充氣泡沫水泥漿固井技術(shù)在焦頁9井的應用

肖京男，劉建，桑來玉，周仕明

（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

充氣泡沫水泥漿固井技術(shù)在焦頁9井的應用

肖京男，劉建，桑來玉，周仕明

（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

針對涪陵區(qū)塊外圍探井固井過程中普遍面臨的水泥失返、固井膠結(jié)差等問題，對焦頁9側(cè)鉆井φ244.50 mm技術(shù)套管固井難點進行了分析。采用低密度泡沫水泥漿體系，利用高壓氣體混合發(fā)泡方法，在摻有發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑的嘉華G級水泥漿中直接產(chǎn)生泡沫，通過合理設計注氣量，形成了充氣泡沫水泥漿固井工藝技術(shù)。該項技術(shù)在焦頁9側(cè)鉆井固井中得以應用，一次性注水泥漿成功實現(xiàn)全井封固，泡沫水泥漿裸眼封固段長達1 200m，井下平均密度1.55 g/cm3，固井膠結(jié)質(zhì)量明顯優(yōu)于漂珠水泥體系。實踐結(jié)果表明，充氣泡沫水泥近平衡固井技術(shù)，對解決固井惡性漏失、防止淺層氣竄和提高固井頂替效率等具有好的效果。

頁巖氣；泡沫固井；近平衡固井；泡沫發(fā)生器

涪陵頁巖氣田處于典型的喀斯特地貌區(qū)，地層承壓能力低，固井中極易發(fā)生井漏，固井防漏一直是制約氣田發(fā)展的技術(shù)瓶頸［1-2］。如焦頁5-8井，技術(shù)套管固井中水泥難以一次性返至井口，需要環(huán)空擠水泥補救作業(yè)，耗費時間且固井質(zhì)量難以保證，影響氣田的產(chǎn)量和壽命。泡沫水泥漿體系以其防漏、防氣竄和水泥石高彈性等特點在北美頁巖氣固井中有廣泛的應用［3-8］。但由于設備技術(shù)相對復雜［9］，國內(nèi)泡沫水泥主要以化學發(fā)泡為主［10-11］，采用充氣方式產(chǎn)生的泡沫水泥漿固井工藝技術(shù)僅在新疆1口井進行過試驗［12］，在國內(nèi)頁巖氣井長封固段井中的應用，該項技術(shù)仍然處于空白。因此，結(jié)合涪陵頁巖氣井漏失問題，研究充氣泡沫水泥漿近平衡固井工藝技術(shù)，對替代漂珠低密度水泥體系、防止漏失失返和提高固井質(zhì)量具有重要意義。

1 焦頁9側(cè)鉆井固井難點分析

焦頁9探井位于川東南構(gòu)造區(qū)川東高陡褶皺帶包鸞-焦石壩背斜帶中的焦石壩似箱狀斷背斜西北翼，該井以上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組下部頁巖氣層段為目的層。設計井深3 678.5m，側(cè)鉆井最大井斜50°（見圖1）。

該井固井難題主要包括以下3個方面：

1）鉆進過程中從茅口組至韓家店組 （2 053～2 727m）發(fā)生多次地層裂縫性漏失，防止下套管和固井施工中發(fā)生井漏是本次固井的主要難點。

2）錄井數(shù)據(jù)顯示，淺層氣較活躍（主要淺層氣層位于韓家店組2 727m），在固井施工過程中確保壓穩(wěn)是本次固井的又一難點。

3）套管居中困難，在拉力和自重作用下，大斜度井段套管與上下井壁大面積接觸，套管偏心嚴重，窄邊鉆井液很難被隔離液和水泥漿頂替出來。

為防止固井漏失，該井采取低密度泡沫水泥漿近平衡固井工藝，環(huán)空漿柱結(jié)構(gòu)自上而下設計為漂珠水泥漿、泡沫水泥漿和膠乳水泥漿體系，在韓家店組漏失層位利用泡沫水泥漿進行封固。

圖1 焦頁9側(cè)鉆井身結(jié)構(gòu)示意

2 充氣泡沫水泥漿近平衡固井技術(shù)

泡沫水泥漿主要由G級常規(guī)水泥漿、發(fā)泡穩(wěn)泡劑和氮氣或空氣組成（見圖2）。

首先，制備好一定體積的常規(guī)水泥漿體系（密度1.88 g/cm3），加入2%發(fā)泡穩(wěn)泡劑，輕輕攪拌一并倒入密封攪拌漿杯，在大于1 000 r/min轉(zhuǎn)速下快速攪拌2～3 min，直至泡沫水泥漿充滿整個漿杯。則泡沫水泥漿密度為

式中：ρf為泡沫水泥漿密度，g/cm3；ρs為未發(fā)泡前水泥漿密度，g/cm3；Vs為未發(fā)泡前水泥漿體積，mL；VL為漿杯體積，mL。

參照ISO 10426-4《常壓下泡沫水泥評價方法》，對泡沫水泥漿性能測試。測得密度1.50 g/cm3泡沫水泥漿在80℃下失水量42 mL，稠化時間240 min。30℃下養(yǎng)護72 h后測試抗壓強度為11.5 MPa，三軸應力測試測得彈性模量4.15 GPa，泊松比0.202，表明具有較好的抗壓強度和彈塑性；氣測滲透率小于0.01×10-3μm2，可滿足氣井封固要求。

圖2 低密度泡沫水泥石

泡沫水泥漿固井所需設備主要由泡沫發(fā)生器、發(fā)泡穩(wěn)泡劑泵送設備、氮氣罐及壓力控制系統(tǒng)、流量等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)及高壓管匯組成（見圖3）。水泥漿與發(fā)泡穩(wěn)泡劑在三通管道中混合，與高壓氮氣在泡沫發(fā)生器中產(chǎn)生泡沫水泥漿后進入水泥頭。在泡沫發(fā)生器中水泥漿、氮氣、發(fā)泡穩(wěn)泡劑三者比例是控制泡沫水泥漿密度的關鍵，通過遠程控制系統(tǒng)，根據(jù)入口采集到的水泥漿流量，按照設計比例，調(diào)整發(fā)泡穩(wěn)泡劑、高壓氮氣的流量，從而實現(xiàn)泡沫水泥漿密度的調(diào)整。

圖3 充氣泡沫水泥地面工藝流程

與常規(guī)注水泥施工不同，泡沫水泥漿密度由于可壓縮性強，井下會隨壓力、溫度與注氣量不同而發(fā)生變化。在水泥漿密度和排量確定的條件下，僅控制地面注氣比例即可達到合適的泡沫水泥密度，注氣時常采取恒注氣量或分段注氣量2種方式。以恒注氣量設計為例，采用井筒微元段化處理方式，自井口向下計算微元段泡沫體積分數(shù)、微元段靜液注壓力等，從而確定地面注氣量（標準狀況下）大小（見圖4）。

理論計算一定壓力、溫度下泡沫水泥漿密度：

式中：Vg為標準狀況下的氮氣體積，m3；Vs為未發(fā)泡前水泥漿體積，m3；p為井下壓力，MPa；T為井下溫度，K；Z為氮氣壓縮因子；pst為標準狀況下壓力，MPa；Tst為標準狀況壓力下的溫度，K；ρ（N2）為一定壓力和密度下的氮氣密度，g/cm3。

圖4 泡沫水泥固井優(yōu)化設計

3 現(xiàn)場應用情況與固井效果

2015年8月30日，液氮泵車、水泥泵車與泡沫固井撬組織到井，前期準備工作準備完畢。下套管前鉆井液密度1.54 g/cm3，黏切較高，下完套管后循環(huán)過程中發(fā)生井漏失返。固井先后注入1.20 g/cm3隔離液12m3，注入1.53 g/cm3水泥領漿55m3，倒換閥門后進行泡沫水泥固井施工作業(yè)。地面施工正常，泡沫水泥基漿密度1.88 g/cm3，排量0.590～0.610m3/min，注發(fā)泡、穩(wěn)泡液平均排量0.012m3/min。注入基漿過程中，泵車壓力7.0～8.0 MPa，泡沫發(fā)生器中壓力前端壓力5.0 MPa，出口壓力3.5～4.0 MPa。液氮注入排量較穩(wěn)定，平均注氣壓力10 MPa，平均注氣排量22.000m3/min。替漿過程正常，完成碰壓后關環(huán)空候凝。本次固井共泵泡沫水泥基漿29.75m3，經(jīng)計算，泡沫水泥漿封固段為1 800～3 000m，井下泡沫水泥漿平均密度1.55 g/cm3。

井下封固段固井效果評價見表1?？梢钥闯觯?.55 g/cm3低密度漂珠水泥漿封固段在0～1 800m，膠結(jié)質(zhì)量較差；1.55 g/cm3泡沫水泥漿封固段在1 800～3 000m，此段是含氣層，嚴重漏失，情況復雜，封固后測井聲幅值在10%以下，膠結(jié)質(zhì)量相對同等密度的漂珠水泥漿體系要好；膠乳水泥漿測井聲幅值在10%以下，在低注入排量下，泡沫水泥漿依然具備較好的頂替效果。

表1 井下封固段固井效果評價

全井聲幅值小于20%（見圖5），固井質(zhì)量整體表現(xiàn)為優(yōu)質(zhì)。這表明，采用低密度泡沫水泥漿固井技術(shù)，可提高頁巖氣井易漏井、長封固段井的固井質(zhì)量，提高固井頂替效率，解決水泥失返漏失、淺層氣竄的問題。

圖5 焦頁9井泡沫水泥固井測井曲線

4 結(jié)束語

通過合理設計注氣量，采用地面恒注氣量泡沫水泥固井方式，可以保證泡沫水泥漿密度與鉆井液密度相接近，實現(xiàn)泡沫水泥近平衡固井，有效防止固井過程中水泥失返漏失?，F(xiàn)場應用證明，相對于漂珠低密度水泥體系，泡沫水泥體系在提高長裸眼段封固質(zhì)量、防止淺層氣竄和提高固井頂替效率等方面具有優(yōu)勢。

［1］牛新明.涪陵頁巖氣田鉆井技術(shù)難點及對策［J］.石油鉆探技術(shù)，2014，42（4）：1-6.

［2］艾軍，張金成，臧艷彬，等.涪陵頁巖氣田鉆井關鍵技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2014，42（5）：9-15.

［3］朱禮平.液氮泡沫水泥固井工藝及施工技術(shù)研究［D］.成都：西南石油大學，2007.

［4］胡偉.泡沫水泥漿體系研究與應用［D］.大慶：東北石油大學，2012.

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

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

［7］GUILLOT D J，BASTARD E L.Learnings from foamed cement job simulations［R］.SPE 23666，2012.

［8］GREEN K，JOHNSON P G，HOBBERSTAD R.Foam cementing on the eldfisk field：a case study［R］.SPE 79912，2003.

［9］DOOPLY M，ELHANCHA A，BRUIJN G D，et al.Application of realtime process control and engineering software simulation in foam cementing［R］.SPE 168033，2014.

［10］屈建省，宋有勝，杜慧春.新型泡沫水泥的研究與應用［J］.鉆井液與完井液，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.

［12］許樹謙.充氣泡沫水泥漿固井技術(shù)研究［D］.成都：西南石油大學，1998.

（編輯 李宗華）

Application of foamed cement slurry to Jiaoye-9 well

XIAO Jingnan,LIU Jian,SANG Laiyu,ZHOU Shiming
(Research Institute of Petroleum Engineering Technology,SINOPEC,Beijing 100101,China)

The cement slurry leaking results in poor cementing quality and not enough cement height in Fuling shale gas.Based on the analysis of intermediate casing cementing difficulties of Jiaoye-9 well,low density foamed cement slurry is applied,which is prepared under high air pressure and comprises of G cement slurry,foaming agent,foam stabilizer and high pressure gas.This technology of near-balanced cementing is formed by optimizing design of gas volume,and has been used in Jiaoye-9 well to ensure the slurry to return to surface;the length of interval isolation and the slurry density are 1200m and 1.55 g/cm3respectively and cementing quality is better than that of float beads slurry system.Practice has proved that near-balanced cementing technology with foamed cement slurry can solve the problem of cement loss and avoid gas channeling to enhance cementing quality.

shale gas;foamed cementing;near-balanced cementing;foam generator

國家自然科學基金項目“酸性氣體對固井水泥石的腐蝕機理及控制機制”（51374218）

TE256+.6

A

10.6056/dkyqt201606031

2016-03-15；改回日期：2016-08-29。

肖京男，男，1987年生，博士，2012年畢業(yè)于中國石油大學（北京）油氣井工程專業(yè)，主要從事泡沫水泥固井工藝技術(shù)研究工作。電話：010-84988260；E-mail：xjn345@126.com。

肖京男，劉建，桑來玉，等.充氣泡沫水泥漿固井技術(shù)在焦頁9井的應用［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.