临兴区块煤层气井固井技术研究与应用
李小林1 信婧敏2 凌勇1 范庆1 宗勇1 朱禹1 黄伟佳1 田树乐2
１.渤海钻探工程有限公司第二固井分公司2.中国石油管道局工程有限公司天津设计院
【摘 要】针对临兴区块煤层气井煤层埋深浅、封固段长、顶替效率低、水泥浆配方设计困难等难题，基于成膜型降失水剂JS-2，形成具有早强、短侯凝、防窜、低失水特点的水泥浆体系，具有良好的失水性能、防窜性能、流动性、沉降稳定性、稠化性能及水泥石力学性能，并在现场成功推广应用，形成了适用于煤层气井固井的水泥浆体系及配套工艺。
【关键词】煤层；固井；成膜型；水泥浆；应用
我国煤炭资源储量丰富，位居世界第三，我国煤层内拥有甲烷资源量30×1012～35×1012m
3，与我国常规天然气资源相当，具有巨大的开发潜力。在煤层气资源的勘探开发过程中，煤储层伤害是影响煤层气开发成功率的决定因素之一，尤其对中国低压特低渗透率的煤层而言，固井作业对煤层造成的伤害比常规储层更为严重，因此，适用于煤层气井固井水泥浆体系及配套固井工艺技术至关重要。
一、临兴区块煤层气井固井难点分析 相较于常规油气固井，煤层气独特的开发与开采方式给固井设计及施工提出了更高的要求，固井质量要求高，层间封隔要好，而且对煤层伤害要小。
1.煤层埋藏浅，临兴区块西南部埋深在1500m～2000m之间，井底温度和地层压力较低，水泥浆密度远高于钻井液密度（钻井液密度在1.10～1.20g/cm3），固井过程中易发生漏失风险。
2.封固段长，注浆量大，替浆量少，顶替效率低。该区块煤层气固井均要求上返至地面，封固段长在2100～2200m，注水泥浆完毕即有一半体积以上的水泥浆进入环空。受设备及井下条件的限制，固井时不能实现紊流顶替。
3.水泥浆配方设计困难。煤层温度较低，适用于煤层气固井的水泥浆要求高。一是低温下低密度水泥浆水化速度缓慢，水泥石早期强度和后期强度低。二是低温下降失水剂效果不好，水泥浆向地层失水量大。三是低温侯凝过程中水泥浆长期处于液体，防窜效果不好。
二、低温早强快凝防窜水泥浆体系研究 1.成膜型降失水剂
成膜型降失水剂通过在井壁上形成一层具有一定韧性的薄膜，降低水泥浆的失水量，达到保护煤储层的目的。优选成膜型降失水剂JS-2，可以在水泥浆与滤网的交界处形成一层0.1-1mm厚，具有韧性的灰色膜，降低滤饼渗透率减少失水。测试了60℃下JS-2控制失水的能力，加量达1.2%时，水泥浆失水能控制在100mL以内。
2.水泥浆性能测试
（1）失水性能
基于JS-2形成水泥浆配方：胜潍G级+JS-2+0.5%分散剂+0.3%缓凝剂+0.05%消泡剂+3%膨胀剂+水（密度1.90g/cm3）。由图1可知，水泥浆体系在温度70℃-80℃之间、JS-2加量为1%时，60℃-70℃之间、JS-2的加量达到1.2%时，50℃-60℃之间、JS-2的加量达到1.4%，40℃-50℃之间、JS-2的加量达到1.5%时，水泥浆失水量均能控制在50mL以下。
图1 JS-2体系水泥浆失水性能
（2）综合性能
测定了40℃-80℃条件下，水泥浆体系的流动度、游离液等综合性能，由表2可知，水泥浆稠化时间随温度升高缩短，未出现“倒挂”现象，流动度在21cm-23cm，具有良好的流动性，游离液均低于1.0%，沉降密度差均为0，说明水泥浆具有良好的稳定性。水泥石的24h抗压强度均大于14MPa，能够满足施工需求。
表1 JS-2水泥浆体系综合性能
同时考察了该水泥浆体系的防气窜性能，如图2所示，静胶凝强度从48Pa到240Pa的过渡时间为19min，这进一步证明了JS-2水泥浆体系具有良好的防气窜性能。
图2 JS-2水泥浆在40℃的静胶凝曲线
下套管前，要求压稳油气层，控制油气上窜速度小于20m/h。套管到底后，先用小排量顶通一周后，再用大排量（1.85-1.90m3/min）循环洗井，有效冲洗井眼，并调整泥浆性能，动切力＜5Pa，粘度＜45S，泥浆进出口密度一致。
采用双凝水泥浆设计，煤层及煤层以上200m井段采用密度1.88g/cm3水泥浆，充填段采用密度1.50g/cm3低密度水泥浆。双凝水泥浆设计降低环空液柱压力，提高固井质量与保护煤储层相结合。注水泥前注入密度为1.03g/cm3冲洗液，有效冲洗井眼，提高顶替效率。
四、现场应用 LXD2-17井为一口先导试验井，完钻井深2260m，钻井液密度为1.16g/cm3，粘度50s，要求水泥上返至井口，封固段长2260m，且地层薄弱，易发生井漏风险，施工排量受限，顶替效率难以保证，该井井底温度为60℃。该井采用双凝水泥浆设计，领浆为1.50g/cm3粉煤灰低密度水泥浆，尾浆为1.88g/cm3低温早强快凝防窜水泥浆，注水泥前注入7.8m3冲洗液，48h测声幅，固井质量优质。
五、结论 成膜型降水剂JS-2通过在井壁上形成一层具有一定韧性的薄膜，降低水泥浆的失水量，达到保护煤储层的目的。水泥浆性能直接影响煤层气井固井质量，选择具有早强、短侯凝、防窜、低失水特点的水泥浆体系是提高煤层气井固井质量的关键。煤层气井固井是一项综合工程，必须在平衡压力固井设计、钻井液性能调整、固井施工工艺等各方面下功夫，才能确保固井质量良好。
参考文献： [1]葛军华.阜新矿区煤层气固井技术研究与应用[D].东北石油大学,2010.
[2]齐奉中,刘爱平.保护煤储层固井技术的探讨[J].钻井液与完井液,2001(01):24-27.
作者简介：李小林，工程师，硕士，2014年毕业于西南石油大学油气井工程专业，现在主要从事固井外加剂及固井工艺的研究工作。
