煤層氣井固井泡沫水泥漿密度變化規(guī)律及應(yīng)用

王楚峰, 王瑞和, 王方祥, 王成文

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011)

煤層氣井固井泡沫水泥漿密度變化規(guī)律及應(yīng)用

王楚峰1,2, 王瑞和1, 王方祥1, 王成文1

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100011)

針對泡沫水泥漿在井筒內(nèi)的密度變化的不確定性和復(fù)雜性導(dǎo)致固井設(shè)計困難等問題,通過試驗測試現(xiàn)場1.10和1.20 g/cm3兩種化學(xué)充氮泡沫水泥漿體系的密度變化,分析水泥石中泡沫尺寸變化特點以及固井液柱壓力的變化,并進行11口井的現(xiàn)場應(yīng)用。結(jié)果表明:泡沫水泥漿密度隨溫度和壓力的變化符合Boltzmann函數(shù);隨著壓力增加,水泥石中泡沫尺寸呈先急劇縮小、后變化較小的趨勢。修正后的泡沫水泥漿密度計算公式對現(xiàn)場固井具有指導(dǎo)作用,固井優(yōu)質(zhì)率超過96%,為煤層氣泡沫水泥固井提供技術(shù)支撐。

泡沫水泥漿; 煤層氣; 固井; Boltzmann函數(shù)

沁水盆地南部煤層氣的主采煤層是3#和15#煤層[1],由于3#和15#煤儲層壓力低、裂縫及割理發(fā)育[2-3],對固井技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)外煤層氣井固井技術(shù)主要有高強度低密度水泥漿[4-6]、分級固井、塞流頂替技術(shù)等[7]。泡沫水泥漿具有密度低、強度高、防漏失能力強等優(yōu)點[8-10],已在低壓地層、低壓枯竭油藏、深水等領(lǐng)域進行了廣泛應(yīng)用[11-13]。近年來,化學(xué)充氮泡沫水泥漿技術(shù)不斷成熟與完善,其既能保證泡沫水泥漿優(yōu)秀的性能,又具有成本低的優(yōu)勢,符合煤層氣低成本開發(fā)戰(zhàn)略,在煤層氣固井領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。泡沫水泥漿體系中含有大量氣泡,在一定溫度、壓力下,氣泡體積會隨著溫度、壓力發(fā)生改變,泡沫水泥漿在油氣井環(huán)空中的密度隨井深的不同而變化,導(dǎo)致環(huán)空各深度的靜液柱壓力分布復(fù)雜,對易漏層的液柱壓力計算不準確。因此,研究泡沫水泥漿在井內(nèi)的密度變化規(guī)律具有重要意義。許多學(xué)者對泡沫水泥漿隨井深變化的密度模型進行了研究[14-21],所建立的模型是基于氣體狀態(tài)方程,然后通過試驗數(shù)據(jù)對所建模型擬合系數(shù)進行適當?shù)男拚?卻沒有考慮泡沫穩(wěn)定性、聚合物外加劑和現(xiàn)場工藝等因素對泡沫水泥漿密度的影響。為此,筆者利用山西沁水盆地南部煤層氣固井現(xiàn)場試驗使用的1.10和1.20 g/cm3兩種密度的化學(xué)充氮泡沫水泥漿體系,通過不同溫度和壓力條件下水泥漿密度變化試驗,探討漿體密度和水泥石中泡沫尺寸的變化。

1 煤層氣泡沫水泥漿體系及性能

以G級油井水泥為基礎(chǔ),水灰比0.50,通過低溫發(fā)氣劑LTPN體系在水泥漿中產(chǎn)生氮氣實現(xiàn)化學(xué)充氮目的,以蛋白質(zhì)復(fù)合類高效穩(wěn)泡劑SC-1形成穩(wěn)定的泡沫體系,利用磺化醛酮類分散劑CM-D、非離子聚乙烯類降失水劑CM-L和復(fù)合鉀鹽類早強劑FC-A進一步調(diào)節(jié)水泥漿流變性能、失水量和稠化時間等工程性能。經(jīng)過大量室內(nèi)測試試驗,最終確定出密度為1.10和1.20 g/cm3的新型泡沫低密度水泥漿體系(NFLC),其具體成分和組成如表1所示。

表1 新型泡沫低密度水泥漿體系組成

經(jīng)室內(nèi)試驗測試,該兩種泡沫水泥漿體系具有良好的流動性能、無游離液、沉降穩(wěn)定性好、API失水量小于50 mL/30 min、稠化時間合理等特點,且形成的水泥石具有較高的早期抗壓強度,后期水泥石強度不斷增加,滿足煤層氣固井的封固要求。

2 泡沫水泥漿密度變化試驗

根據(jù)研究,認為泡沫水泥漿密度主要受溫度和壓力兩個因素的影響。基于此,本試驗從溫度、壓力、溫度與壓力綜合作用三個方面研究泡沫水泥漿密度的變化。

2.1 溫度對泡沫水泥漿密度的影響

在試驗壓力一定(常壓)的情況下,測試不同溫度條件下密度1.10和1.20 g/cm3兩種新型泡沫水泥漿NFLC體系的密度,結(jié)果如圖1所示。

從圖1可知,常壓下,隨著溫度的升高,兩種泡沫水泥漿的密度均呈現(xiàn)出線性減小的趨勢,密度為1.10 g/cm3的泡沫水泥漿在80 ℃時密度降為1.04 g/cm3;密度為1.20 g/cm3的泡沫水泥漿在80 ℃時密度降為1.13 g/cm3。這是因為當溫度升高時,由于氣體體積膨脹,導(dǎo)致泡沫水泥漿密度減小。

圖1 溫度對新型泡沫水泥漿密度的影響Fig.1 Influence of temperature on density of foamed cement slurry

真實氣體狀態(tài)方程及泡沫水泥漿密度計算式為

pVg=znR(273.15+t),

(1)

ρll=mc/[znR(273.15+t)/p+Vc].

(2)

式中,p為壓力,MPa;t為溫度,℃;Vc為水泥漿的基漿體積,mL;ρll為泡沫水泥漿理論密度,g/cm3;mc為泡沫水泥漿總質(zhì)量,g;z為氮氣的壓縮因子;n氮氣物質(zhì)的量,mol;R為常數(shù),8.314 J·K-1·mol-1。

由式(1)、(2)可知,氮氣體積Vg與溫度成正比,但試驗溫度t對氣體體積影響有限,即對泡沫水泥漿的密度影響較小,與試驗測試結(jié)果一致。

2.2 壓力對泡沫水泥漿密度的影響

采用自制高度450 mm、直徑76.2 mm的鋼圓柱養(yǎng)護模具,將泡沫水泥漿倒入模具,漿體液面高度超過模具高度5/6,然后將前置液緩慢加入到模具中并裝滿,密封后用清水加壓養(yǎng)護48 h,通過泡沫水泥漿凝固前后體積變化推算密度變化。在試驗溫度一定的情況下,測試壓力對泡沫水泥漿密度的影響,結(jié)果如圖2所示。

圖2 壓力對新型泡沫水泥漿密度的影響Fig.2 Influence of pressure on density of foamed cement slurry

從圖2可看出,當壓力為0～2 MPa時,泡沫水泥漿密度變化明顯,隨著壓力增加密度呈快速增大的趨勢;當壓力大于2 MPa后,密度受壓力變化的影響較小,泡沫水泥漿的密度隨壓力增加呈較緩慢增長的趨勢。由式(1)、(2)可知,氣體體積Vg與試驗壓力p成反比,在其他條件不變的情況下,泡沫水泥漿密度ρ與試驗壓力p的關(guān)系如式(2)。

在本次試驗壓力測試范圍0～10 MPa內(nèi),密度分別為1.10和1.20 g/cm3的新型泡沫水泥漿的密度分別增大到1.505和1.585 g/cm3,密度分別增加了36.82%和32.08%。

2.3 模擬現(xiàn)場固井溫度和壓力對泡沫水泥漿密度的影響

根據(jù)上述溫度和壓力對泡沫水泥漿密度影響的規(guī)律,可知泡沫水泥漿的密度隨著溫度和壓力的變化而不斷變化,為了進一步反映新型泡沫水泥漿在現(xiàn)場井下的密度變化情況,根據(jù)以往煤層氣井測井資料,分別測試密度為1.10和1.20 g/cm3新型泡沫水泥漿的密度變化情況,測試結(jié)果如表2所示。

試驗測試結(jié)果表明:隨著溫度和壓力的不斷增加,泡沫水泥漿密度不斷增大,當溫度和壓力從室溫條件下的20 ℃、常壓變化到模擬井下40 ℃、12 MPa條件時,泡沫水泥漿密度從1.10 g/cm3增大到1.482 g/cm3,從1.20 g/cm3增大到1.502 g/cm3,其在40 ℃、12 MPa條件下的密度分別相對室溫(20 ℃)條件下的密度增加了34.73%和25.17%。

表2 新型泡沫水泥漿密度變化

2.4 新型泡沫水泥漿的密度變化

為了進一步探討新型泡沫水泥漿的密度變化規(guī)律,在上述試驗測試結(jié)果的基礎(chǔ)上進行數(shù)值擬合。

密度1.10 g/cm3泡沫水泥漿的擬合方程為

y=A2+(A1-A2)/(1+exp((x-x0)/dx)).

(3)

其中A1=-299.149 4,A2=1.475 21,x0=-9.157 58,dx=1.384 58。校正決定系數(shù)為0.991 19。

密度1.20 g/cm3泡沫水泥漿的擬合方程為

y=A2+(A1-A2)/(1+exp((x-x0)/dx)).

(4)

其中A1=-234.396 89,A2=1.497 17,x0=-7.668 06,dx=1.163 74。校正決定系數(shù)為0.997 91。

由擬合結(jié)果可知,受壓力與溫度的共同影響,在25 ℃、常壓到40 ℃、12 MPa范圍內(nèi),新型泡沫水泥漿的密度變化比較符合Boltzmann函數(shù)[22]。

2.5 新型泡沫水泥漿密度的修正

在模擬現(xiàn)場固井溫度、壓力條件下,將試驗所測試新型泡沫水泥漿的密度與式(2)理論模擬計算的密度相比較,結(jié)果如表3所示。

表3 新型泡沫水泥漿密度變化規(guī)律對比Table 3 Comparison of change rules of density of foamed cement slurry

從表3可知,新型泡沫水泥漿體系的實測密度與計算密度相差較大,這說明對于復(fù)雜的泡沫多相流體,氣泡中的氣體體積變化并不遵從真實氣體的狀態(tài)方程,氣泡體積變化除了與壓力和溫度有關(guān)外,還與漿體中的固相水泥顆粒、液相黏度等因素密切相關(guān),這是導(dǎo)致實測密度(ρsj)與模擬計算密度偏差大的主要原因。為更好地指導(dǎo)現(xiàn)場泡沫水泥漿密度設(shè)計,根據(jù)試驗結(jié)果對理論模擬計算密度值進行修正,

ρsj=1.036 655×10-5exp(ρll/0.176 765)+1.142 99.

(5)

3 水泥石的微觀結(jié)構(gòu)SEM表征

為了進一步分析化學(xué)充氮泡沫水泥漿的影響,利用掃描電子顯微鏡對密度1.20 g/cm3的泡沫水泥漿在不同溫度、壓力條件下凝固后的水泥石微觀結(jié)構(gòu)進行分析。圖3為密度1.20 g/cm3的化學(xué)充氮泡沫水泥漿在不同溫度、壓力下養(yǎng)護48 h后的水泥石微觀結(jié)構(gòu)SEM圖。

圖3 1.20 g/cm3泡沫水泥石的微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 SEM of foamed cement matrix (1.20 g/cm3) at difference curing conditions

從圖3中可看出:在25 ℃、常壓養(yǎng)護條件下,水泥石中的泡沫最大尺寸為465 μm,其中直徑為200～280 μm的泡沫最多;在27 ℃、5.0 MPa養(yǎng)護條件下,雖然泡沫孔隙被水化產(chǎn)物和Ca(OH)2晶體占據(jù),但仍可看出水泥石中泡沫最大尺寸急劇變小,泡沫直徑主要為7～15 μm;在30 ℃、8.0 MPa養(yǎng)護條件下,水泥石中泡沫最大尺寸縮小為10 μm,并且直徑為7 μm的泡沫最多;在35 ℃、10 MPa和40 ℃、12 MPa養(yǎng)護條件下,水泥石中泡沫直徑從7 μm逐漸減小到5 μm。從水泥石微觀結(jié)構(gòu)中的泡沫直徑變化可看出,當壓力增大到一定程度后,水泥石中泡沫直徑隨壓力增加而變小的趨勢急劇減弱,這與泡沫水泥漿的實測密度變化規(guī)律一致。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

TS53-1D井位于山西省沁水縣柿莊鎮(zhèn),目的煤層為二疊系下統(tǒng)山西組3#煤層,煤層深度為1 112.00～1 118.80 m,該井完鉆井深為1 164 m,井底靜止溫度為39.1 ℃,井底循環(huán)溫度為27.4 ℃,井底壓力為14.33 MPa,井身結(jié)構(gòu)如表4所示。

為了有效保護煤儲層、提高固井質(zhì)量,對TS53-1D井采用泡沫水泥漿固井,設(shè)計的水泥漿地面密度為1.20 g/cm3,附加量為15%。根據(jù)泡沫水泥漿密度與溫度、壓力的關(guān)系,計算得到泡沫水泥漿密度在井內(nèi)的分布，如圖4所示。

表4 TS53-1D井身結(jié)構(gòu)

圖4 泡沫水泥漿密度隨井深的變化Fig.4 Change of density of foamed cement slurry with well depth

由圖4可以看出,隨著井深的增加,泡沫水泥漿密度逐漸增大,地面密度為1.20 g/cm3的水泥漿注到井底后密度增大到1.60 g/cm3。須根據(jù)水泥漿在井底的實際密度計算井內(nèi)薄弱地層的壓力。根據(jù)注水泥頂替理論及注水泥流變學(xué)設(shè)計理論[23-24],編制煤層氣泡沫水泥漿固井頂替設(shè)計與動態(tài)模擬程序,對TS53-1D井進行固井頂替過程的模擬計算,其對應(yīng)的注水泥施工參數(shù)如表5所示,計算得到煤儲層液柱壓力的變化曲線如圖5所示。

表5 TS53-1D井注水泥施工參數(shù)

圖5 煤儲層液柱壓力變化Fig.5 Change of liquid column pressure in coal reservoir

由圖5可以看出,煤儲層液柱壓力為1.45 g/cm3,小于該區(qū)塊煤層的破裂壓力1.6 g/cm3,滿足平衡壓力固井條件。依據(jù)泡沫水泥漿及其配套技術(shù)在山西沁水盆地南部進行了11口煤層氣井的現(xiàn)場試驗,CBL/VDL固井質(zhì)量檢測結(jié)果表明,固井合格率100%,一、二界面膠結(jié)質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率超過96%。

5 結(jié) 論

(1)隨著溫度和壓力的不斷增加,泡沫水泥漿密度呈現(xiàn)先急劇增大后變化較小的趨勢,密度變化規(guī)律符合Boltzmann函數(shù)。

(2)新型泡沫水泥石中的泡沫直徑隨試驗壓力的增加,呈先急劇減小后變化較小的趨勢,與密度變化趨勢一致,揭示了泡沫水泥漿密度變化機制。

(3)TS53-1D井的泡沫水泥漿固井試驗,證實了煤層氣固井泡沫水泥漿密度變化規(guī)律對固井工程的指導(dǎo)作用,為煤層氣泡沫水泥漿固井技術(shù)提供理論指導(dǎo)。

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(編輯 李志芬)

Studyandapplicationofchangelawoffoamedcementslurrydensityforcoalbedmethane

WANG Chufeng1,2, WANG Ruihe1, WANG Fangxiang1, WANG Chengwen1

(1.SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China; 2.ChinaUnitedCoaledMethaneCompanyLimited,Beijing100011,China)

Foamed cement slurry has been used in well completion in coalbed methane development due to its low density, high intensity and good anti-channeling ability. However, the density of the foamed cement slurry in borehole is instable and can be greatly affected by the well depth. In this study, laboratory experiments were carried out with the two foamed slurries of different densities (1.10 g/cm3and 1.20 g/cm3), in order to investigate the density variation of chemical and nitrogen-filled foamed cement slurry at different pressures (i.e. well depths). The bubbles size in the cement stone was measured using the microstructure SEM diagrams. A cement displacement model using foamed cement slurry in coalbed methane wells was established in consideration of the cement displacement process and rheological properties of the cement slurry at different depth and pressure. The application of the model in 11 wells was conducted. The results show that the variation of the foamed cement slurry density with temperature and pressure is in accordance with the Boltzmann function. The bubbles size in the cement stone reduces sharply firstly with the increase of pressure and then its variation becomes smaller at high pressures. The qualification rate of the cementing process based on the model developed in this study can be 100% and the merit factor is more than 96%.

foamed cement slurry; coalbed methane; well cementing; Boltzmann function

2016-10-25

國家科技重大專項(2011ZX05060，2016ZX05044)；教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(IRT_14R58)

王楚峰(1969-)，男，博士研究生，研究方向為油氣井固完井工程、油層保護和油田化學(xué)。E-mail:2637282889@qq.com。

王成文(1975-)，男，副教授，博士，研究方向為油氣井固完井工程、油層保護和油田化學(xué)。E-mail:wangcw@upc.edu.cn。

1673-5005(2017)05-0087-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.05.010

TE 25

A

王楚峰,王瑞和,王方祥,等.煤層氣井固井泡沫水泥漿密度變化規(guī)律及應(yīng)用[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,41(5):87-93.

WANG Chufeng, WANG Ruihe, WANG Fangxiang, et al. Study and application of change law of foamed cement slurry density for coalbed methane[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(5):87-93.