陳 雷， 楊紅歧， 肖京男， 周仕明， 初永濤， 魏 釗

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中石化華北石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，河南鄭州 450042)

杭錦旗區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地伊盟北部隆起，天然氣探明儲(chǔ)量500×108m3。該區(qū)塊斷層局部發(fā)育，漏失與垮塌風(fēng)險(xiǎn)高，鉆遇破碎帶易發(fā)生井漏，且多為裂縫性漏失。2016—2017年92口井的固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅6口井實(shí)現(xiàn)了一次性固井水泥返出，水泥失返率高達(dá)93.4%。低密度水泥漿受減輕劑成本限制，一般密度為1.30～1.50 kg/L，不能滿足杭錦旗區(qū)塊固井防漏要求[1-2]。泡沫水泥漿是在水泥漿中混入一定比例的氣泡形成泡沫，以降低水泥漿的密度[3]，發(fā)泡工藝主要有化學(xué)發(fā)泡和機(jī)械充氣發(fā)泡2種方式[4]?；瘜W(xué)發(fā)泡工藝較為簡(jiǎn)單，但發(fā)泡量小，水泥漿密度降低幅度有限，且無(wú)法實(shí)時(shí)控制密度；機(jī)械充氣泡沫工藝發(fā)泡量大，水泥漿密度降低幅度大，尤其適用于長(zhǎng)封固段、超低密度水泥漿固井[5-8]。國(guó)外Halliburton、BJ等公司已經(jīng)形成了完善配套的泡沫水泥漿體系和機(jī)械設(shè)備，泡沫水泥漿密度可實(shí)時(shí)控制，能夠滿足低壓易漏地層固井需求。但機(jī)械充氣泡沫水泥漿固井技術(shù)的研發(fā)門檻較高，國(guó)內(nèi)除新疆火燒山油田引進(jìn)Halliburton公司的液氮混合設(shè)備進(jìn)行了機(jī)械發(fā)泡現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)外，目前的研究和應(yīng)用主要集中在化學(xué)發(fā)泡泡沫水泥漿技術(shù)[9-12]。

筆者針對(duì)杭錦旗區(qū)塊的地層特點(diǎn)和固井技術(shù)要求，開(kāi)展了漂珠-氮?dú)馑酀{研究，設(shè)計(jì)出了密度為1.15～1.20 kg/L的漂珠-氮?dú)獬兔芏扰菽酀{，并自主研發(fā)了機(jī)械充氮泡沫設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)配套節(jié)流加回壓裝置，形成了低成本超低密度泡沫水泥漿控壓防漏固井工藝，在杭錦旗區(qū)塊5口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并獲得較好的應(yīng)用效果。

1 杭錦旗區(qū)塊固井技術(shù)難點(diǎn)

1) 杭錦旗區(qū)塊斷層局部發(fā)育，鉆遇破碎帶易發(fā)生井漏,漏失類型多為裂縫性漏失，漏失與垮塌的風(fēng)險(xiǎn)高。自上而下直羅組、石千峰組和下石盒子組地層砂巖較為發(fā)育；劉家溝組泥巖易碎裂成碎塊狀，尤其是近底部約100.00 m的泥巖更易碎裂，且與大套低壓砂層相近易發(fā)生井漏，具有漏失點(diǎn)多、漏失量大、堵漏難度低和漏失反復(fù)等特點(diǎn)。從實(shí)鉆情況看，劉家溝組地層漏失當(dāng)量密度嚴(yán)重偏低，部分井甚至低于1.25 kg/L。

2) 環(huán)空間隙小，裸眼封固段長(zhǎng)，增大了水泥漿漏失的風(fēng)險(xiǎn)。杭錦旗區(qū)塊表層φ244.5 mm套管下深400.00 m左右，二開(kāi)采用φ222.2 mm鉆頭鉆進(jìn)，φ177.8 mm技術(shù)套管下深3 200.00 m左右，裸眼段長(zhǎng)一般超過(guò)2 800.00 m，屬于典型的長(zhǎng)裸眼小間隙固井，漏失風(fēng)險(xiǎn)較大。

3) 上部延長(zhǎng)組、直羅組地層存在漏層，反擠水泥難以完全對(duì)接。前期針對(duì)杭錦旗區(qū)塊固井漏失問(wèn)題采用了低密度水泥漿固井，但受減輕劑成本的限制，常規(guī)低密度水泥漿密度一般為1.30～1.35 kg/L，固井過(guò)程中不可避免地發(fā)生井漏，需結(jié)合正注、反擠水泥漿等固井工藝措施進(jìn)行補(bǔ)救。由于上部地層漏層較多，反擠過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)300.00～400.00 m空白段，普遍存在固井質(zhì)量差和水泥環(huán)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)接等問(wèn)題。

特殊減輕劑材料(如3M玻璃微珠等)可以將水泥漿密度降至1.20 kg/L以下，但成本極高。因此，需要研究密度更低并且經(jīng)濟(jì)高效的泡沫水泥漿，以解決杭錦旗區(qū)塊的固井漏失問(wèn)題。

2 漂珠-氮?dú)獬兔芏扰菽酀{設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

選用低密度漂珠水泥漿作為基漿，在其中充入定量氮?dú)?，加入發(fā)泡劑，使氮?dú)庠谒酀{中分散成均勻氣泡，并采用穩(wěn)泡劑保持泡沫的穩(wěn)定性，最終設(shè)計(jì)形成不同密度的漂珠-氮?dú)獬兔芏扰菽酀{(以下簡(jiǎn)稱泡沫水泥漿)以滿足杭錦旗區(qū)塊防漏固井需求。

2.2 配制方法

首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《油井水泥試驗(yàn)方法》(GB/T 19139—2012)中的水泥漿制備方法，采用水泥、漂珠、微硅和緩凝劑等配制密度為1.55 kg/L的漂珠低密度水泥漿作為基漿，然后在基漿中加入發(fā)泡劑SCF和穩(wěn)泡劑SCW后，倒入自制的密封攪拌發(fā)泡漿杯中，以4 000 r/min的速度攪拌120 s，水泥漿經(jīng)攪拌發(fā)泡后充滿漿杯，得到配制好的泡沫水泥漿。

配制出的泡沫水泥漿的密度為：

(1)

式中：ρf為泡沫水泥漿密度，kg/L；ρs為基漿水泥漿密度，kg/L；Vs為基漿水泥漿體積，mL；VL為漿杯體積，mL。

2.3 性能評(píng)價(jià)

參照標(biāo)準(zhǔn)《常壓下泡沫水泥評(píng)價(jià)方法》(ISO 10426-4)[13]，測(cè)試泡沫水泥漿的濾失量、稠化時(shí)間和泡沫水泥石的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，泡沫水泥漿穩(wěn)定性良好，密度分別為1.15和1.20 kg/L泡沫水泥漿形成水泥石常溫抗壓強(qiáng)度分別為4.2與5.8 MPa，均滿足技術(shù)套管封固要求。

模擬杭錦旗區(qū)塊井下條件(溫度75 ℃、壓力35 MPa)，分別進(jìn)行漂珠水泥漿和泡沫水泥漿的稠化試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，充氮?dú)夂笮纬傻呐菽酀{其稠化時(shí)間與漂珠水泥漿相比一般延長(zhǎng)60～90 min，可以滿足安全固井施工的要求。

表1漂珠-泡沫復(fù)合超低密度水泥漿性能

Table1Propertiesofultra-lowdensitycementslurrywithhollowmicrospheres-foam

配方密度/(kg·L-1)API濾失量/mL48 h抗壓強(qiáng)度/MPa常溫70 ℃沉降穩(wěn)定性/(kg·L-1)11.55387.614.8±0.0221.53327.214.2±0.0231.205.88.6±0.0341.154.26.9±0.03

注：配方1為450.00 g G級(jí)水泥+90.00 g漂珠+60.00 g微硅+18.00 g G33s降濾失劑+1.56 g緩凝劑+330.00 g水；配方2為配方1+起泡劑+穩(wěn)泡劑；配方3為配方2+22.50%氮?dú)?；配?為配方2+25.80%氮?dú)狻?/p>

圖1 不同水泥漿的稠化曲線Fig.1 Thickening curves of different slurry systems

2.4 泡沫水泥漿井下實(shí)際密度計(jì)算方法

與常規(guī)注水泥施工不同，泡沫水泥漿的可壓縮性強(qiáng)，井下水泥漿的密度隨壓力、溫度與注氣量變化而發(fā)生變化。因此，在水泥漿密度和排量確定的條件下，需要控制地面注氣比例，確保泡沫水泥漿密度符合設(shè)計(jì)要求。為確保泡沫水泥漿的井下密度符合設(shè)計(jì)要求，一般采取恒注氣量和分段注氣2種控制方式。以分段注氣設(shè)計(jì)方法為例進(jìn)行說(shuō)明，井筒采用微元段化分段處理方式，取微元段中心點(diǎn)處的壓力和溫度，根據(jù)泡沫水泥漿密度計(jì)算公式(1)，自井口向下計(jì)算微元段泡沫體積分?jǐn)?shù)和微元段靜液柱壓力等參數(shù)，從而確定地面注氣量(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)。

井下壓力、溫度下泡沫水泥漿密度的理論計(jì)算公式為：

(2)

式中：Vg為氮?dú)怏w積，m3；VL為未發(fā)泡前的水泥漿體積，mL；p為井下壓力，MPa；T為井下溫度，K；Z為氮?dú)鈮嚎s因子；pst為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力，MPa；Tst為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，K；ρN2為井下壓力、溫度下的氮?dú)饷芏?，kg/L。

3 充氣泡沫水泥固井工藝

機(jī)械充氮泡沫固井工藝的核心是自主研發(fā)的機(jī)械充氮泡沫裝備，主要由泡沫發(fā)生器、泡沫劑泵送系統(tǒng)、氮?dú)鈮毫刂葡到y(tǒng)和自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制模塊組成。水泥基漿與發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑在管路中混合后，與泡沫發(fā)生器產(chǎn)生的高壓氮?dú)饣旌袭a(chǎn)生泡沫水泥漿，然后利用自主研發(fā)的泡沫水泥漿固井施工設(shè)備將泡沫水泥漿注入到井中，固井施工工藝流程見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、水泥漿和液氮分別由不同高壓柱塞泵進(jìn)行泵送，其中-198 ℃的液氮首先經(jīng)過(guò)增壓泵與蒸發(fā)器氣化成高壓氮?dú)?，再與低密度漂珠水泥漿、發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑在泡沫發(fā)生器中混合進(jìn)行發(fā)泡，隨后將產(chǎn)生的高壓泡沫水泥漿泵入水泥頭。泵送管路上有液體流量計(jì)與氣體質(zhì)量流量計(jì)，分別采集漿體與氣體的流量，所有的數(shù)據(jù)傳輸至實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制模塊根據(jù)水泥漿排量和密度設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)液氮、發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑排量,實(shí)現(xiàn)泡沫水泥漿密度的實(shí)時(shí)控制。

泡沫水泥漿設(shè)備系統(tǒng)參數(shù)為：耐壓30 MPa，氮?dú)馀懦鰷囟?～25 ℃，泡沫水泥漿排量0.3～1.6 m3/min，泡沫水泥漿密度0.30～1.60 kg/L。

由于泡沫水泥漿中含有可壓縮性泡沫，當(dāng)泡沫水泥漿通過(guò)井底從環(huán)空上返時(shí)，隨著液柱壓力降低，泡沫水泥漿中的泡沫將急劇膨脹，環(huán)空返漿會(huì)加速上升，使頂部泡沫水泥漿密度過(guò)低,造成漿體密度不穩(wěn)定。因此配套了井口節(jié)流加回壓裝置，在泡沫水泥漿固井作業(yè)時(shí)需要根據(jù)頂替情況及時(shí)關(guān)閉環(huán)空或加回壓。針對(duì)杭錦旗區(qū)塊，配套的井口節(jié)流加回壓裝置主要包括環(huán)空節(jié)流管匯和芯軸式套管頭。

圖2 泡沫水泥漿施工時(shí)的地面工藝流程Fig.2 Surface process flow of foamed cement slurry

泡沫水泥漿固井前，將芯軸式套管頭提至鉆井四通位置；觀察水泥漿快要返至地面時(shí)，立即關(guān)閉環(huán)形防噴器，當(dāng)見(jiàn)隔離液、泡沫水泥漿返出或環(huán)空返速過(guò)大時(shí)，由節(jié)流管匯返漿，控制節(jié)流閥并加回壓，一般回壓值在0.5～3.0 MPa。固井結(jié)束后，保持環(huán)形防噴器為關(guān)閉狀態(tài)，直接坐封井口，待密封井口后，打開(kāi)節(jié)流閥釋放壓力。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

杭錦旗區(qū)塊的錦58井區(qū)、錦66井區(qū)和錦72井區(qū)均位于斷層發(fā)育構(gòu)造復(fù)雜帶，普遍存在鉆井、固井漏失嚴(yán)重的問(wèn)題。2017年，錦58井區(qū)的JPH351井、JPH349井和JPH352井等5口井應(yīng)用了漂珠-氮?dú)獬兔芏扰菽酀{固井技術(shù)，固井過(guò)程中均未發(fā)生漏失，固井施工順利完成。

JPH351井位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部，主要目的層為二疊系下石盒子組、山西組，設(shè)計(jì)井深4 372.68 m，垂深3 011.60 m，二開(kāi)主井眼井段φ177.8 mm技術(shù)套管下深3 171.00 m，易漏層劉家溝組位于井深2 600.00 m處(見(jiàn)圖3)。為防止固井漏失，采用泡沫水泥漿封固400.00～2 800.00 m井段，1.90 kg/L尾漿封固氣層2 800.00～3 171.00 m井段。

由于一次封固段過(guò)長(zhǎng)，為了保證井下泡沫水泥漿密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，采用分段注氣控制方式，設(shè)計(jì)的環(huán)空水泥漿密度分布結(jié)果如圖4所示。根據(jù)真實(shí)氣體狀態(tài)方程，分為400.00～1 500.00 m和1 500.00～2 800.00 m 2個(gè)封固井段進(jìn)行泡沫水泥漿設(shè)計(jì)，400.00～2 800.00 m井段泡沫水泥漿按照平均密度為1.18 kg/L進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 JPH351井的井身結(jié)構(gòu)Fig.3 Casing program of Well JPH351H

圖4 JPH351井環(huán)空水泥漿密度分布Fig.4 Density distribution of cement slurry in the annulus of the Well JPH351

取封固段中心點(diǎn)950.00和2 150.00 m處的壓力和溫度數(shù)據(jù)，折算成常溫、常壓下的氮?dú)饬?，?jì)算出所需的分段注氣量，結(jié)果如表2所示。

表2JPH351井泡沫水泥漿固井氮?dú)饬吭O(shè)計(jì)結(jié)果

Table2NitrogenvolumedesignforfoamedslurrycementinginWellJPH351

段數(shù)低密度水泥漿量/m3低密度水泥漿排量/(m3·min-1)注氮?dú)獗壤?(m3·m-3)氮?dú)馀帕?(m3·min-1)氮?dú)怏w積/m31170.538196462170.578391 326

JPH351井φ177.8 mm套管固井施工前鉆井液密度為1.20 kg/L，循環(huán)排量為17.0 L/min，泵壓為6.5 MPa。依次泵送6.0 m3前置液和6.5 m3低密度水泥漿后，開(kāi)始泵注泡沫水泥漿，其中低密度水泥基漿排量保持在0.5 m3/min，按照設(shè)計(jì)在2封固井段分別以18～20 m3/min和38～40 m3/min排量注入氮?dú)?，共泵?2.5 m3低密度水泥漿；替漿35.0 m3后，泡沫水泥漿排量由1.0 m3/min降至0.5 m3/min，水泥漿返出地面，立即關(guān)閉環(huán)形防噴器，將節(jié)流回壓控制在1.4 MPa；替漿至65.0 m3時(shí)關(guān)閉節(jié)流閥，繼續(xù)替漿1.2 m3碰壓，固井結(jié)束。此時(shí)套壓為4.0 MPa，保持環(huán)形防噴器關(guān)閉，下放芯軸套管頭，坐封井口。

JPH351井井下漂珠-氮?dú)獾兔芏扰菽酀{實(shí)際密度為1.15 kg/L，聲幅測(cè)井結(jié)果顯示全井水泥封固，0～3 171.00 m井段測(cè)井聲幅值為13%～25%，根據(jù)低密度水泥漿固井質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，固井質(zhì)量為優(yōu)良。

5 結(jié) 論

1) 以低密度漂珠水泥漿為基漿，采用充氣發(fā)泡方法，形成了漂珠-氮?dú)獬兔芏扰菽酀{，在降低成本的同時(shí)，能保證水泥漿性能良好。

2) 自主研發(fā)了機(jī)械注氮泡沫設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)節(jié)流控制技術(shù)，形成了適用于配制超低密度水泥漿的機(jī)械充氮泡沫水泥漿技術(shù)。

3) 漂珠-氮?dú)獬兔芏扰菽喙叹夹g(shù)滿足杭錦旗區(qū)塊長(zhǎng)封固段、小間隙和低承壓防漏條件下的固井要求，對(duì)解決類似區(qū)塊的固井漏失問(wèn)題具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)
References

[1] 楊海波，曹成章，馮德杰，等.新型低密度水泥減輕材料SXJ-1的研制及應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2017,45(4):59-64.

YANG Haibo，CAO Chengzhang，F(xiàn)ENG Dejie，et al.The development and application of a new low density cement reducer SXJ-1[J].Petroleum Drilling Techniques，2017，45(4):59-64.

[2] 李早元，祁凌，劉銳，等.空心微珠低密度水泥環(huán)完整性試驗(yàn)研究[J].石油鉆探技術(shù)，2017，45(3):42-47.

LI Zaoyuan，QI Ling，LIU Rui，et al.Experimental study on the integrity of low-density cement sheath with hollow microsphere[J].Petroleum Drilling Techniques，2017，45(3):42-47.

[3] DAVIES D R，HARTOG J J，COBBETT J S.Foamed cement：a cement with many applications[R].SPE 9598，1981.

[4] 肖京男，劉建，桑來(lái)玉，等.充氣泡沫水泥漿固井技術(shù)在焦頁(yè)9 井的應(yīng)用[J].斷塊油氣田，2016，23(6)：835-837.

XIAO Jingnan，LIU Jian，SANG Laiyu，et al.Application of foamed cement slurry to Jiaoye-9 Well[J].Fault-Block Oil & Gas Field，2016，23(6)：835-837.

[5] DE ROZIERES J，F(xiàn)ERRIERE R.Foamed-cement characterization under down-hole conditions and its impact on job design[J].SPE Production Engineering，1991，6(3)：297-304.

[6] GUILLOT D J，LE BASTARD E.Learnings from foamed cement job simulations[R].OTC 23666，2012.

[7] GREEN K，JOHNSON P G，HOBBERSTAD R.Foam cementing on the Eldfisk Field：a case study[R].SPE 79912，2003.

[8] DOOPLY M，ELHANCHA A，DE BRUIJN G，et al.Application of real-time process control and engineering software simulation in foam cementing[R].SPE 168033，2014.

[9] 胡偉.泡沫水泥漿體系研究與應(yīng)用[D].大慶：東北石油大學(xué)，2012.

HU Wei.Research and application of foam cement slurry system[D].Daqing：Northeast petroleum university，2012.

[10] 屈建省，宋有勝，杜慧春.新型泡沫水泥的研究與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2000，17(4):11-14.

QU Jiansheng，SONG Yousheng，DU Huichun.Study and application of a novel foam cement[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2000，17(4):11-14.

[11] 顧軍，高德利，何湘清，等.泡沫水泥固井技術(shù)研究[J].天然氣工業(yè)，2003，23(增刊1)：78-80.

GU Jun，GAO Deli，HE Xiangqing，et al.Study on cementing technology of foamed cement[J].Natural Gas Industry，2003，23(supplement 1)：78-80.

[12] 盧國(guó)軍，王力，胡秋萍，等.泡沫水泥固井技術(shù)在沁南盆地煤層氣開(kāi)發(fā)中的研究應(yīng)用[J].西部探礦工程，2017，29(1)：32-34.

LU Guojun，WANG Li，HU Qiuping，et al.Research and application of cementing technology of foam cement in the development of CBM in Southern Qinshui Basin[J].West-China Exploration Engineering，2017，29(1):32-34.

[13] ISO 10426-4:2004 Petroleum and natural gas industries：cements and materials for well cementing：part 4:preparation and testing of foamed cement slurries at atmospheric pressure[S].