空心玻璃微珠水泥漿在煤層氣固井中的應(yīng)用.docx

空心玻璃微珠水泥漿在煤層氣固井中的應(yīng)用劉凱，耿勇，桑鵬飛(中原石油工程有限公司固井公司，河南 濮陽 457000）摘要：用常規(guī)的油井水泥漿對煤層進(jìn)行封固，容易引起固井漏失，造成煤儲層的污染。本文通 過分析固井作業(yè)對煤儲層的損害機(jī)理，提出了一種高強(qiáng)度、低密度水泥漿體系空心玻璃微珠水泥漿， 以減輕水泥漿密度，提高水泥環(huán)強(qiáng)度，從而最大限度降低對煤儲層的傷害、提高固井質(zhì)量。關(guān) 鍵 詞：煤層氣；固井；空心玻璃微珠中圖分類號：TE 256文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 1004-0935（2014）04-0425-03目前，我國煤層氣鉆完井缺乏針對煤層氣儲層 特性的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，大多沿用石油天然氣鉆完井技 術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，煤層氣固井更是缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。用常 規(guī)的油井水泥漿對煤層進(jìn)行封固，容易引起固井漏 失，造成煤儲層的污染。本文通過分析固井作業(yè)對煤儲層的損害機(jī)理， 提出了一種高強(qiáng)度、低密度水泥漿體系空心玻璃 微珠水泥漿，以減輕水泥漿密度，提高水泥環(huán)強(qiáng)度， 從而最大限度降低對煤儲層的傷害、提高固井質(zhì) 量。1固井作業(yè)對煤層的損害機(jī)理分析（1）煤層氣的主要儲集空間和滲流通道是煤 層的孔隙和割理，固井時(shí)，水泥漿中的固相顆粒運(yùn) 移至其中，造成機(jī)械封堵，繼而引起孔隙度和滲透 率的大幅度下降，不利于煤層氣的解吸。（2）煤層往往具有較高的粘土礦物含量，當(dāng) 水泥漿濾液進(jìn)入煤層后，造成粘土礦物的水化膨 脹，引起孔隙度和滲透率的降低。此外，煤本身也 具有吸收液體而產(chǎn)生膨脹的性質(zhì)，且煤吸收液體導(dǎo) 致基質(zhì)膨脹和滲透率降低的過程是幾乎不可逆的。（3）煤儲層具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性，固井作業(yè) 時(shí)，當(dāng)水泥漿液柱壓力大于煤儲層壓力時(shí)，會引起 煤層產(chǎn)生塑形變形，導(dǎo)致滲透率的變化；此外，過2空心玻璃微珠的性能空心玻璃微珠是一種高強(qiáng)度、低密度的減輕 劑，其主要化學(xué)成分是堿石灰硼硅酸鹽玻璃2。圖 1 是空心玻璃微珠的偏光顯微鏡照片和 SEM 照片。由 圖看出：空心玻璃微珠光澤度、圓度都比較高，是 一種密閉中空的玻璃球體，有堅(jiān)硬的外殼，內(nèi)部充 有稀薄的氮?dú)?。圖 1 空心玻璃微珠的偏光顯微鏡照片和 SEM 照片經(jīng)室內(nèi)研究，空心玻璃微珠真密度小，其密度 可在 0.200.60 g/cm3 之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，容易均勻分散 于有機(jī)溶劑中；抗壓強(qiáng)度高，當(dāng)抗靜壓強(qiáng)度達(dá)到 60 MPa 時(shí)，球體破損率小于 10%；晶體穩(wěn)定，呈化學(xué) 惰性，不溶于水和油，除氫氟酸以外不與任何物質(zhì) 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。表 1 為本實(shí)驗(yàn)中所采用的空心玻璃 微珠（中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司）的產(chǎn) 品性能。 表 1 空心玻璃微珠產(chǎn)品性能 平衡壓力大，會影響水泥漿對煤層的侵入速度和侵型號外觀真密度/粒度分布抗壓pH入半徑，造成煤儲層的滲透率降低1。（4）煤巖低孔低滲, 毛管力作用強(qiáng)，當(dāng)煤巖與 水泥漿接觸時(shí), 會引起毛細(xì)管自吸，導(dǎo)致煤儲層的 水相圈閉損害, 造成氣相滲透率下降, 嚴(yán)重影響煤 層氣的產(chǎn)量。（gcm-3） 10th% 50th% 90th%強(qiáng)度T20白色粉末0.20326810655089.5T25白色粉末0.25306510075089.5T32白色粉末0.323056742 000 89.5T40白色粉末0.402245704 000 89.5T46白色粉末0.462045656 000 8-9.5T60白色粉末0.6018406010 000 89.5收稿日期： 2013-11-21作者簡介：劉凱（1986-），男，助理工程師，山東濟(jì)寧人，2009 年畢業(yè)于重慶科技學(xué)院石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事固井作業(yè)。426遼寧化工2014 年 4 月3空心玻璃微珠水泥漿空心玻璃微珠水泥漿主要由水泥、空心玻璃微 珠、增強(qiáng)劑以及配套的外加劑組成，可根據(jù)固井需 要，選擇不同的外加劑體系，設(shè)計(jì)不同密度的水泥 漿配方。旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測試其流變性能，結(jié)果見表 5。通過結(jié) 果可以看出，空心玻璃微珠水泥漿具有良好的流變 性能，其流變性符合冥律模式，表明水泥漿能形成 穩(wěn)定的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，保證了水泥漿的穩(wěn)定性。 表 4 空心玻璃微珠水泥漿穩(wěn)定性能測試 密度/(gcm-3)對空心玻璃微珠水泥漿外加劑進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)配方頂部底部密度差驗(yàn)研究，選出了配伍性良好的外加劑。3.1空心玻璃微珠水泥漿水灰比確定水泥漿的強(qiáng)度除與水泥的標(biāo)號以及水泥配方 有關(guān)外，主要取決于水泥水灰比的大小。選擇合適 的水灰比，可以使水泥漿具有良好地流動性能，同 時(shí)易于其它性能的調(diào)節(jié)。無論水灰比過大還是過 小，對水泥漿的性能都是不利地。過大，則玻璃微 珠上浮，影響水泥漿的強(qiáng)度；過小，則水泥漿流變 性能差，不便于泵送作業(yè)。根據(jù) API 純水泥標(biāo)準(zhǔn)的 水灰比（表 2），通過大量的實(shí)驗(yàn)探索空心玻璃微珠 水泥漿水灰比與空心玻璃微珠的加量關(guān)系如下3：W/C=0.5+(11.3) K式中：W/C 空心玻璃微珠水泥漿水灰比K 空心玻璃微珠加量（占水泥百分含量）%。表 2 API 標(biāo)準(zhǔn)水灰比水泥級別A B C D E F G H 水泥漿密度/（gcm-3） 1.87 1.87 1.78 1.97 1.96 1.94 1.895 1.974W/C0.46 0.46 0.56 0.38 0.38 0.38 0.44 0.38隨著空心玻璃微珠加量的變化，水泥漿密度隨 著變化，水灰比增加不多，空心玻璃微珠加量與水 灰比、密度關(guān)系如表 3。11.5381.560.02221.4241.450.02641.2121.250.03860.9861.030.044表 5 空心玻璃微珠水泥漿流變性能測試旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)讀數(shù)配方nK/Pasn600300200100631133694423530.8220.1682140664626520.8230.1263145704925420.8560.1154136654523430.8460.1525154805025530.9130.1356167825626640.9060.1433.2.3失水和稠化性能評價(jià)空心玻璃微珠水泥漿具有合理的顆粒級配且 本身具有一定的降濾失的性能，選擇一種配伍性能 好的降濾失劑，考察其對降濾失量的影響。一般認(rèn) 為水泥漿的稠化時(shí)間比注水泥施工時(shí)間長 1 h 即 可，可以通過加緩凝劑來調(diào)節(jié)空心玻璃微珠水泥漿 的稠化時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 6。 表 6 空心玻璃微珠水泥漿失水及稠化性能測試 FL/mLt 稠化/min表 3 空心玻璃微珠加量與水灰比、密度關(guān)系/（gcm-3） 流動度/cm50705070微珠加量,%1020304050 60水灰比,%60758085100 110密度/（gcm-3）1.561.451.301.251.12 1.033.2空心玻璃微珠水泥漿綜合性能評價(jià)3.2.1穩(wěn)定性能評價(jià) 根據(jù)顆粒級配緊密堆積理論，超低密度水泥漿存在懸浮穩(wěn)定問題，通過添加外加劑，優(yōu)選小粒徑 的空心玻璃微珠來提高水泥漿體系的密實(shí)程度4。 通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表 4）可以看出，不同配方的水泥 漿，上下層密度差均小于 0.05 g/cm3。3.2.2流變性能評價(jià) 用空心玻璃微珠配制低密度水泥漿，倒入常壓稠化儀中在 45 條件下養(yǎng)護(hù) 20 min，然后用六速1.562022322651861.451920263352541.302116252651581.252118262562101.122024333202611.032122303101644結(jié) 論（1）空心玻璃微珠密度低，抗壓強(qiáng)度高，與 水泥漿外加劑配伍性能好，可有效降低水泥漿密 度。（2）空心玻璃微珠水泥漿體系性能穩(wěn)定，流 變性能好，可以滿足煤層氣井固井施工安全。（3）空心玻璃微珠水泥漿體系濾失量小，對 煤層氣井能起到很好的保護(hù)作用。 （下轉(zhuǎn)第 429 頁）第 43 卷第 4 期蔣中印，等：管道焊縫數(shù)字射線 DR 檢測技術(shù)研究 4293.3數(shù)字化管理數(shù)字圖像便于儲存、傳送且不容易被隨意修 改，長時(shí)間存儲其質(zhì)量也不會變壞，調(diào)用方便，可 防止丟片和片損情況的發(fā)生，有利于工程資料的安 全保存；方便進(jìn)行遠(yuǎn)程評片，可以對數(shù)字圖像缺陷 參數(shù)進(jìn)行量化，實(shí)現(xiàn)自動評判，同時(shí)結(jié)合專家遠(yuǎn)程 評定結(jié)果綜合評判，使評定結(jié)果更有合理性；數(shù)字 化油田的推行提供了管道建設(shè)過程中大量的數(shù)字信 息，結(jié)合 GPS 系統(tǒng)可以對每條管道焊縫進(jìn)行精確定 位，便于監(jiān)督工程質(zhì)量。3.4節(jié)能環(huán)保安全數(shù)字射線檢測系統(tǒng)采用輻射探測器代替膠片 完成射線信號的探測和轉(zhuǎn)換，沒有了洗片過程，不 需要顯影、定影過程中的化學(xué)藥品，不僅可以節(jié)約 膠片及其處理、儲存過程中的費(fèi)用，而且不排放化 學(xué)污染物，可節(jié)約投資且有利于環(huán)保。同時(shí)數(shù)字射 線檢測技術(shù)射線劑量也小于傳統(tǒng)膠片射線檢測技 術(shù)，可以減少對相關(guān)人員的健康危害。4結(jié)束語隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字探測器的發(fā)展，經(jīng)過多 年的研究，數(shù)字輻射探測器的質(zhì)量已有很大提高。 數(shù)字射線成像系統(tǒng)的性能已能滿足大部分管道焊縫 缺陷檢測的要要，圖像質(zhì)量已能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。 與傳統(tǒng)膠片照相檢測技術(shù)相比較，數(shù)字射線檢測技 術(shù)效率更高，可顯著降低輻射劑量，縮短施工工期， 具備更高的即時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性。參考文獻(xiàn)：1曾祥照無損檢測文化概論J. 無損探傷，2002，26（2）：34-372曾祥照X 射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)分辨率及其影響因素J. 無損探傷， 2003，27（6）：10-133馬躍洲，何山林，陳明，陳光線陣技術(shù)在焊管檢測中的應(yīng)用J. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007, 33（4）：22-264鄭世才射線照相基本檢驗(yàn)技術(shù)J. 無損檢測，2000，22（2）：84-885李衍承壓設(shè)備焊縫 CR 和 DR 技術(shù)應(yīng)用最新國際動態(tài)J. 無損探 傷，2009，33（4）：1-66荊峰X 射線數(shù)字化實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)在無損檢測中的應(yīng)用J. 無損探 傷，2004，28（3）：37-39Study on Digital Radiography Inspection Technology of Pipe Welding LineJIANG Zhong-yin1，LI Ze-liang2，ZHANG Yong-hu1，HE Tian1，ZHANG Chao1，LI Meng-nan3（1. Xian Shiyou University, Shaanxi Xian 710065，China；2. South Sulige Operating Division of Changqing Oilfield Company, PetroChina, Shaanxi Xian 710018，China；3. Henan Oilfield Branch Company，Technological Institute of Petroleum Engineering，Henan Nanyang 473132，China）Abstract: The principle and system composition of DR inspection technique for the weld defect examination were introduced, and the key technology points of digital X-ray DR Technology were pointed out. Finally, the feasibility of application in the detection of steel pipe weld was discussed.Key words: pipe；weld defect；digital radiography；application（上接第 426 頁）（4）空心玻璃微珠水泥漿體系克服了常規(guī)水 泥漿存在的固有缺陷，能夠滿足現(xiàn)場固井的需要。 參考文獻(xiàn)：1李傳友，等. 漂珠水泥漿在煤層氣井中的應(yīng)用J. 斷塊油氣田， 1999(6)2劉亞輝, 等. 高性能空心玻璃微珠的應(yīng)用研究J. 化學(xué)工程與裝 備，2010（11）3張國華, 等. 塔東北深探井漂珠低密度水泥漿的應(yīng)用J. 西部探 礦工程，1994，3（6）4滕兆健, 等. 空心玻璃微珠低密度水泥漿的初步研究J. 鉆井液 與完井液，2011，11（28）.Application of Cement Slurry Containing Hollow Glass Microspheres in Well Cementing of CBM WellsLIU Kai，GENG Yong，SANG Peng-Fei（Zhongyuan Petroleum Engineering Co., Ltd. Cementing Company, Shaanxi Yanan 717600，China）Abstract: It is easy to cause the cementing leakage and the pollution of coal reservoir in conventional oil well cement slurry cementing. In this article, through analyzing the damage mechanism of coal reservoir cementing operation, a high strength and low density cement