渤钻低密度固井水泥浆降低煤层气储层伤害的实验_王道宽.pdf

第43卷第3期 2015年6月 文章编号l001-1986201503-0 l 05-05 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY low-density; coalbed methane; reservoir damage; uation 我国煤层大多渗透率较低，总体上以微孔为主， 过渡孔次之，中孔和大孔比例较小［I］。以沁水盆地 煤层气储层为例，该区域储层孔喉半径多分布在0～ 0.1 mr2-5l。对晋城3号煤层的代表性煤样进行分析， 发现其孔隙直径分布在0.002-0.2m。 同时煤层气固井过程中对储层影响很多。固井 水泥对地层的影响主要表现在滤液渗透进地层，密 度不同的固井水泥造成不同的压差，并使滤液扩散 收稿日期2014-02-27 基金项目国家科技重大专项课题（2011ZX05034-002 至一定半径，滤液会持续和煤层接触，与煤层中的 有机和无机成分发生反应，会持续对煤层产生影响， 降低煤层的解吸附能力，影响煤层气的产量［6-9］。 传统的固井水泥密度较大，在固井过程中产生 较大压差，容易破坏储层，影响半径较大，而且滤 液成分矿化度较高，持续对储层产生伤害［10-11］。渤 海钻探针对此类型煤层提出一种低密度固井水泥浆 （统称渤钻浆）。本文通过对渤钻浆的基本性能、滤 作者简介王道宽（1989一），男，安徽池州人，硕士研究生，从事地质勘探钻井液及煤层气钻进工作． E-mail wangdaokuan89 l l l 2 引用格式王道宽，史亚运，乌效鸣，等．渤钻低密度固井水泥浆降低煤层气储层伤害的实验［J］.煤田地质与勘探， 2015, 433 105一109. ChaoXing 106 煤田地质与勘探第43卷 液性能、滤液成分、滤液电导率、渗透率回复率和 伤害半径与传统固井水泥进行对比，对渤钻浆降低 煤层气储层伤害作了评价。 1 渤海低密度固井水泥配方和基本性能 1.1 渤海低密度固井水泥和常规固井水泥配方 常规固井水泥和渤海低密度固井水泥的配方分 别如表1和表2所示。 表1低密度国井水泥的配方 Table 1 ula of low-density cementing slurry G级油井徽硅微珠EF-1 EJ-2 配浆水 水泥lglg lg 分散剂lg降失水剂lg /mL 600 48 30 4.2 12 400 表2常规固井水泥浆的配方 Table 2 ula of conventional cementing slurry G级油井水泥lg配浆水／mL 密度／（gcm-3 1.7 1.8 1.9 ABC 600 700 900 395 322 265 1.2 基本性能 1.2.1 失水量 为得出渤钻浆与常规水泥浆在滤失量上的差 别，进一步分析滤失量对储层污染的大小，利用 HDF-1型高温高压动失水仪，依据GB/T19139- 2003油井水泥试验方法，在底部面积22.6cm2, 配有0.045mm 325目）的整体式筛网的浆筒中，加 温至35℃，加压6.9MPa，测量其失水量，结果如 表3。 表3渤钻回井水泥和常规固井水泥失水量 Table 3 The water loss of Bohai drilling cementing slurry and conventional cementing slurry 配方 密度 实验结束滤液量标准滤液量 /gcm-3 时间／s 。，／mL。30/mL 渤钻浆1.56 106 152.0 I 252.7 A 1.7 28 178.3 2 822.2 常规固井 水泥 B 1.8 32 173.0 2 594.9 c 1.9 49 137.5 I 666.7 由表3可知，渤钻浆属低密度固井水泥，产生 的压差小，一般固井水泥密度大，产生较大压差， 造成煤储层压力敏感。同时渤钻浆滤失量比一般固 井水泥要低，侵入储层会减少，这可减少对储层的 伤害。 1.2.2 滤液性能 利用高温高压失水仪得到两种水泥浆的滤液， 利用ZNS六速旋转站度计测得到两种水泥浆的蒙古度 如表4o 表4两种固井水泥浆滤液的基本性能 Table 4 The basic perances of the two kinds of ce- menting slurry filtrate 滤液种类 渤钻水泥浆滤液 B固井水泥滤液 AV /mPas 1.5 [a p/gcm.3 0.511 l.025 PV /mPas 。1.02 对比两种水泥浆滤液可知，传统固井水泥浆滤 液表现教度（Aη稍微比清水高，基本没有切力，说 明滤液中主要成分是水以及一些溶于水的盐离子。 渤钻浆滤液与传统水泥浆滤液相比，表观茹度和密 度p）均有所升高，但变化量较小，动切力（YP）变化 较明显。 从储层保护角度分析，一方面，渤钻浆由于添 加有降失水剂，由于有一定动切力，滤液向地层渗 透阻力较大，滤液的污染半径减小，污染程度降低。 另一方面，随着教度的增加，滤液冲蚀煤层的动能 减小，造成煤层的剥落也会减少。这样，剥落的煤 层颗粒对裂隙和孔道的堵塞机率也会降低，更有利 于煤层气的产出的可持续性［12］。 1.2.3 稠化实验 采用OWC-9040F型增压稠化仪进行实验，依 据GB/T19139-2003油井水泥试验方法测量其 稠化时间。模拟现场煤层深度在500m左右，按照 标准设定升温梯度17min升温至35℃，稠化压力 为8MPa，结果如表5。从表5可以清晰地看出， 随着水灰比的增加，水泥的稠化时间也在增加。在 稠化压力为8MPa，稠化温度为35℃时，渤钻浆由 于添加了微硅、微珠、分散剂等，其密度不仅大大 降低，而且稠化时间也比相同密度的常规水泥浆的 稠化时间大大缩短，这不仅有利于施工进度的提高， 也有利于减少对煤层气储层的危害。 表5固井水泥浆的稠化时间 Table 5 Thickening time of cementing slurry 水泥浆种类密度／（gcm-3稠化时间／mi口 渤钻水泥浆 A B c un789 ill - 305 425 376 288 2 固井水泥滤；在成分分析及污染评价 2.1 固井水泥滤液化学成分 利用高温高压失水仪得到常规水泥浆和渤钻浆 ChaoXing 第3期王道宽等渤钻低密度固井水泥浆降低煤层气储层伤害的实验 107 的滤液。利用滴定的方法，根据GB/T8538-1995 饮用天然矿泉水检验方法及GB50021-2001岩 土工程勘察规范来测试，测试基本数据和计算结 果如表6。 表6渤钻浆和常规固井水泥滤液滴定结果 Table 6 The titration results of Bohai drilling cementing slurry filtrate and the conventional cementing slurry filtrate 测定项目常规水泥浆滤液渤钻浆滤液 Ca2 /mgL-1 645.29 562.23 Mg2/mgL-1 0.00 0.00 KNa/ mgL-1 9 176.40 8 756.23 Cr/mgL-1 381.09 312.23 so1 mgr 3 640.67 3 425.2 HC03“/ mg-L-1 0.00 0.00 co; /mgr 9 843.28 9 245.2 pH值12.50 12.0 矿化度ImgL 1 23 686.73 22 301.12 计算项目计算结果 全硬度ImmolL 1 32.20 28.1 永久硬度ImmolL-1 32.20 28.1 总碱度Immol-L-1 328.00 308.2 从水质检测报告中可以看出，水泥浆滤液主要 是高矿化度的水溶液，硬度较高。其中含有大量的 Ca2, Mg2＋、K,Na, SO－、co－等无机盐离子。 滤液对煤层的伤害主要表现在滤液中的无机盐离子 结垢后堵塞煤层中的孔道，降低渗透率。在滤液渗 透过程中，由于温度、压力、离子浓度和pH值的 变化，Ca2＋、Mg2＋可能出现结晶析出，堵塞煤层气 通道。 对比两种滤液可知，渤钻浆滤液中Ca2＋、Mg2＋、 COi－含量均相对较小，在同等地层水条件下结晶析 出的可能性大大降低，伤害程度减小，对煤层水的 适应性相对较高。 2.2 滤液电导率 电导率表示水泥浆的导电能力，与带电离子的移 动速度有关。带电离子移动速度越快，即带电离子间 引力减弱，电导率越大。电导率的增大会不利于煤层 气的解吸附［13］。采用DDS-110型电导率仪分别对渤钻 浆和常规水泥浆的滤液进行电导率测定，结果如表7a 表7渤钻和常规固井水泥滤液电导率 Table 7 The conductivity of Bohai drilling cementing slurry filtrate and the conventional cementing slurry filtrate 滤液种类滤液温度／℃滤液电导率／（Scm-1 渤钻低密度水泥浆15 6.69xJ04 常规水泥浆A15 7.88104 由测试结果可以得知渤钻浆滤液电导率比常 规水泥浆的减小了18。电导率越低，液体的离子 浓度越低，对甲皖解吸附的抑制性越弱，越有利于 甲烧的释放。 2.3 水泥浆污染煤层渗透率恢复率实验 由于一口煤层气井的产气量只有在开采完全结 束时才能得到具体而准确的数据，这通常需要几年 的时间。为了对比常规水泥浆与渤钻浆污染煤层后 对煤层气产量的影响，利用实验室设备，以煤层气 的渗透率恢复率作为衡量指标进行实验对比，从而 评价两种水泥浆的优劣。 a.利用SC-SOB型立式取心机，钻取山西3号 煤的煤样，得到编号为1和2的煤样两组各3个；利 用QM-1型岩心端面切磨二用机将钻取的煤样端面 磨平。 b.取煤样1，在常温下利用JHGP气体渗透率 测定仪正向测试煤岩心的初始气测（氮气，下同）渗透 率，记为Ko。 c.用JHCF岩心流动实验仪在围压2MPa、轴 压lMP a的条件下，用常规水泥浆滤液对煤岩心进 行反向污染lh，将污染后的煤岩心正向测试气体渗 透率，记为Ki。 d.将污染后的煤岩心的被污染端切片5-8mm, 正向测试气测渗透率，记为K2。 e.2号煤样岩心的实验方法同l号，2号样用渤 浆滤液污染，其他处理步骤同1号煤样，经过实验 得到结果如表8。 表8原状煤岩心气测渗透率测试结果 Table 8 Gas permeability testing results of original coal core samples 上流压Ko K, Ki M, M, 编号/MPa /10’t口＇m2110－口＇m/10『1口笃m2 / / 0.35 3.32 1.24 2.01 62.65 60.54 0.38 3.65 1.08 2.22 70.41 60.28 0.4 3.78 1.34 2.35 64.55 62.17 平均3.58 1.22 2.19 65.87 61.18 0.35 7.25 5.23 6.78 27.86 93.52 2 0.38 7.18 4.99 6.54 30.5 91.09 0.4 7.46 5.33 6.34 28.55 84.99 平均7.30 5.18 6.55 28.97 89.81 其中，M1[KoKi Ko]x100，表示渗透率降 低率；M2Ki/K0 x100，表示渗透率恢复率。 两种滤液污染后煤岩心气测渗透率变化如图l。 对比1和2两组原状煤样结果，渤钻浆污染的煤 样渗透率降低为28.97，渗透率恢复率为89.81, ChaoXing 煤田地质与勘探第43卷108 8 初始 污染lh 切片 守05 高罢 2 。 l号2号 煤样编号 图1两种滤液污染后煤岩心的气测渗透率变化 Fig. l Comparison of average gas permeability of coal core polluted by two filtrate 而常规水泥浆污染的煤样渗透率降低为65.87，渗 透率恢复率为61.18，这表明渤钻浆密度低、矿化 度低、电导率低和失水量小，使得煤样的气测渗透 率降低率低，渗透率恢复率高。故而，渤钻浆对煤 层气储层的影响小于常规固井水泥，伤害深度浅。 3 滤液对储层伤害的数学评价 3.1 滤液影晌半径数学分析表达 在固井过程中，不考虑其他因素，使用常规固 井水泥浆和低密度低失水固井水泥浆所需要的固井 时间是一定的。在相同地层情况下，衡量储层污染 最直接的方法就是计算水泥浆污染储层的半径（13］。 根据达西定律及滤失总量守恒得到 Qt_ d只KAM 二一一一－ ‘dt h 式中Q，为渗透速率；K为泥皮的渗透率；A为渗透 面积；M为渗滤压力；h为泥皮厚度；μ为滤液蒙古度； t为渗透时间。 当一定量泥浆完全滤失掉时，有下面的关系 1J - A I飞 Vm hA＋冉（2 只＝hACC 3 C_ V. hAC m _....._ ＝一一（叫 “Vm hA＋冉 式中Vm为过滤的泥浆体积；Vr为滤失液体的体积， 即滤失量；Vi为泥皮中固体颗粒的体积；Cc为泥皮 中固体颗粒的体积百分数；Cm为泥浆中固体颗粒的 体积百分数。于是上式可得 h Vr ACc /Cm一1 5 整理后得 u cc 一 年刷 刷一 6 VrdVr ＝κ42Cc一lt.Pdt 7 μ 积分后得 江（主－lt.Pt Vr A＼／』m8 μ 3.2 固井水泥失水渗透侵入模拟 在钻进中，不同的固井水泥会有不同程度的漏 失水情况。对于不同固井水泥进行失水量实验可以 得出Vr与6..P之间的关系，上式中t0.5h（一般失水 量实验所取的时间）。 当失水到一定程度，即泥皮达到一定厚度时， 失水速度会趋于稳定，取这一段时间的平均漏失水 速度为固井过程平均速度。取平均线速度为叭，有 民一旦一垒立 一一 且AtAt 由式。）和式（8）式可得 9 2K（主－lt.P 同＝＼／飞，取N 一常数，即町＝.J万互F。 根据漏失水渗透进周围地层的情况，推导出以 下求漏失水影响半径的公式 r2 -r/rcry 2r0rctliii5P 10 因为同＝鲁＝币两边平方得 N Q230 t2 At.P 30222.66.9 将前面测试的基本数据代人式。）中，可以求出 不同水泥浆的N值，再代人式（2）中，即可以求出影 响半径 2K（生一1 】m为 t 飞，J - A 1且 ，，．飞 挝、t.I -Qf t,.p - V 30“ 22.6“6.9 ’ rl 12 η 式中Q30为测试的滤失液的体积；η为煤样的孔隙率。 从式12）中可知，当ro和η一定时候，滤液污染 储层的半径与滤失量及水泥浆的稠化时间成正比。 3.3 滤失量储层伤害的量化评价 对于晋域地区储层深度在500m左右，其中 rol50 mm, 174，不同水泥浆稠化时间、滤失量 和污染半径，计算渤钻浆和常规固井水泥的渗透半 径，如表9。 由表9可知，渤钻浆和其他3种常规固井水泥 的滤液污染半径分别是6.71m、11.88m、10.71m 和7.52m。渤钻浆密度低、失水量小、滤液的电导 ChaoXing 第3期王道宽等渤钻低密度固井水泥浆降低煤层气储层伤害的实验 109 表9不同水泥浆污染半径统计表 Table 9 The statistics of contamination radius of different cement slurry 水泥浆种类密度 flp 稠化时滤失量半径 /gcm-3 /MP a 间／minlmL Im 渤钻浆1.56 7.8 305 1250.2 6.71 A 1.7 8.5 425 2822.16 11.88 B 1.8 9.0 376 2594.9 10.71 c 1.9 9.5 288 1666.7 7.52 率低、矿化度低、污染后渗透率恢复率高，使得渤 钻浆滤液污染半径相对于其他3种固井水泥滤液污 染半径分别减少了43.59、37.46和10.85，保 护储层效果更好。 4结论 a.渤钻浆相对于常规固井水泥密度低（1.56glcm3, 形成的压差小，对储层破坏小。 b.渤钻浆失水量小，且滤液有一定的黠度和动 切力。滤液冲蚀煤层的减小，对裂隙和孔道的堵塞 机率也会降低，滤液的电导率和矿化度都较常规固 井水泥滤液低，从而降低对储层的伤害，其渗透率 恢复率达89.81，而常规固井水泥滤液污染的煤样 渗透率恢复率为61.18，可更好保护储层。 c.利用数学解析和达西定律推导出，当ro和η已 知时，滤液污染储层的半径与滤失量及水泥浆的稠化 时间成正比。在晋城地区埋深500m煤层，计算渤钻 浆和常规固井水泥污染半径分别为6.71m、11.88m、 10.71 m和7.52m，渤钻浆的污染半径分别减少了 43.59、37.46和10.85，这将更好地保护储层。 （上接第104页） 透射图反映了FlO、F62断层在A工作面中的发育情 况，为工作面的安全回采提供了重要信息。 参考文献 [l］何樵登．地震波理论［M］.北京地质出版社，1988. 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