李明忠， 蔣新立， 李德紅， 劉 福， 李 季

(中石化華北石油工程有限公司技術(shù)服務(wù)公司，河南 鄭州 450000)

泡沫固井水泥漿密度與環(huán)空液柱壓力變化規(guī)律研究

李明忠， 蔣新立， 李德紅， 劉 福， 李 季

(中石化華北石油工程有限公司技術(shù)服務(wù)公司，河南 鄭州 450000)

超低密度泡沫水泥漿是解決低漏失壓力井固井漏失，提高固井質(zhì)量的有效措施。除泡沫水泥漿體系的開發(fā)與性能優(yōu)化外，掌握泡沫水泥漿在環(huán)空內(nèi)產(chǎn)生的靜液柱壓力隨井深的變化規(guī)律，是成功實(shí)施該工藝技術(shù)的前提。借助實(shí)際氣體狀態(tài)方程，考慮溫度、壓力變化對(duì)充入氮?dú)獾挠绊懀⒘遂o液柱壓力和水泥漿密度與井深之間的數(shù)學(xué)模型，以迭代法編程求解該隱函數(shù)方程，并借助VB語言實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)算。分析了含氣量變化、井深等因素對(duì)泡沫水泥漿密度及靜液柱壓力的影響規(guī)律，并提出了泡沫水泥漿“防漏”與“壓穩(wěn)”固井漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，為該工藝平衡壓力固井設(shè)計(jì)提供了一定的參考和理論依據(jù)。該設(shè)計(jì)方法經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用，證實(shí)其運(yùn)算結(jié)果的可靠性。

泡沫水泥漿；固井；含氣量；靜液柱壓力；水泥漿密度

0 引言

固井是油氣井建井過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，固井質(zhì)量直接影響到下開次的安全鉆進(jìn)，影響該井后期投產(chǎn)的采收能力及壽命[1]。但目前提高低漏失壓力井的固井質(zhì)量一直是固井工作者面臨的技術(shù)難題。地層承壓能力低，水泥漿發(fā)生漏失，造成環(huán)空內(nèi)的水泥漿返高達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；固井前鉆井液性能無法調(diào)整或難以調(diào)整至固井需要，同時(shí)為防漏而采取控排量替漿技術(shù)，犧牲了部分頂替效率[2-4]；“反擠”措施存在“正注”段與“反擠”段水泥漿難以有效銜接，“反擠”段混漿嚴(yán)重等問題,均對(duì)低漏失壓力井的固井質(zhì)量造成不利影響。

采用超低密度水泥漿體系，顯著降低環(huán)空液柱壓力，為頂替技術(shù)提供足夠的安全壓力“窗口”，是解決低漏失壓力井固井難題的有效措施[5]。目前，降低水泥漿密度的方法主要有提高水灰比、加入減輕材料和充入惰性氣體[2,6]。但對(duì)于密度1.0～1.2 g/cm3的超低密度水泥漿體系，通過提高水灰比和加入普通減輕材料難以實(shí)現(xiàn)，或是目前固井低成本運(yùn)作現(xiàn)狀所不允許。通過化學(xué)或機(jī)械方法在水泥漿中充氣，以發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑穩(wěn)定泡沫保證漿體性能穩(wěn)定，開發(fā)了系列超低密度水泥漿體系。氮?dú)獾膩碓磸V泛，價(jià)格低且為安全性強(qiáng)的惰性氣體，常作為充入氣體[7-9]。但該體系應(yīng)用于固井施工時(shí)，由于井下溫度和壓力的影響，水泥漿密度隨井深變化[10-12]。若密度設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)破壞與地層壓力的平衡關(guān)系，直接影響水泥漿的封固位置和固井質(zhì)量。因此，準(zhǔn)確預(yù)測不同含氣量下的泡沫水泥漿密度及其靜液柱壓力沿環(huán)空井深的變化規(guī)律，對(duì)實(shí)現(xiàn)泡沫水泥漿的防漏失固井以及提高固井質(zhì)量具有重要的意義。

1 泡沫水泥漿密度計(jì)算模型建立

泡沫水泥漿由于漿體密度低，不容易引發(fā)漏失，有利于平衡壓力固井，而且利用氣體的彈性對(duì)提高“大肚子”處鉆井液頂替效率和防止環(huán)空竄流具有一定作用。為方便分析泡沫水泥漿段密度和液柱壓力在井內(nèi)變化情況，為充氣方式以及含氣量設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)，本文借助氣體狀態(tài)方程開展了泡沫水泥漿密度與環(huán)空靜液柱壓力沿井深變化規(guī)律的研究。為研究方便，進(jìn)行如下假設(shè)：在環(huán)空內(nèi)，氣體以均勻分散的形式(泡狀流)充入水泥漿中，漿體為連續(xù)相，氣體為分散相；忽略基漿的壓縮性，不考慮氣體質(zhì)量，如圖1所示。

圖1 泡沫在環(huán)空內(nèi)的形態(tài)分布和單位體積泡沫水泥漿組分組成

為計(jì)算方便，取單位體積泡沫水泥漿，泡沫水泥漿的地面密度為ρs：

ρs=ρL(1-α)+ρgα

(1)

式中：ρL——泡沫水泥漿基漿密度；ρg——?dú)怏w密度；α——含氣量，取值0～1，無量綱參數(shù)，即在地面溫度、常壓下泡沫水泥漿中所含氣體體積與泡沫水泥漿體積的比值。由于ρg<<ρL，由式(1)得ρs=ρL(1-α)。

在井下實(shí)際條件下，氮?dú)獾臏囟取毫?、體積均隨井深發(fā)生變化。根據(jù)熱力學(xué)原理[13]，在井深H處的氣體體積為：

(2)

則在該深度處的泡沫水泥漿總體積為VH為：

(3)

由質(zhì)量守恒進(jìn)而可得到該深度處的泡沫水泥漿密度：

(4)

式中：ps——地面壓力，MPa；Ts——地面溫度，K；H——環(huán)空井深，m；p、V、T——分別為單位體積泡沫水泥漿中的氣體在井深H處的壓力、體積和溫度，有T=Ts+λH，λ——地溫梯度，℃/m。

在井深H處的靜液柱壓力采用微分方法進(jìn)行計(jì)算：

dp=0.00981ρpdH

(5)

將式(4)代入式(5)，且令b=αps/(1-α)，m=bλ/Ts，n=0.0098ρL/m有：

(6)

對(duì)該一階線性微分方程進(jìn)行原函數(shù)求解，邊界條件：p=p0=ps+0.0098ρmh(H=h)，其中h為泡沫水泥漿設(shè)計(jì)返高，ρm為環(huán)空內(nèi)泡沫水泥漿頂界以上的靜液柱壓力當(dāng)量密度。因此，式(6)的最終解為：

(7)

式(4)和(7)包括了溫度和壓力變化對(duì)泡沫水泥漿密度的影響。p是關(guān)于h的隱函數(shù)，使用迭代法求解p[14]，得到p后可由式(4)得到不同井深處的泡沫水泥漿密度。進(jìn)而通過積分式(8)得到不同井深處的靜液柱壓力當(dāng)量密度ρ靜：

(8)

為方便泡沫水泥漿固井設(shè)計(jì)，借助VB編程語言，完成泡沫水泥漿密度計(jì)算的程序設(shè)計(jì)，部分程序界面如圖2和圖3所示。

2 計(jì)算實(shí)例及現(xiàn)場工藝

為適應(yīng)低漏失壓力井固井需要(如鄂爾多斯盆地某區(qū)塊劉家溝組地層承壓能力僅為1.06 g/cm3)設(shè)計(jì)泡沫水泥漿的基漿密度1.55g/cm3，基漿為漂珠、微硅和水泥進(jìn)行復(fù)配的低密度體系，基本配方為：G級(jí)水泥+11.4%漂珠+2.9%微硅+6%低密增強(qiáng)劑+0.26%分散劑+0.4%緩凝劑+1.7%降失水劑。

圖2 泡沫水泥漿環(huán)空密度與靜液柱壓力計(jì)算界面

圖3 泡沫水泥漿實(shí)現(xiàn)井內(nèi)密度均一的計(jì)算界面

固井前環(huán)空鉆井液密度為1.1 g/cm3，泡沫水泥漿作為領(lǐng)漿封固至井口，地表平均溫度7.2 ℃，地溫梯度2.53 ℃/100 m，泡沫水泥漿封固井深為2500 m。取不同含氣量α，分別為0.96、0.94、0.92、0.90、0.88和0.85。分別計(jì)算了在上述條件下，泡沫水泥漿在不同井深處的密度以及泡沫水泥漿在不同井深處的當(dāng)量密度。計(jì)算結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖4 氮?dú)夂瑲饬繉?duì)不同井深處的泡沫水泥漿密度影響

若全井在不同井深處從井口注入相同的氮?dú)饬浚菽酀{密度隨井深增大而逐漸增大。由圖4可見，在上部封固段(如含氣量0.92～0.96，井深<1000 m時(shí))，隨井深增大，泡沫水泥漿密度增加速率較快；隨井深進(jìn)一步增大，泡沫水泥漿密度增加速率變慢；最終，泡沫水泥漿密度基本保持不變，接近水泥漿基漿密度。不同含氣量條件下的泡沫水泥漿密度沿環(huán)空井深變化趨勢一致，但含氣量越大，對(duì)深部井段密度降低效果愈加顯著。研究表明，低密度泡沫水泥漿的密度受溫度影響并不明顯[15]，上述現(xiàn)象主要是由環(huán)空靜液柱壓力增大造成的。在同一井深處，隨著含氣量的增大，泡沫水泥漿密度降低。當(dāng)含氣量>0.9，含氣量變化對(duì)泡沫水泥漿密度的影響程度顯著增大。

圖5給出了在不同含氣量情況下，泡沫水泥漿在任意井深處的靜液柱壓力當(dāng)量密度。根據(jù)易漏層位的地層承壓能力，在滿足液柱壓力小于地層承壓能力的要求下設(shè)計(jì)合適的氮?dú)庾⑷肓俊?/p>

在某些情況下，為追求井內(nèi)泡沫水泥漿密度均一，可通過適時(shí)調(diào)整氮?dú)獾淖⑷肓?。借助?4)，以上述參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，若為獲得泡沫水泥漿密度為1.2 g/cm3，在不同井深處的基漿含氣量α與井深關(guān)系如圖6(方式一)所示。如圖6可知，在井深較淺時(shí)，為獲得設(shè)計(jì)的泡沫水泥漿密度，氮?dú)獾淖⑷肓枯^少，這主要是由低液柱壓力對(duì)泡沫的壓縮程度較小、泡沫體積大造成的；隨著井深增加，隨著靜液柱壓力對(duì)泡沫的壓縮程度逐漸增大，氮?dú)庠O(shè)計(jì)注入量迅速增大；當(dāng)井深達(dá)到一定深度，氮?dú)庠O(shè)計(jì)注入量基本不再變化。

圖6 兩種注氣方式對(duì)比

現(xiàn)場固井施工時(shí)，保證環(huán)空內(nèi)泡沫水泥漿對(duì)易漏層位的液柱壓力低于其地層承壓能力，可采用2種注氣方式，如圖6所示。

方式一為恒密度法：連續(xù)變化氮?dú)庾⑷肱帕?，獲得全井段環(huán)空密度均一的泡沫水泥漿體系；

方式二為恒氣量法：穩(wěn)定氮?dú)庾⑷肱帕?，追求全井段環(huán)空當(dāng)量密度小于地層承壓能力。

比較上述2種注氣方式，兩者所需的氮?dú)饪偭坎顒e小。區(qū)別在于恒密度法在上部井段充氣量小，形成的水泥石強(qiáng)度高，但現(xiàn)場施工控制難度大；恒氣量法施工易于控制，在井底可以獲得密度較高，強(qiáng)度較大的水泥封固段；但恒氣量法因封固上部井段的泡沫水泥漿充氣量大，水泥漿密度低，容易造成上部井段氣泡發(fā)生聚結(jié)或破裂逸出而滑脫上竄，并且水泥石強(qiáng)度低，不滿足封堵隔離的要求，以及下部目的層壓穩(wěn)當(dāng)量密度不滿足要求。因此，在實(shí)際固井施工時(shí)，可結(jié)合常規(guī)低密度水泥漿與泡沫水泥漿使用。常規(guī)低密度水泥漿稠化時(shí)間大于泡沫水泥漿，在上部環(huán)空進(jìn)行壓穩(wěn)，防止泡沫低密度水泥漿滑脫上竄；泡沫水泥漿以分段密度的形式設(shè)計(jì)氮?dú)庾⑷肓?，井?nèi)泡沫水泥漿密度最大值比恒密度法小，上部水泥漿密度最小值比恒氣量法大，最終保證作用在易漏失層位上的靜液柱壓力當(dāng)量密度小于地層承壓能力。固井施工時(shí)配套井口節(jié)流管匯控制回壓，碰壓后立即下放芯軸式套管頭座封井口關(guān)井候凝。若固井發(fā)生漏失，則在井內(nèi)灌滿鉆井液后關(guān)井候凝。

3 應(yīng)用實(shí)例

鄂爾多斯杭錦旗區(qū)塊首次應(yīng)用泡沫水泥漿固井技術(shù)于三開結(jié)構(gòu)水平井JP-3X1井技術(shù)套管固井上。該井在鉆進(jìn)與下套管前通井時(shí)，劉家溝組均發(fā)生漏失，常規(guī)防漏固井技術(shù)難以達(dá)到防漏目的。地層承壓能力動(dòng)態(tài)測試表明，該井劉家溝組地層承壓能力不足1.27 g/cm3，與該區(qū)塊已完鉆鄰井基本相同。按照上述方式，該井低密度水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)分三段設(shè)計(jì)，在400～2600 m井段處以泡沫水泥漿充填，平均密度為1.18 g/cm3；保證作用在劉家溝組底部2600 m處的靜液柱壓力當(dāng)量密度≯1.24 g/cm3。分段注氣具體設(shè)計(jì)如下：

(1)井段0～400 m，泡沫水泥漿基漿，密度1.55 g/cm3，保證油氣層壓穩(wěn)和避免氣泡滑脫上升；

(2)井段400～1500 m，泡沫水泥漿，折算至地面溫度壓力(20 ℃/1 atm)下，充入氮?dú)馀c泡沫基漿體積比38 m3/m3(α=0.97436)；

(3)井段1500～2600m，泡沫水泥漿，折算至地面溫度壓力(20 ℃/1 atm)下，充入氮?dú)馀c泡沫基漿體積比78 m3/m3(α=0.98734)。具體氮?dú)庾⑷朐O(shè)計(jì)見表1。

表1 JP-3X1井泡沫固井分段注氣設(shè)計(jì)

按照該加氣方式設(shè)計(jì)的泡沫水泥漿，泡沫水泥漿密度沿井深變化規(guī)律以及靜液柱壓力沿井深變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 JPH-3X1井泡沫水泥漿密度與靜液柱壓力當(dāng)量密度沿井深變化規(guī)律

通過優(yōu)化現(xiàn)場配套技術(shù)，在JP-3X1井實(shí)施了機(jī)械充氣方式的泡沫水泥漿固井技術(shù)；與鄂爾多斯使用的1.30 g/cm3常規(guī)漂珠低密度水泥漿相比，將作用在劉家溝以上的靜液柱壓力當(dāng)量密度降低了0.06 g/cm3，且為提高頂替效率而采用大排量頂替技術(shù)提供了條件?，F(xiàn)場施工過程連續(xù)，水泥漿順利返出地面。CBL和VDL測得泡沫水泥漿封固段80%以上聲幅值小于20%。對(duì)比地層承壓能力，借助該模型進(jìn)行的泡沫固井設(shè)計(jì)滿足了區(qū)塊的固井防漏需要。在J128、JP-35Y、JP-32Z等井進(jìn)行推廣應(yīng)用，充分發(fā)揮了泡沫水泥漿在提高固井頂替效率和固井防漏方面的優(yōu)勢，有效提高了水泥返高，減少了因“反擠”補(bǔ)救造成的空套管段長。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)低密度泡沫水泥漿是解決低漏失壓力井固井漏失的有效技術(shù)措施。確定泡沫水泥漿在環(huán)空內(nèi)的靜液柱壓力分布特征，并進(jìn)行平衡壓力設(shè)計(jì)，是泡沫水泥漿固井技術(shù)成功使用的基礎(chǔ)和保證。

(2)借助氣體狀態(tài)方程，建立了表征泡沫水泥漿在環(huán)空內(nèi)的密度以及靜液柱壓力特征的數(shù)學(xué)模型。通過迭代法進(jìn)行求解，分析了含氣量變化、井深等因素對(duì)泡沫水泥漿密度及靜液柱壓力的影響規(guī)律。

(3)比較分析了“恒密度法”和“恒氣量法”優(yōu)缺點(diǎn)，提出了固井漿柱結(jié)構(gòu)“防漏”與“壓穩(wěn)”的設(shè)計(jì)思路，為泡沫水泥漿平衡壓力固井設(shè)計(jì)提供了一定參考和理論依據(jù)。

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StudyonChangeRulesofFoamCementingSlurryDensityandAnnularStaticLiquidColumnPressure

/LIMing-zhong,JIANGXin-li,LIDe-hong,LIUFu,LIJi

(SINOPEC Huabei Oilfield Service Corporation, Technology Service Company, Zhengzhou Henan 450000, China)

Ultra-low density foam cement slurry is an effective technical measure to solve cementing leakage and improve cementing quality for low leakage pressure well. In addition to the foam cementing slurry development and the performance optimization, confirming static liquid column pressure (SLCP) at different annulus depth is necessary for foam cementing slurry application. With the help of real gas state equation, taking the influence on N2 filling volume by the variation of temperature and pressure into account, a mathematical model of SLCP and density of foam cement slurry together with the well depth was established, the implicit function is solved by iterative method and the program operation is realized by using VB language. The influence rules of gas content variation and well depth on foam cementing slurry density and SLCP are analyzed; the cementing slurry column structure design ideas for foam cement slurry are given for cementing leakage prevention and pressure stability which can be reference and theoretical basis for balanced pressure cementing design. This design method has been proved to be reliable by field application.

foam cement slurry; cementing; gas content; static liquid column pressure; density

2017-06-08；

2017-08-24

李明忠，男，漢族，1988年生，碩士，油氣井工程專業(yè)，從事固井工程施工和固井技術(shù)研究等工作，河南省鄭州市中原區(qū)淮河西路23號(hào)新蒲大廈8層818室，petroleumupc@163.com。

TE256

A

1672-7428(2017)11-0030-05