王建云， 張紅衛(wèi)， 鄒書強(qiáng)， 李明軍， 王 鵬

（中國石化西北油田分公司， 新疆烏魯木齊 830011）

順北油氣田位于塔里木盆地順托果勒區(qū)塊，儲層主要為海相碳酸鹽巖裂縫性–洞穴型油藏，發(fā)育多條斷裂帶，區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜。其中，古生界二疊系地層火成巖段裂縫發(fā)育，埋深 3 800～5 400 m，二開中完井底溫度90～120 ℃，地層漏失壓力當(dāng)量密度 1.25～1.27 kg/L[1–2]，地層承壓能力低，鉆井、下套管及固井過程中易發(fā)生漏失，導(dǎo)致固井水泥漿返高不夠，環(huán)空存在自由段，影響井筒完整性，對油氣井的安全生產(chǎn)造成一定隱患。

目前，順北油氣田二疊系低壓易漏層固井主要采用密度1.40～1.50 kg/L的高抗擠微珠水泥漿和密度1.60 kg/L的粉煤灰水泥漿，所采用的固井工藝主要有2種：1）對于下套管井口失返風(fēng)險(xiǎn)小的井，采用分級固井工藝，一級固井領(lǐng)漿采用低密度水泥漿，尾漿為常規(guī)密度水泥漿，二級固井采用低密度水泥漿，并引入試驗(yàn)封隔式分級箍；2）對于下套管井口失返風(fēng)險(xiǎn)大的井，采用正注反擠固井工藝，正注領(lǐng)漿為低密度水泥漿，尾漿為常規(guī)密度水泥漿，正注結(jié)束后，待尾漿起強(qiáng)度后再反擠常規(guī)密度水泥漿。雖然上述工藝和技術(shù)取得了一定的現(xiàn)場效果，但二疊系的固井漏失問題依然嚴(yán)重，部分條帶固井漏失率超過80%[3–4]，難以實(shí)現(xiàn)全封固。因此，需從隔離液、水泥漿及配套固井工藝方面進(jìn)一步改進(jìn)與革新，以滿足順北油氣田低壓易漏層井筒密封完整性要求。

泡沫水泥漿密度較低、強(qiáng)度較高，具有彈塑性與膨脹性，能極大地降低固井過程中水泥漿失返和淺層氣竄的風(fēng)險(xiǎn)，提高水泥環(huán)的長期密封完整性，保證后期壓裂和生產(chǎn)的安全。目前，泡沫水泥漿采用的發(fā)泡方式主要有化學(xué)發(fā)泡和機(jī)械發(fā)泡2種。其中，機(jī)械發(fā)泡是通過特制設(shè)備，在水泥漿中注入氮?dú)?，相比化學(xué)發(fā)泡具有發(fā)泡量大、水泥漿密度降幅大等優(yōu)勢，近年來廣泛應(yīng)用于易漏地層的泡沫水泥漿固井[5–8]?；诖?，筆者針對順北油氣田二疊系固井漏失導(dǎo)致水泥漿返高不夠、固井質(zhì)量差的問題，優(yōu)選了抗高溫抗鹽的蛋白質(zhì)發(fā)泡劑和高聚物穩(wěn)泡劑，研制了密度1.10～1.30 kg/L可調(diào)的防漏泡沫水泥漿體系，提出了基于井深、溫度和壓力的環(huán)空分段充氣設(shè)計(jì)方法，以此為基礎(chǔ)，研究形成了順北油氣田低壓易漏層泡沫水泥漿固井技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用取得了很好的效果，為該油氣田低壓易漏層安全高質(zhì)量固井提供了技術(shù)支撐。

1 發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑優(yōu)選及加量優(yōu)化

1.1 發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑優(yōu)選及性能評價(jià)

以下研究的泡沫水泥漿，是向普通水泥漿體系中機(jī)械充入氮?dú)猓箽庀嗯c液相充分均勻混合，形成具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的泡沫水泥漿。該泡沫水泥漿具有氣泡不易破裂、半衰期長和攜液量大的特點(diǎn)。

1.1.1 發(fā)泡劑 SCF-1

在室內(nèi)優(yōu)選了具有兩親結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)復(fù)合發(fā)泡劑SCF-1，為了準(zhǔn)確評價(jià)SCF-1在井底高溫環(huán)境下的發(fā)泡性能，用老化罐對2%SCF-1溶液進(jìn)行老化，評價(jià)SCF-1的發(fā)泡體積和半衰期，結(jié)果見表1。

表1 發(fā)泡劑SCF-1的性能Table 1 Performance of foam agent SCF-1

由表1可知，經(jīng)高溫120 ℃老化后，2%SCF-1溶液的發(fā)泡體積基本保持不變，泡沫半衰期略有縮短，但依然可以形成具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的泡沫。這說明溫度不影響SCF-1的發(fā)泡性能，SCF-1可在高溫120 ℃下使用。

1.1.2 穩(wěn)泡劑 SCF-2

雖然SCF-1具有良好的高溫發(fā)泡性能，但泡沫半衰期偏短，無法滿足現(xiàn)場泡沫長時(shí)間穩(wěn)定的需求。為此，室內(nèi)優(yōu)選了聚合物類耐高溫穩(wěn)泡劑SCF-2。SCF-2通過提高液相黏度來減緩泡沫排液速度，同時(shí)分子鏈中的表面活性基團(tuán)可增強(qiáng)泡沫表面吸附分子間的相互作用，從而增強(qiáng)吸附膜強(qiáng)度，兩者協(xié)同作用來增長泡沫半衰期[9]。室內(nèi)試驗(yàn)評價(jià)了SCF-2對發(fā)泡體積和半衰期的影響，結(jié)果見表2。

由表2可知，2%SCF-1溶液中加入SCF-2后，可顯著降低泡沫排液速度，明顯增長泡沫半衰期，大幅提高泡沫穩(wěn)定性；SCF-2加量為0.8%時(shí)，發(fā)泡體積由850 mL減小至750 mL，但泡沫半衰期則增長至4 h以上，實(shí)現(xiàn)了長時(shí)間穩(wěn)泡要求。

表2 穩(wěn)泡劑SCF-2對發(fā)泡體積與泡沫半衰期的影響Table 2 Effect of foam stabilizer SCF-2 on foaming volume and foam’s half life

1.2 發(fā)泡劑SCF-1和穩(wěn)泡劑SCF-2的加量優(yōu)化

采用單因素變量法試驗(yàn)優(yōu)化SCF-1和SCF-2的加量。先將SCF-2加量為固定0.2%，向1.90 kg/L常規(guī)水泥漿中加入2%～6%SCF-1，在密封攪拌漿杯中以轉(zhuǎn)速 1 000 r/min 攪拌 1 min 后測水泥漿密度，分析SCF-1加量對水泥漿密度的影響，結(jié)果見表3。

表3 發(fā)泡劑SCF-1加量對水泥漿密度的影響Table 3 Effect of foam agent SCF-1 dosage on cement slurry density

由表3可知，隨著SCF-1加量增大，水泥漿密度顯著降低，泡沫體積分?jǐn)?shù)明顯增加，且水泥石抗壓強(qiáng)度與SCF-1加量呈明顯的負(fù)相關(guān)。SCF-1加量為2%時(shí)，水泥漿密度降至1.30 kg/L，泡沫體積分?jǐn)?shù)升高至31%，水泥石在100 ℃下養(yǎng)護(hù)48 h的抗壓強(qiáng)度達(dá)16.8 MPa；SCF-1加量為6%時(shí)，水泥漿密度降至1.03 kg/L，泡沫體積分?jǐn)?shù)增大至46%，此時(shí)水泥漿變得黏稠，類似于“冰激凌”狀，且具有一定的觸變性，但水泥石在100 ℃下養(yǎng)護(hù)48 h的抗壓強(qiáng)度僅為4.7 MPa，強(qiáng)度發(fā)育緩慢，會影響管鞋處的固井質(zhì)量。前期研究發(fā)現(xiàn)，泡沫體積分?jǐn)?shù)大于40%以后，水泥漿中氣泡直徑變大，泡孔間間隔層較薄，氣泡容易形成串孔結(jié)構(gòu)[10]。考慮泡沫穩(wěn)定性與水泥石強(qiáng)度，SCF-1加量以2%～4%為宜。

為考察SCF-2加量對泡沫水泥漿穩(wěn)定性的影響，將SCF-1加量固定為3%，利用密封加壓設(shè)備制備密度約1.20 kg/L的加壓泡沫水泥漿，注氣壓力為4 MPa，密閉取樣后在100～120 ℃條件下進(jìn)行高溫高壓養(yǎng)護(hù)，形成水泥石后測量其上、下部分的密度，結(jié)果見表4。

由表4可知，SCF-2加量為0.4%～0.6%時(shí)，溫度110～120 ℃下泡沫水泥石的上、下部密度差小于0.03 kg/L，未出現(xiàn)分層或大孔隙，表明SCF-2在高溫下具有優(yōu)良的穩(wěn)泡效果，可滿足高溫固井要求；抗壓強(qiáng)度與SCF-2加量呈負(fù)相關(guān)，但抗壓強(qiáng)度差小于0.4 MPa，表明SCF-2基本不影響水泥石的抗壓強(qiáng)度。

表4 穩(wěn)泡劑SCF-2加量對泡沫水泥漿穩(wěn)定性的影響Table 4 Effect of foam stabilizer SCF-2 dosage on cement slurry stability

2 泡沫水泥漿體系的構(gòu)建與性能評價(jià)

在優(yōu)選發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑并優(yōu)化其加量的基礎(chǔ)上，優(yōu)選了大溫差混凝劑、早強(qiáng)劑等外加劑，研制了以高抗擠微珠低密度水泥漿和常規(guī)密度水泥漿為基漿的泡沫水泥漿，并評價(jià)了其性能，結(jié)果見表5。

根據(jù)試驗(yàn)情況，若水泥漿基漿密度太大，對深井而言因?yàn)榫聣毫^高，需要的充氣量太大，水泥漿整體性能會受影響，而且降低密度的能力有限。若泡沫水泥漿密度設(shè)計(jì)為1.50～1.60 kg/L，可以以常規(guī)密度水泥漿為基漿；若泡沫水泥漿密度設(shè)計(jì)為1.00～1.30 kg/L，宜以密度 1.40～1.50 kg/L 的低密度水泥漿為基漿。

由表5可知，根據(jù)泡沫水泥漿密度選擇合理的基漿，形成泡沫水泥漿的流動性好，120 ℃溫度下的API濾失量小于50 mL，比基漿低，稠化時(shí)間比基漿長約 30 min，水泥石強(qiáng)度發(fā)展快，密度 1.10 kg/L 泡沫水泥石常溫下養(yǎng)護(hù)72 h后抗壓強(qiáng)度可達(dá)7.2 MPa。

表5 泡沫水泥漿的基本性能Table 5 Basic properties of foamed cement slurry

采用掃描電子顯微鏡觀察密度1.10 kg/L的常壓泡沫水泥石與加壓泡沫水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，泡沫水泥石中氣泡分布均勻且相互分散、獨(dú)立，氣泡球形度高，常壓泡沫水泥石中氣泡直徑約250 μm，加壓4 MPa泡沫水泥石中氣泡直徑約50 μm。由此可知，提高養(yǎng)護(hù)壓力可減小氣泡直徑，增加水泥石的密實(shí)性，從而提高水泥石的抗壓強(qiáng)度。

圖1 泡沫水泥石的微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Micro structure of foamed cement stone

3 泡沫水泥漿固井工藝

3.1 泡沫水泥漿固井多級分段注氣設(shè)計(jì)

泡沫流體具有可壓縮性，壓力、溫度和密度等參數(shù)會相互影響。為此，以薄弱易漏地層漏失當(dāng)量密度為依據(jù)，結(jié)合地層壓力和溫度，采取分段設(shè)計(jì)方法，將全井筒水泥漿劃分為微段單元，然后沿井身軸線方向進(jìn)行迭代計(jì)算直至井底，計(jì)算得出井眼環(huán)空泡沫水泥漿密度分布[11–14]?；陧槺庇蜌馓锒B系的地層漏失壓力，采用近平衡壓力固井方式，并對其進(jìn)行環(huán)空注氣量設(shè)計(jì)。固井期間確保環(huán)空靜液柱壓力當(dāng)量密度與中完鉆井液密度接近，若封固0～4 500 m 井段，以每 500 m 為 1 個注氣單元，其設(shè)計(jì)結(jié)果見表6。

表6中，頂部500 m采用基漿是為了保證泡沫水泥漿壓實(shí)度，底部500 m采用基漿是為了保證管鞋封固質(zhì)量[15]；中間低壓易漏層為泡沫水泥漿封固井段，根據(jù)井深變化實(shí)時(shí)調(diào)整注氣量，保證不同井深下泡沫水泥漿密度均勻一致，防止恒氣量注入時(shí)頂部泡沫水泥漿密度過低和底部泡沫水泥漿密度過高的問題。

表6 泡沫水泥漿固井多級分段注氣設(shè)計(jì)結(jié)果Table 6 Cementing design of multi-stage segmented aeration of foamed cement slurry

3.2 配套固井技術(shù)措施

1）注水泥過程中，盡量保持水泥基漿密度均勻、排量平穩(wěn)與施工連續(xù)，根據(jù)水泥基漿密度和排量合理控制注氮?dú)馀帕?，最大不超過設(shè)計(jì)排量。

2）固井前，先下放套管待懸重減少800 kN左右，墊吊卡或大鉤吊提施工，待固井結(jié)束水泥石強(qiáng)度發(fā)展后再釋放剩余懸重，以防止套管受壓變形。

3）套管坐掛后，關(guān)閉環(huán)形防噴器，由套管頭側(cè)翼旁通接出兩路高壓返漿管線至高架槽，其中一路接至排污罐（池），將所有高壓返漿管線固定好。

4）注水泥過程中，連續(xù)監(jiān)控施工壓力、排量及井口返漿情況，做好數(shù)據(jù)采集與反饋等工作，待隔離液出井口后由套管頭旁通管線返至排污池。

5）以密度為1.45 kg/L的漂珠水泥漿為基漿，充氣形成泡沫水泥漿的密度為1.18～1.20 kg/L，比鉆井液密度低0.04～0.07 kg/L，可降低漏失風(fēng)險(xiǎn)，確保水泥漿一次性上返至井口。

6）碰壓后，根據(jù)固井模擬結(jié)果，并結(jié)合泵壓實(shí)際變化，設(shè)計(jì)反擠水泥漿密度和反擠量，在壓實(shí)泡沫水泥漿的同時(shí)防止壓漏地層；反擠結(jié)束后，憋壓候凝72 h，以確保上部固井質(zhì)量。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

基于上述泡沫水泥漿和固井工藝形成的順北油氣田低壓易漏層泡沫水泥漿固井技術(shù)，目前已在順北油氣田2口井進(jìn)行了二疊系封固試驗(yàn)，水泥漿均成功返出地面，固井質(zhì)量優(yōu)良。

其中，A井是一口評價(jià)井，一開套管下深1 500 m，二開采用?333.4 mm 鉆頭鉆至井深 4 370 m 中完，?273.1 mm 套管下深 4 369 m。二疊系 3 732～4 332 m井段鉆井過程中，通過向鉆井液中加入隨鉆堵漏材料，未發(fā)生漏失，中完鉆井液密度1.25 kg/L。二開采用泡沫水泥漿單級固井，為防止固井漏失，提高固井質(zhì)量，采取了以下措施：1）設(shè)計(jì)泵入20 m3密度1.25 kg/L的堵漏隔離液，在二疊系低壓易漏層形成第一道防漏堵漏屏障；2）根據(jù)地層情況和中完鉆井液密度，設(shè)計(jì)采用雙凝雙密度水泥漿，0～4 000 m井段采用機(jī)械充氮方式將密度1.45 kg/L水泥漿轉(zhuǎn)換成的密度 1.18 kg/L 泡沫水泥漿，4 000～4 370 m 段采用常規(guī)密度水泥漿，提高管鞋段固井質(zhì)量；3）優(yōu)化扶正器安放位置，裸眼段采用樹脂旋流剛性扶正器，減少對井壁的影響，重疊段采用整體彈性扶正器，提高套管居中度；4）嚴(yán)格控制套管下放速度，出裸眼后單根套管下放時(shí)間不短于120 s。A井?273.1 mm技術(shù)套管固井現(xiàn)場入井水泥漿性能見表7。

表7 順北油氣田A井?273.1 mm技術(shù)套管固井水泥漿性能Table 7 Cement slurry performance of ?273.1 mm casing cementing in Well A of the Shunbei Oil & Gas Field

A井泡沫水泥漿單級固井現(xiàn)場施工順利，注入密度 1.25 kg/L 的隔離液 20 m3、密度 1.45 kg/L 的領(lǐng)漿基漿150 m3（充氣至密度為1.18 kg/L的泡沫水泥漿 183 m3）、密度 1.85 kg/L 的尾漿 20 m3，替漿到量停泵，返出前置液混漿 50 m3、水泥漿 20 m3。反擠密度 1.85 kg/L 的水泥漿 3.5 m3，關(guān)井憋壓候凝 72 h 后，掃水泥塞測固井質(zhì)量。注入常規(guī)密度水泥漿井段優(yōu)良率71.3%，注入密度1.18 kg/L泡沫水泥漿井段優(yōu)良率83.1%，整體固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

5 結(jié)論與建議

1）順北油氣田二疊系低壓易漏層固井時(shí)必須考慮前置液和水泥漿的防漏堵漏性能，特別是對于裂縫性漏失地層，堵漏隔離液和低密度水泥漿組合使用更有利于防止固井漏失。

2）泡沫水泥漿作為一種高儲能可膨脹壓縮流體，比常規(guī)低密度水泥漿更適合防漏固井，再與漿柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合，更有利于確保順北油氣田二疊系固井水泥漿返至設(shè)計(jì)位置。

3）機(jī)械充氮泡沫固井需用特制撬裝泡沫固井系統(tǒng)、液氮車、液氮泵車等專業(yè)設(shè)備配合作業(yè)，需做好施工銜接配合工作，以確保施工的連續(xù)性。