(zhǔn) （API RP 10B?2013“Oilwell Cement Test Recommendation Practice”），采 用 低 速（4 000 r/min）進(jìn)行配漿，然后測試分析減輕劑加量對水泥漿密度、流變性以及剪切對水泥漿密度的影響。

1.1 不同減輕劑對水泥漿密度、流變性能的影響

表1為不同減輕劑加量對水泥漿密度、流變性能的影響。結(jié)果表明：減輕劑3 號、4 號降低密度最明顯，減輕劑2 號次之，減輕劑1 號最差，這說明中空玻璃微珠類減輕劑的真實密度小，降低密度效果最顯著；在保持水固比0.50 不變條件下，由于這4 種減輕劑外觀都呈球形，減輕劑加入后表現(xiàn)出“球形滾珠效應(yīng)”，水泥漿流性指數(shù)n都變大，流動性能變好，且粒徑越小水泥漿的流變綜合性能越優(yōu)，更有利于減小注水泥泵注壓力；國產(chǎn)中空玻璃微珠3 號對水泥漿密度、流變性的影響跟國外中空玻璃微珠4 號基本無差別。

表1 減輕劑對水泥漿密度、流變性能的影響Table 1 Effects of lightweight additives on density and rheology of cement slurry

1.2 不同減輕劑的抗剪切能力評價

中空類減輕劑承壓能力是一個耐靜水壓力指標(biāo)，而水泥漿在制備過程中會受到動態(tài)的高速剪切作用，為評價中空類減輕劑抗剪切能力，采用恒速攪拌器在不同剪切速度下連續(xù)經(jīng)過低速、高速剪切，評價了摻有中空類減輕劑的低密度水泥漿剪切后密度變化規(guī)律，如表2 所示。結(jié)果表明：1 號漂珠減輕劑由于其工藝限制自身承壓能力，抗剪切破壞能力最差；中空微珠具有一定承壓能力，但抗剪切能力仍較弱，高速剪切下破碎很明顯；減輕劑3 號、4 號具有較好抗剪切能力，在4 000 r/min 的低轉(zhuǎn)速剪切下抗剪切性能相當(dāng)，在12 000 r/min 的高轉(zhuǎn)速剪切下減輕劑4 號的抗剪切性能略優(yōu)于3 號，這可能與減輕劑4 號抗壓強度高于減輕劑3 號有一定關(guān)系。

表2 剪切速度和時間對水泥漿密度的影響Table 2 Effect of shear rate and time on the density of cement slurry

綜合考慮上述4 種減輕劑的性能和成本因素，并且煤儲層壓力不高，優(yōu)選與國外中空玻璃微珠性能基本相當(dāng)?shù)膰a(chǎn)中空玻璃微珠減輕劑3 號為超低密度水泥漿的減輕劑材料。

2 納米液硅早強穩(wěn)定劑性能及作用機理

潘河地區(qū)3#、15#煤層埋深較淺，其儲層溫度較低，固井面臨著低溫環(huán)境，如何實現(xiàn)超低密度水泥石的低溫早強，是水泥石強度能否達(dá)到封固產(chǎn)層（水泥石48 h 抗壓強度大于（等于）14 MPa）要求的關(guān)鍵［11-13］。為了縮短水泥漿稠化時間、提高水泥石早期抗壓強度，探討了納米液硅對油井水泥低溫強度發(fā)展影響規(guī)律，利用納米液硅的晶核促凝作用來改善超低密度水泥漿強度等性能。

2.1 納米液硅對水泥石低溫強度的影響

采用納米液硅NS-2，其主要成分為SiO2，有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%，平均粒徑15 nm。測試了納米液硅NS-2 對常規(guī)水泥漿流變性能、水泥石抗壓強度和體積變化率的影響（表3）。納米液硅NS-2 對水泥漿流動指數(shù)影響不大，會使水泥漿略有增稠，可提高漿體穩(wěn)定性；納米液硅NS-2 能減小水泥石體積收縮，當(dāng)納米液硅NS-2 加量達(dá)到5.0%后，水泥石體積基本無收縮現(xiàn)象；加入納米液硅NS-2 后，水泥石強度提高顯著，并隨納米液硅NS-2 加量增加，水泥石強度不斷增大，當(dāng)納米液硅NS-2 加量達(dá)到7.0%，水泥石強度增加幅度變緩。

表3 納米液硅對水泥漿流變性能與水泥石強度的影響Table 3 Effects of liquid nano-silicon on slurry rheology and cement strength

2.2 納米液硅對油井水泥水化作用機理

納米液硅NS-2 的主要成分SiO2具有粒徑小、表面積大、水化反應(yīng)活性高等特點，早期能夠起到晶種作用促進(jìn)水泥低溫水化能力，隨著油井水泥水化釋放出氫氧化鈣，納米SiO2進(jìn)而與氫氧化鈣反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠（CSH），促進(jìn)水泥水化速率，其水化放熱最大峰比水泥原漿提前了6.7 h（圖1），顯著加快了水泥的水化速度，有助于提高水泥石的早期強度，同時部分納米SiO2可有效地填充在水泥產(chǎn)物空隙處，使水泥石微觀結(jié)構(gòu)非常致密。圖2（a）為水泥原漿、圖2（b）為水泥原漿+7.0%納米液硅NS-2在24 h的水泥水化產(chǎn)物微觀掃描電鏡照片?？梢钥吹剿嘣瓭{中加入納米液硅NS-2后水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)非常致密。

圖1 納米液硅對水泥漿水化放熱規(guī)律的影響（20 ℃）Fig.1 Effects of liquid nano-silicon on the hydration heat of cement slurries(20℃)

圖2 水泥水化產(chǎn)物微觀掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 Microscopic SEM images of cement hydration products

3 低溫成膜降失水劑優(yōu)選與性能

針對煤層氣固井易漏、溫度低和超低密度水泥漿固相含量多、流動性較差等問題［14-15］，優(yōu)選低溫緩凝副作用小、不增稠、失水控制能力強的非離子型聚乙烯醇交聯(lián)聚合物作為降失水劑，并通過調(diào)整水解度加快低溫溶解能力，采用有機復(fù)合硼鋯交聯(lián)劑增強低溫交聯(lián)作用和失水控制能力，優(yōu)化形成了低溫成膜降失水劑DW-L。在水泥漿（勝濰G 級水泥+0.3%減阻劑+44%淡水）中加入不同百分?jǐn)?shù)降失水劑DW-L，測試30 ℃條件下的API失水量，并與現(xiàn)用聚乙烯醇降失水劑對比，如圖3所示。結(jié)果表明：當(dāng)DW-L 加量為1.2%時就能夠交聯(lián)成膜，形成較薄、致密且具有韌性的濾餅，失水量控制在30 mL 以內(nèi)；而現(xiàn)用聚乙烯醇降失水劑在加量1.2%時，無法形成有效的濾餅結(jié)構(gòu)，失水難以有效控制，API 失水量近100 mL。

圖3 降失水劑對API失水量影響Fig.3 Effects of fluid loss additives on API fluid loss

對比評價了室溫20 ℃下水泥原漿（G 級水泥原漿+44%淡水）、水泥原漿+1.2%降失水劑DWL+0.3%減阻劑體系的流變性能。結(jié)果表明，水泥原漿流性指數(shù)n為0.47、稠度系數(shù)K為1.55 Pa·sn，加入降失水劑DW-L 后水泥漿黏度略有升高，但水泥漿的流變參數(shù)（n=0.51、K=1.49 Pa·sn）卻好于G級水泥原漿。綜上所述，降失水劑DW-L 對水泥漿流變性能基本無影響、低溫控制失水能力強，能夠滿足超低密度水泥漿性能要求。

4 高性能超低密度水泥漿體系與性能

在國產(chǎn)減輕劑3號優(yōu)選、納米液硅早強穩(wěn)定劑與低溫成膜降失水劑等關(guān)鍵外加劑研究基礎(chǔ)上，通過實驗優(yōu)化，研發(fā)出高性能超低密度水泥漿體系，并系統(tǒng)評價了高性能超低密度水泥漿體系的流變性、失水量、游離液、稠化時間等性能，測定了水泥石的抗壓強度。

4.1 高性能超低密度水泥漿體系配方組成

以油井G 級水泥為基礎(chǔ)，通過國產(chǎn)中空玻璃微珠3 號減輕劑調(diào)節(jié)水泥漿密度，利用微硅、納米液硅NS-2 與G 級水泥形成多級填充提高水泥石強度和致密性，利用降失水劑DW-L、納米液硅早強穩(wěn)定劑NS-2、微硅、減阻劑調(diào)節(jié)水泥漿性能，構(gòu)建出密度1.10~1.30 g/cm3高性能超低密度水泥漿體系，具體組成見表4。

表4 高性能超低密度水泥漿體系Table 4 High-performance ultra-low-density cement slurry system

4.2 高性能超低密度水泥漿體系的性能

按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6544—2017“油井水泥漿性能要求”，測試了超低密度水泥漿體系的流變數(shù)據(jù)、流動度、游離液量、失水量和稠化時間，如表5 所示。

表5 高性能超低密度水泥漿體系的性能Table 5 Performance of high-performance ultra-low-density cement slurry system

結(jié)果表明：超低密度水泥漿體系的流性指數(shù)n≥0.72、稠度系數(shù)K≤0.43 Pa·sn，具有較好的流變性能，且無游離液，失水量小于（等于）45 mL，稠化時間較合適，漿體綜合性能較好，能夠完全滿足現(xiàn)場固井要求。

4.3 水泥石抗壓強度和穩(wěn)定性能

沁水盆地潘河地區(qū)煤儲層靜止溫度約35 ℃，在此選擇20、30、40 ℃為代表測試了超低密度水泥漿體系的抗壓強度和穩(wěn)定性能，結(jié)果如表6 所示。對于不同密度的水泥漿體系，漿體都比較穩(wěn)定，水泥石上部與下部最大密度差值小于（等于）0.032 g/cm3，水泥石都具有較高的強度，即使在室溫（20 ℃）條件下水泥石24 h 抗壓強度都大于3.5 MPa，滿足固井封固要求；在30 ℃和40 ℃條件下水泥石24 h 抗壓強度都大于7.0 MPa，水泥石48 h 抗壓強度都大于14 MPa，能夠滿足封固產(chǎn)層的固井要求。

表6 高性能超低密度水泥漿穩(wěn)定性與抗壓強度Table 6 Stability and compressive strength of high-performance ultra-low-density cement slurry

5 潘河區(qū)塊超低密度固井工藝優(yōu)化

為有效防止潘河地區(qū)煤層氣固井漏失、保障固井質(zhì)量，在山西沁水盆地超低密度水泥固井技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合潘河地區(qū)固井面臨的風(fēng)險和挑戰(zhàn)，針對性地優(yōu)化了水泥漿用量設(shè)計、前置液用量設(shè)計、注水排量等工藝參數(shù)[16-22]。

5.1 水泥漿附加系數(shù)設(shè)計

統(tǒng)計鄰近柿莊南區(qū)塊超低密度固井的水泥漿平均漏失率為12.5%，潘河區(qū)塊需同時封固3#、15#煤層，且3#煤層更易發(fā)生漏失，綜合考慮水泥漿漏失、水泥漿液柱壓力和水泥漿返高要求等因素，當(dāng)井下有滲漏（漏失量小于（等于）1.5 m3/h）等情況時，水泥漿附加系數(shù)值設(shè)計為25%~30%；當(dāng)井下有較明顯的漏失（漏失量大于（等于）1.5 m3/h）等復(fù)雜情況時，根據(jù)漏失量大小及漏失規(guī)律，水泥漿附加系數(shù)值設(shè)計為30%~70%。

5.2 前置液設(shè)計

以清水為主的低黏鉆井液，設(shè)計為2~4 m3堵漏型前置液；針對聚合物高黏鉆井液，設(shè)計為2~4 m3清水+2~4 m3堵漏型前置液；如果有漏失現(xiàn)象，堵漏型前置液設(shè)計為4~6 m3用量，并將前置液中堵漏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到8%~12%。

5.3 注水泥排量優(yōu)化

注水泥時采用較大排量（0.8~1.0 m3/min），保證對鉆井液的高效沖洗和頂替；頂替水泥漿時采用小排量（0.5~0.7 m3/min）進(jìn)行塞流頂替，減少循環(huán)摩阻和環(huán)空壓差，防止頂替過程中將煤層壓漏或引起煤層垮塌，保證固井施工安全。

6 試驗及分析

在山西沁水盆地潘河區(qū)塊15#煤層利用首期開采試驗井進(jìn)行高性能超低密度固井技術(shù)試驗，全部采有高強超低密度水泥漿體系完成了17 口固井任務(wù)，現(xiàn)場配漿、注水泥施工和碰壓都非常順利，井口返出情況都正常，94.1%試驗井的固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率大于（等于）90.6%，成功地解決了淺層、3#和15#煤層的固井漏失難題，實現(xiàn)了超低密度單級固井一次性封固3#、15#煤層的目標(biāo)。

6.1 井A

井A 為煤層氣U 型聯(lián)通試驗井，位于沁水盆地南部潘河區(qū)塊，主要目的是進(jìn)行二疊系下統(tǒng)山西組15#煤層煤層氣的開發(fā)試驗。一開：井深0~48.61 m，用直徑311.15 mm 牙輪鉆頭鉆進(jìn)至基巖下10 m 左右， 下入直徑244.50 mm 套管至48.52 m，固井水泥漿返至地面。二開：井深48.61~535 m，用直徑215.9 mm 牙輪鉆頭鉆至井深535 m，下入直徑139.7 mm 套管，采用高性能超低密度水泥漿進(jìn)行固井，要求水泥漿返至3#煤層頂部200 m 以上。

井下漏失等復(fù)雜情況：當(dāng)鉆進(jìn)到大于100 m 井深時，鉆遇水層，在鉆進(jìn)過程中，地層不斷出水；當(dāng)鉆過3#煤層后，鉆井液突然發(fā)生漏失且失返，漏速約30 m3/h，多次堵漏后仍存在漏失問題，井口返出液主要為上部水層的清水；固井下套管前，進(jìn)行了一次堵漏作業(yè)，下完套管后開泵循環(huán)時，約10 min后井口才有清水返出。

固井措施：針對上述難題，采用了“堵漏型前置液+高性能超低密度水泥漿體系”技術(shù)進(jìn)行固井試驗；泵入堵漏型前置液用量為6 m3，且堵漏材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到5%；為了減少漏失并壓穩(wěn)上部水層，超低密度水泥漿領(lǐng)漿段密度控制在1.06~1.18 g/cm3，共注入5 m3，尾漿段密度控制在1.28~1.30 g/cm3，共注入5 m3，施工排量嚴(yán)格控制0.4 m3/min 左右，施工壓力0.13~0.20 MPa；采用清水 頂 替， 頂 替 量 為10.7 m3， 施 工 壓 力 為0.20~0.32 MPa，正常碰壓6 MPa（套管尾部為玻璃鋼，碰壓設(shè)計值較低）。

候凝72 h 后CBL/VDL 固井質(zhì)量測井，水泥漿返高在3#煤層以上246.50 m，達(dá)到設(shè)計要求，固井合格率為100%，優(yōu)質(zhì)率71.45%，良好率28.55%。

6.2 井B

井B 為試驗井，位于沁水盆地南部潘河區(qū)塊，主要目的是進(jìn)行二疊系下統(tǒng)山西組15#煤層煤層氣的開發(fā)試驗。一開：井深0~47.79 m，用直徑311.15 mm 牙輪鉆頭鉆進(jìn)至基巖下10 m 左右，下入直徑244.50 mm 套管至46.29 m，固井水泥漿返至地面。二開：井深47.79~623.00 m，用直徑215.9 mm 牙輪鉆頭鉆至井深623 m，下入直徑139.7 mm 套管，采用高性能超低密度水泥漿進(jìn)行固井，要求水泥漿返至3#煤層頂部200 m 以上。

該井在鉆進(jìn)過程存在不同程度的滲漏，但漏失量未知，且井徑擴大率較大，達(dá)到12.5%。采用了“堵漏型前置液+高性能超低密度水泥漿體系”技術(shù)進(jìn)行固井試驗，共泵入堵漏型前置液體系3.0 m3，高性能超低密度水泥漿14 m3，施工排量控制0.5 m3/min 以下，防止井壁垮塌。注水泥過程中水泥漿最高密度為1.32 g/cm3，最低密度為1.28 g/cm3，平均密度為1.30 g/cm3，施工過程順利，碰壓正常。候凝72 h 后CBL/VDL 固井質(zhì)量測井結(jié)果表明，水泥返高在3#煤層以上346.50 m，固井合格率為100%，優(yōu)質(zhì)率100%，固井第一、第二界面膠結(jié)質(zhì)量全優(yōu)。

7 結(jié) 論

（1）納米液硅通過晶種作用促進(jìn)低溫條件下水泥的水化速率，其水化放熱最大峰比水泥原漿顯著提前，有助于提高水泥石早期強度，同時納米SiO2有效地填充在水化產(chǎn)物空隙處，使水泥石微觀結(jié)構(gòu)非常致密。

（2）優(yōu)選國產(chǎn)中空玻璃微珠為減輕劑，利用納米液硅解決超低密度水泥漿穩(wěn)定性差、低溫早期強度發(fā)展慢的難題，通過低溫成膜降失水劑實現(xiàn)高效失水控制，構(gòu)建出一套密度0.95~1.30 g/cm3高性能超低密度水泥漿體系。

（3）高性能超低密度水泥漿體系穩(wěn)定、無游離液、流動性能好，漿體綜合性能較優(yōu)，水泥石具有較好的低溫早強特性，水泥石48 h 抗壓強度都大于14 MPa，滿足封固產(chǎn)層的固井要求，滿足山西沁水盆地潘河區(qū)塊煤層氣井現(xiàn)場固井要求。

（4）高性能超低密度水泥漿現(xiàn)場配漿、注水泥施工和碰壓都非常順利，井口返出情況正常，水泥漿返高都達(dá)到設(shè)計要求，有效解決了3#、15#煤層的固井漏失難題，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率高，且固井第一、第二界面膠結(jié)質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率高，實現(xiàn)了超低密度單級固井一次性封固3#、15#煤層的目標(biāo)，保障了15#煤層煤層氣的順利開發(fā)。