空心玻璃微珠水泥浆在煤层气固井中的应用.docx

空心玻璃微珠水泥浆在煤层气固井中的应用刘凯，耿勇，桑鹏飞(中原石油工程有限公司固井公司，河南 濮阳 457000）摘要：用常规的油井水泥浆对煤层进行封固，容易引起固井漏失，造成煤储层的污染。本文通 过分析固井作业对煤储层的损害机理，提出了一种高强度、低密度水泥浆体系空心玻璃微珠水泥浆， 以减轻水泥浆密度，提高水泥环强度，从而最大限度降低对煤储层的伤害、提高固井质量。关 键 词：煤层气；固井；空心玻璃微珠中图分类号：TE 256文献标识码： A文章编号： 1004-0935（2014）04-0425-03目前，我国煤层气钻完井缺乏针对煤层气储层 特性的技术和标准，大多沿用石油天然气钻完井技 术和标准，煤层气固井更是缺乏统一的标准。用常 规的油井水泥浆对煤层进行封固，容易引起固井漏 失，造成煤储层的污染。本文通过分析固井作业对煤储层的损害机理， 提出了一种高强度、低密度水泥浆体系空心玻璃 微珠水泥浆，以减轻水泥浆密度，提高水泥环强度， 从而最大限度降低对煤储层的伤害、提高固井质 量。1固井作业对煤层的损害机理分析（1）煤层气的主要储集空间和渗流通道是煤 层的孔隙和割理，固井时，水泥浆中的固相颗粒运 移至其中，造成机械封堵，继而引起孔隙度和渗透 率的大幅度下降，不利于煤层气的解吸。（2）煤层往往具有较高的粘土矿物含量，当 水泥浆滤液进入煤层后，造成粘土矿物的水化膨 胀，引起孔隙度和渗透率的降低。此外，煤本身也 具有吸收液体而产生膨胀的性质，且煤吸收液体导 致基质膨胀和渗透率降低的过程是几乎不可逆的。（3）煤储层具有很强的非均质性，固井作业 时，当水泥浆液柱压力大于煤储层压力时，会引起 煤层产生塑形变形，导致渗透率的变化；此外，过2空心玻璃微珠的性能空心玻璃微珠是一种高强度、低密度的减轻 剂，其主要化学成分是碱石灰硼硅酸盐玻璃2。图 1 是空心玻璃微珠的偏光显微镜照片和 SEM 照片。由 图看出：空心玻璃微珠光泽度、圆度都比较高，是 一种密闭中空的玻璃球体，有坚硬的外壳，内部充 有稀薄的氮气。图 1 空心玻璃微珠的偏光显微镜照片和 SEM 照片经室内研究，空心玻璃微珠真密度小，其密度 可在 0.200.60 g/cm3 之间进行调节，容易均匀分散 于有机溶剂中；抗压强度高，当抗静压强度达到 60 MPa 时，球体破损率小于 10%；晶体稳定，呈化学 惰性，不溶于水和油，除氢氟酸以外不与任何物质 发生化学反应。表 1 为本实验中所采用的空心玻璃 微珠（中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司）的产 品性能。 表 1 空心玻璃微珠产品性能 平衡压力大，会影响水泥浆对煤层的侵入速度和侵型号外观真密度/粒度分布抗压pH入半径，造成煤储层的渗透率降低1。（4）煤岩低孔低渗, 毛管力作用强，当煤岩与 水泥浆接触时, 会引起毛细管自吸，导致煤储层的 水相圈闭损害, 造成气相渗透率下降, 严重影响煤 层气的产量。（gcm-3） 10th% 50th% 90th%强度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作者简介：刘凯（1986-），男，助理工程师，山东济宁人，2009 年毕业于重庆科技学院石油工程专业，现从事固井作业。426辽宁化工2014 年 4 月3空心玻璃微珠水泥浆空心玻璃微珠水泥浆主要由水泥、空心玻璃微 珠、增强剂以及配套的外加剂组成，可根据固井需 要，选择不同的外加剂体系，设计不同密度的水泥 浆配方。旋转粘度计测试其流变性能，结果见表 5。通过结 果可以看出，空心玻璃微珠水泥浆具有良好的流变 性能，其流变性符合冥律模式，表明水泥浆能形成 稳定的空间网架结构，保证了水泥浆的稳定性。 表 4 空心玻璃微珠水泥浆稳定性能测试 密度/(gcm-3)对空心玻璃微珠水泥浆外加剂进行了室内实配方顶部底部密度差验研究，选出了配伍性良好的外加剂。3.1空心玻璃微珠水泥浆水灰比确定水泥浆的强度除与水泥的标号以及水泥配方 有关外，主要取决于水泥水灰比的大小。选择合适 的水灰比，可以使水泥浆具有良好地流动性能，同 时易于其它性能的调节。无论水灰比过大还是过 小，对水泥浆的性能都是不利地。过大，则玻璃微 珠上浮，影响水泥浆的强度；过小，则水泥浆流变 性能差，不便于泵送作业。根据 API 纯水泥标准的 水灰比（表 2），通过大量的实验探索空心玻璃微珠 水泥浆水灰比与空心玻璃微珠的加量关系如下3：W/C=0.5+(11.3) K式中：W/C 空心玻璃微珠水泥浆水灰比K 空心玻璃微珠加量（占水泥百分含量）%。表 2 API 标准水灰比水泥级别A B C D E F G H 水泥浆密度/（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随着空心玻璃微珠加量的变化，水泥浆密度随 着变化，水灰比增加不多，空心玻璃微珠加量与水 灰比、密度关系如表 3。11.5381.560.02221.4241.450.02641.2121.250.03860.9861.030.044表 5 空心玻璃微珠水泥浆流变性能测试旋转粘度计读数配方nK/Pasn600300200100631133694423530.8220.1682140664626520.8230.1263145704925420.8560.1154136654523430.8460.1525154805025530.9130.1356167825626640.9060.1433.2.3失水和稠化性能评价空心玻璃微珠水泥浆具有合理的颗粒级配且 本身具有一定的降滤失的性能，选择一种配伍性能 好的降滤失剂，考察其对降滤失量的影响。一般认 为水泥浆的稠化时间比注水泥施工时间长 1 h 即 可，可以通过加缓凝剂来调节空心玻璃微珠水泥浆 的稠化时间，实验结果见表 6。 表 6 空心玻璃微珠水泥浆失水及稠化性能测试 FL/mLt 稠化/min表 3 空心玻璃微珠加量与水灰比、密度关系/（gcm-3） 流动度/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空心玻璃微珠水泥浆综合性能评价3.2.1稳定性能评价 根据颗粒级配紧密堆积理论，超低密度水泥浆存在悬浮稳定问题，通过添加外加剂，优选小粒径 的空心玻璃微珠来提高水泥浆体系的密实程度4。 通过实验结果（表 4）可以看出，不同配方的水泥 浆，上下层密度差均小于 0.05 g/cm3。3.2.2流变性能评价 用空心玻璃微珠配制低密度水泥浆，倒入常压稠化仪中在 45 条件下养护 20 min，然后用六速1.562022322651861.451920263352541.302116252651581.252118262562101.122024333202611.032122303101644结 论（1）空心玻璃微珠密度低，抗压强度高，与 水泥浆外加剂配伍性能好，可有效降低水泥浆密 度。（2）空心玻璃微珠水泥浆体系性能稳定，流 变性能好，可以满足煤层气井固井施工安全。（3）空心玻璃微珠水泥浆体系滤失量小，对 煤层气井能起到很好的保护作用。 （下转第 429 页）第 43 卷第 4 期蒋中印，等：管道焊缝数字射线 DR 检测技术研究 4293.3数字化管理数字图像便于储存、传送且不容易被随意修 改，长时间存储其质量也不会变坏，调用方便，可 防止丢片和片损情况的发生，有利于工程资料的安 全保存；方便进行远程评片，可以对数字图像缺陷 参数进行量化，实现自动评判，同时结合专家远程 评定结果综合评判，使评定结果更有合理性；数字 化油田的推行提供了管道建设过程中大量的数字信 息，结合 GPS 系统可以对每条管道焊缝进行精确定 位，便于监督工程质量。3.4节能环保安全数字射线检测系统采用辐射探测器代替胶片 完成射线信号的探测和转换，没有了洗片过程，不 需要显影、定影过程中的化学药品，不仅可以节约 胶片及其处理、储存过程中的费用，而且不排放化 学污染物，可节约投资且有利于环保。同时数字射 线检测技术射线剂量也小于传统胶片射线检测技 术，可以减少对相关人员的健康危害。4结束语随着计算机技术和数字探测器的发展，经过多 年的研究，数字辐射探测器的质量已有很大提高。 数字射线成像系统的性能已能满足大部分管道焊缝 缺陷检测的要要，图像质量已能满足相关标准要求。 与传统胶片照相检测技术相比较，数字射线检测技 术效率更高，可显著降低辐射剂量，缩短施工工期， 具备更高的即时性、准确性和可靠性。参考文献：1曾祥照无损检测文化概论J. 无损探伤，2002，26（2）：34-372曾祥照X 射线实时成像系统分辨率及其影响因素J. 无损探伤， 2003，27（6）：10-133马跃洲，何山林，陈明，陈光线阵技术在焊管检测中的应用J. 兰州理工大学学报，2007, 33（4）：22-264郑世才射线照相基本检验技术J. 无损检测，2000，22（2）：84-885李衍承压设备焊缝 CR 和 DR 技术应用最新国际动态J. 无损探 伤，2009，33（4）：1-66荆峰X 射线数字化实时成像系统在无损检测中的应用J. 无损探 伤，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 页）（4）空心玻璃微珠水泥浆体系克服了常规水 泥浆存在的固有缺陷，能够满足现场固井的需要。 参考文献：1李传友，等. 漂珠水泥浆在煤层气井中的应用J. 断块油气田， 1999(6)2刘亚辉, 等. 高性能空心玻璃微珠的应用研究J. 化学工程与装 备，2010（11）3张国华, 等. 塔东北深探井漂珠低密度水泥浆的应用J. 西部探 矿工程，1994，3（6）4滕兆健, 等. 空心玻璃微珠低密度水泥浆的初步研究J. 钻井液 与完井液，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