陳 雷， 楊紅歧， 肖京男， 周仕明， 初永濤， 魏 釗

(1.中國石化石油工程技術(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，天然氣探明儲量500×108m3。該區(qū)塊斷層局部發(fā)育，漏失與垮塌風(fēng)險高，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)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅6口井實現(xiàn)了一次性固井水泥返出，水泥失返率高達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)泡和機械充氣發(fā)泡2種方式[4]。化學(xué)發(fā)泡工藝較為簡單，但發(fā)泡量小，水泥漿密度降低幅度有限，且無法實時控制密度；機械充氣泡沫工藝發(fā)泡量大，水泥漿密度降低幅度大，尤其適用于長封固段、超低密度水泥漿固井[5-8]。國外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械設(shè)備，泡沫水泥漿密度可實時控制，能夠滿足低壓易漏地層固井需求。但機械充氣泡沫水泥漿固井技術(shù)的研發(fā)門檻較高，國內(nèi)除新疆火燒山油田引進Halliburton公司的液氮混合設(shè)備進行了機械發(fā)泡現(xiàn)場試驗外，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]。

筆者針對杭錦旗區(qū)塊的地層特點和固井技術(shù)要求，開展了漂珠-氮氣水泥漿研究，設(shè)計出了密度為1.15～1.20 kg/L的漂珠-氮氣超低密度泡沫水泥漿，并自主研發(fā)了機械充氮泡沫設(shè)備，現(xiàn)場配套節(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口井進行了現(xiàn)場應(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

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，具有漏失點多、漏失量大、堵漏難度低和漏失反復(fù)等特點。從實鉆情況看，劉家溝組地層漏失當量密度嚴重偏低，部分井甚至低于1.25 kg/L。

2) 環(huán)空間隙小，裸眼封固段長，增大了水泥漿漏失的風(fēng)險。杭錦旗區(qū)塊表層φ244.5 mm套管下深400.00 m左右，二開采用φ222.2 mm鉆頭鉆進，φ177.8 mm技術(shù)套管下深3 200.00 m左右，裸眼段長一般超過2 800.00 m，屬于典型的長裸眼小間隙固井，漏失風(fēng)險較大。

3) 上部延長組、直羅組地層存在漏層，反擠水泥難以完全對接。前期針對杭錦旗區(qū)塊固井漏失問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行補救。由于上部地層漏層較多，反擠過程中經(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)難以實現(xiàn)對接等問題。

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)濟高效的泡沫水泥漿，以解決杭錦旗區(qū)塊的固井漏失問題。

2 漂珠-氮氣超低密度泡沫水泥漿設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

選用低密度漂珠水泥漿作為基漿，在其中充入定量氮氣，加入發(fā)泡劑，使氮氣在水泥漿中分散成均勻氣泡，并采用穩(wěn)泡劑保持泡沫的穩(wěn)定性，最終設(shè)計形成不同密度的漂珠-氮氣超低密度泡沫水泥漿(以下簡稱泡沫水泥漿)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)標準《油井水泥試驗方法》(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 性能評價

參照標準《常壓下泡沫水泥評價方法》(ISO 10426-4)[13]，測試泡沫水泥漿的濾失量、稠化時間和泡沫水泥石的抗壓強度，結(jié)果見表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)，分別進行漂珠水泥漿和泡沫水泥漿的稠化試驗，結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，充氮氣后形成的泡沫水泥漿其稠化時間與漂珠水泥漿相比一般延長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%氮氣；配方4為配方2+25.80%氮氣。

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

2.4 泡沫水泥漿井下實際密度計算方法

與常規(guī)注水泥施工不同，泡沫水泥漿的可壓縮性強，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)計要求。為確保泡沫水泥漿的井下密度符合設(shè)計要求，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)計方法為例進行說明，井筒采用微元段化分段處理方式，取微元段中心點處的壓力和溫度，根據(jù)泡沫水泥漿密度計算公式(1)，自井口向下計算微元段泡沫體積分數(shù)和微元段靜液柱壓力等參數(shù)，從而確定地面注氣量(標準狀況下)。

井下壓力、溫度下泡沫水泥漿密度的理論計算公式為：

(2)

式中：Vg為氮氣體積，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為氮氣壓縮因子；pst為標準狀態(tài)下的壓力，MPa；Tst為標準狀態(tài)下的溫度，K；ρN2為井下壓力、溫度下的氮氣密度，kg/L。

3 充氣泡沫水泥固井工藝

機械充氮泡沫固井工藝的核心是自主研發(fā)的機械充氮泡沫裝備，主要由泡沫發(fā)生器、泡沫劑泵送系統(tǒng)、氮氣壓力控制系統(tǒng)和自動化遠程控制模塊組成。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)生的高壓氮氣混合產(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行泵送，其中-198 ℃的液氮首先經(jīng)過增壓泵與蒸發(fā)器氣化成高壓氮氣，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與氣體質(zhì)量流量計，分別采集漿體與氣體的流量，所有的數(shù)據(jù)傳輸至實時監(jiān)控系統(tǒng)，自動化遠程控制模塊根據(jù)水泥漿排量和密度設(shè)計要求調(diào)節(jié)液氮、發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑排量,實現(xiàn)泡沫水泥漿密度的實時控制。

泡沫水泥漿設(shè)備系統(tǒng)參數(shù)為：耐壓30 MPa，氮氣排出溫度5～25 ℃，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，當泡沫水泥漿通過井底從環(huán)空上返時，隨著液柱壓力降低，泡沫水泥漿中的泡沫將急劇膨脹，環(huán)空返漿會加速上升，使頂部泡沫水泥漿密度過低,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)時需要根據(jù)頂替情況及時關(guān)閉環(huán)空或加回壓。針對杭錦旗區(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，立即關(guān)閉環(huán)形防噴器，當見隔離液、泡沫水泥漿返出或環(huán)空返速過大時，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，打開節(jié)流閥釋放壓力。

4 現(xiàn)場應(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、固井漏失嚴重的問題。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-氮氣超低密度泡沫水泥漿固井技術(shù)，固井過程中均未發(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)計井深4 372.68 m，垂深3 011.60 m，二開主井眼井段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。

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

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、常壓下的氮氣量，計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氣量設(shè)計結(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)注氮氣比例/(m3·m-3)氮氣排量/(m3·min-1)氮氣體積/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)計在2封固井段分別以18～20 m3/min和38～40 m3/min排量注入氮氣，共泵送42.5 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時關(guān)閉節(jié)流閥，繼續(xù)替漿1.2 m3碰壓，固井結(jié)束。此時套壓為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-氮氣低密度泡沫水泥漿實際密度為1.15 kg/L，聲幅測井結(jié)果顯示全井水泥封固，0～3 171.00 m井段測井聲幅值為13%～25%，根據(jù)低密度水泥漿固井質(zhì)量評價標準，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-氮氣超低密度泡沫水泥漿，在降低成本的同時，能保證水泥漿性能良好。

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

3) 漂珠-氮氣超低密度泡沫水泥固井技術(shù)滿足杭錦旗區(qū)塊長封固段、小間隙和低承壓防漏條件下的固井要求，對解決類似區(qū)塊的固井漏失問題具有借鑒意義。

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