渝東地區(qū)常壓頁巖氣水平井充氮泡沫水泥漿固井技術

匡立新， 陶 謙

（1.中國石化華東油氣分公司, 江蘇 南京 210019；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 102206）

川渝地區(qū)常壓頁巖氣分布廣泛，資源潛力巨大。其中，渝東南盆緣轉化帶的資源量達 2.8×1012m3，儲層壓力系數(shù)0.9～1.3，屬于高壓與常壓過渡帶，以常壓頁巖氣為主，目前該地區(qū)南川一期頁巖氣田已建成6.5×108m3產(chǎn)能[1-2]。由于該地區(qū)的改造作用較強，高角度裂縫及層理裂縫發(fā)育，鉆井和固井過程中頻繁發(fā)生漏失，其中平橋南區(qū)塊平均單井漏失6次以上，漏失井占82%；彭水區(qū)塊平均單井漏失8次以上，漏失井占100%[3-5]。而且，該地區(qū)頁巖氣井均采用“水平井+分段壓裂”開發(fā)，2018年產(chǎn)能建設初期B環(huán)空帶壓比例達到48%，嚴重影響了頁巖氣井安全生產(chǎn)[6-7]。目前，國內(nèi)外針對漏失井主要采用加入粉煤灰、高抗擠空心漂珠等減輕材料配制的常規(guī)低密度水泥漿進行固井。由于受減輕材料自身密度、性能的限制，常規(guī)低密度水泥漿密度的可調(diào)范圍有限，通常在1.30～1.50 kg/L，對于漏失嚴重、承壓能力低的井，并不能從根本上解決固井過程中的漏失問題，最終影響固井質(zhì)量。因此，需要研究采用更加高效的防漏、長效密封固井技術，保障固井質(zhì)量和密封要求。為此，筆者通過優(yōu)選發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑等關鍵水泥漿添加劑，設計了泡沫低密度水泥漿，結合機械充氮泡沫固井裝置及機械發(fā)泡技術，研究形成了適用于渝東地區(qū)常壓頁巖氣水平井的機械充氮泡沫水泥漿固井技術。渝東地區(qū)常壓頁巖氣水平井應用該技術，解決了常壓頁巖氣水平井固井易發(fā)生漏失的技術難點，達到了長效密封的目的，為該地區(qū)常壓頁巖氣井后期進行大型分段壓裂奠定了良好基礎，保障了該地區(qū)頁巖氣資源的高效開發(fā)。

1 固井技術難點

川渝地區(qū)常壓頁巖氣地層裂縫發(fā)育，地層承壓能力低，從上至下漏失層段主要為三疊系雷口坡組、嘉陵江組，二疊系茅口組，志留系韓家店組、小河壩組和龍馬溪組。渝東地區(qū)常壓頁巖氣水平井的目的層主要為龍馬溪組，而龍馬溪組漏失次數(shù)占48.48%[8]。由于地層裂縫發(fā)育，地層壓力和漏失特征差異大，該地區(qū)通常采用三開井身結構[9-11]：一開，采用φ406.4 mm 鉆頭鉆進，下入φ339.7 mm 套管，封固三疊系飛仙關組以上地層，采用正注反擠工藝固井；二開，采用φ311.1 mm鉆頭鉆進，下入φ244.5 mm套管，封固龍馬溪組以上地層，采用正注反擠壓工藝固井；三開，采用φ215.9 mm鉆頭鉆進，下入φ139.7 mm套管，對目的層龍馬溪組進行專打?qū)７猓蕉伍L 1 500.00～2 800.00 m。

由于該地區(qū)屬于背斜構造，且頁巖脆性高、層理發(fā)育，頁巖氣主要儲集空間為有機孔和微裂縫（見圖1），原始地層壓力條件下微裂縫未開啟，鉆進中由于井筒壓力超過微裂縫開啟壓力，微裂縫開啟導致漏失，安全密度窗口僅0.02～0.06 kg/L[12-13]。2018年前，漏失井固井前均需進行3～6次承壓堵漏作業(yè)，但堵漏作業(yè)后井口靜態(tài)承壓能力僅1.5～2.5 MPa，難以滿足固井防漏要求[14]。

圖1 平橋南區(qū)塊龍馬溪組頁巖微觀裂縫Fig.1 Shale microfractures in Longmaxi Formation of Pingqiaonan Block

同時，常壓頁巖氣井需要進行分段壓裂投產(chǎn)，該地區(qū)早期投產(chǎn)的井約有48%出現(xiàn)了B環(huán)空帶壓現(xiàn)象。因此，該地區(qū)常壓頁巖氣水平井固井技術難點表現(xiàn)為[15-16]：1）地層裂縫發(fā)育，易漏失，地層壓力與地層漏失壓力窗口窄，導致固井過程中易發(fā)生漏失；2）分段壓裂后水泥環(huán)本體及界面密封能力降低，導致井口帶壓影響生產(chǎn)安全。

針對該地區(qū)地質(zhì)特征及工程技術難點，擬采用機械充氮泡沫固井技術實現(xiàn)防漏防竄的目的，主要技術對策為：1）采用分段充氮低密度泡沫水泥漿柱，實現(xiàn)全過程平衡壓力固井；2）采用低密度泡沫水泥漿，降低水泥石彈性模量，提高界面膠結強度和壓裂后水泥環(huán)的長效密封能力。

2 低密度泡沫水泥漿優(yōu)化與評價

2.1 低密度泡沫水泥漿優(yōu)化

為了有良好的膠結質(zhì)量并達到長效密封的目的，低密度泡沫水泥漿需具有良好的穩(wěn)定性，防止微泡沫滑脫，同時需要保障微泡沫均勻分布。因此，需要優(yōu)選高效的發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑，使水泥漿中氮氣泡沫能夠均勻分散，且能維持原位穩(wěn)定。筆者在評價蛋白質(zhì)發(fā)泡劑、高分子發(fā)泡劑、高分子穩(wěn)泡劑和高溫穩(wěn)定泡劑性能的基礎上，選用了高分子發(fā)泡劑、高溫穩(wěn)泡劑，并優(yōu)化了其加量，結果見表1。從表1可以看出，2.0%高分子發(fā)泡劑+0.6%溫穩(wěn)泡劑形成的泡沫在溫度110 ℃下的半衰期達到33.8 h，靜切力達到13 Pa，能夠保證泡沫水泥漿在流態(tài)、塑性態(tài)及固態(tài)全生命周期的穩(wěn)定性[17]。

表1 發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑加量優(yōu)化Table 1 Dosage optimization of foaming agents and foam stabilizers

針對不同的封固井段和地層溫度分布，設計了作為領漿的基礎配方1和作為尾漿的基礎配方2。基礎配方 1 為 700.0 g G 級水泥+14.0 g 蛋白質(zhì)發(fā)泡劑+4.2 g 高溫穩(wěn)泡劑+21.0 g 耐高溫降濾失劑+1.4 g緩凝劑+340.0 g 現(xiàn)場水，密度 1.85 kg/L；基礎配方2 為 800.0 g G 級水泥+16.0 g 高分子發(fā)泡劑+4.8 g 高溫穩(wěn)泡劑+32.0 g彈性材料+24.0 g耐高溫降濾失劑+8.0 g 硅質(zhì)防氣竄劑+2.4 g 分散劑+1.6 g 緩凝劑+340.0 g 現(xiàn)場水，密度 1.88 kg/L。

基礎配方1水泥漿，主要作為直井段泡沫低密度水泥漿基礎漿，降低密度達到防漏的目的；基礎配方2水泥漿，主要作為斜井段泡沫低密度水泥漿基礎漿和水平段尾漿，實現(xiàn)防漏和提高水泥環(huán)密封能力的目的?；A配方1水泥漿和基礎配方2泡沫水泥漿在溫度 110 ℃ 和壓力 20 MPa 條件下養(yǎng)護 72 h，均能形成泡沫均勻分散的泡沫水泥石（見圖2）。

圖2 泡沫水泥石的微觀結構Fig.2 Microstructure of foamed cement pastes

2.2 性能評價

2.2.1 流變性能

泡沫水泥漿中的氣泡微小、均勻穩(wěn)定分散，對水泥漿流變性能影響較小，因此，常壓條件下測得的流變特性參數(shù)對固井施工具有一定的參考意義。筆者在室內(nèi)利用范式旋轉黏度計，測定基礎配方1和基礎配方1泡沫水泥漿的流變參數(shù)[18-19]，結果見表2。

由表2可知：2種配方泡沫水泥漿為假塑性流體，與常規(guī)水泥漿的流變性能保持一致；2種配方泡沫水泥漿的黏度合適，可以防止出現(xiàn)氣泡滑脫現(xiàn)象，保持氣泡在水泥漿中分散的穩(wěn)定性。因此，2種配方泡沫水泥漿均滿足現(xiàn)場固井施工需求。

表2 泡沫水泥漿的流變參數(shù)Table 2 Rheological properties of foamed cement slurry

2.2.2 水泥石滲透率

向2種配方泡沫水泥漿中充入氮氣，配制成密度為1.37和1.85 kg/L的泡沫水泥漿，固化形成水泥石，在 27.5 ℃ 和 20 MPa 水浴條件下養(yǎng)護 72 h，測得基礎配方1和基礎配方2水泥漿形成水泥石的滲透率分別為 0.002 5 和小于 0.001 0 mD。由此可知，隨著泡沫水泥漿密度升高，泡沫水泥石的滲透率降低，接近非滲透性[20-21]。因此，泡沫水泥石在井下高溫環(huán)境中屬于低滲透性水泥石，能夠有效預防固井水泥環(huán)本體滲透造成的氣竄問題。

2.2.3 水泥石力學性能

向基礎配方1泡沫水泥漿中充入氮氣，配制成密度為1.37 kg/L的泡沫水泥漿，固化形成水泥石，在 27.5 ℃ 和 20 MPa 水浴條件下養(yǎng)護 72 h 后，進行單軸力學試驗，結果見圖3。由圖3可知，泡沫水泥石的單軸抗壓強度為14.6 MPa，割線彈性模量為4.6 GPa，泊松比為0.21。為了進一步測試泡沫水泥石在循環(huán)載荷下的力學性能，在圍壓10 MPa、軸向壓力35 MPa條件下，測得30個循環(huán)加-卸載條件下泡沫水泥石的殘余應變?yōu)?.21%（見圖4），相比常規(guī)水泥石降低50%以上，能夠有效提高分段壓裂及后期生產(chǎn)過程中水泥環(huán)的長效密封能力[6]。

圖3 連續(xù)加載條件下不同水泥石的彈性模量Fig.3 Elastic modulus of different cement pastes under continuous loading

圖4 循環(huán)載荷下泡沫水泥石的應力–應變曲線Fig.4 Stress-strain curve of foamed cement paste under cyclic loading

3 機械充氮泡沫水泥漿固井工藝

機械充氮泡沫低密度水泥漿固井技術在國外已經(jīng)廣泛應用，尤其在易漏易竄井、分段壓裂井的固井中取得良好應用效果[22]，其技術優(yōu)點為：1）密度調(diào)整范圍大，在0.80～1.60 kg/L內(nèi)任意調(diào)節(jié)，實現(xiàn)控制靜液柱壓力防止固井漏失；2）泡沫水泥石彈性模量低至2.1 GPa，具有良好的彈性變形能力和微膨脹特性，能夠提高水泥環(huán)的長效密封能力。

3.1 機械充氮泡沫水泥漿固井關鍵參數(shù)設計

3.1.1 水泥漿漿柱結構設計

結合渝東地區(qū)同類型井的井身結構，生產(chǎn)套管固井水泥漿分為領漿和尾漿（見表3），其中2號和3號為領漿，4號、5號和6號為尾漿。鉆井液的主要作用是保持井口壓力，防止因井口壓力過低導致泡沫水泥漿過度膨脹；2號和3號低密度泡沫水泥漿的主要作用是降低井筒液柱壓力，防止固井過程中發(fā)生漏失；4號彈韌性水泥漿的主要作用是進一步提高套管鞋處的密封能力和固井質(zhì)量；5號泡沫水泥漿的主要作用是控制造斜井段漏失，提高造斜井段水泥環(huán)的長效密封能力；6號彈韌性水泥漿的主要作用是提高射孔、壓裂過程中水泥環(huán)的密封能力，保障分段壓裂效果。

表3 渝東地區(qū)常壓頁巖氣水平井固井防漏防竄漿柱結構設計Table 3 Slurry column structure design for leakage and channeling prevention of cementing in horizontal shale gas wells under ordinary pressure in the eastern Chongqing area

3.1.2 注氮氣量設計及井筒壓力控制

通過調(diào)整標況下水泥漿與氮氣的注入排量，調(diào)節(jié)水泥漿密度。由于氮氣泡沫具有可壓縮性，采用分井段注氣量設計方法，依據(jù)不同井深處的溫度和壓力，設計不同井段泡沫水泥漿和氮氣的用量。井筒壓力條件下泡沫水泥漿密度的計算公式為[23]：

式中：ρf為泡沫水泥漿井下條件的密度，kg/L；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；ρs為水泥漿發(fā)泡前的密度，kg/L；T為井下溫度，K；Z為氮氣壓縮因子；pst為標準狀況下的壓力，MPa；Tst為標準狀況下的溫度，K；ρN2為一定壓力和密度下的氮氣密度，kg/L。

3.2 機械充氮泡沫固井作業(yè)流程

為了實現(xiàn)防漏和水泥環(huán)長效密封，設計了機械充氮泡沫水泥漿固井作業(yè)流程：1）由水泥泵車混配未發(fā)泡的基礎水泥漿，通過高壓管線注入機械發(fā)泡水泥漿固井裝置；2）液氮蒸發(fā)模塊/裝置實現(xiàn)液氮氣化，并輸送到機械發(fā)泡水泥漿固井裝置；3）在線注入發(fā)泡劑等，并與水泥漿在泡沫發(fā)生器前端預混合；4）水泥漿、氮氣在機械發(fā)泡水泥漿固井裝置的泡沫發(fā)生器模塊中混合，形成均勻分散的泡沫水泥漿，并通過高壓管線輸送至井口，進行固井作業(yè)，如圖5所示。

圖5 機械充氮泡沫水泥漿固井設備連接示意Fig.5 Equipment connection for cementing of mechanical nitrogen-filled foamed cement slurry

4 現(xiàn)場應用

2018年以來，渝東地區(qū)20口易漏窄密度窗口常規(guī)頁巖氣水平井應用了機械充氮氣泡沫固井技術，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率100%，且壓裂后均無環(huán)空帶壓現(xiàn)象。固井質(zhì)量優(yōu)良率較2018年16口同類井提高31.25%，B環(huán)空帶壓比例由48%降至0。下面以焦頁207-1HF井為例，介紹機械充氮泡沫固井技術的應用情況。

焦頁 207-1HF 井完鉆井深 5 966.00 m，垂深3 616.70 m，最大井斜角 83.9°，水平段長 1 130.00 m。該井采用三開井身結構，φ244.5 mm技術套管下至井深 3 203.80 m；φ139.7 mm 生產(chǎn)套管井段井眼直徑215.9 mm，φ139.7 mm 生產(chǎn)套管下至井深 5 963.00 m。地層壓力系數(shù)為1.35，易漏點井深3 210.00 m處的承壓能力為1.37 kg/L。采用上述方法設計機械充氮泡沫水泥漿注氣參數(shù)，結果見表4。結合上述水泥漿柱計算方法，模擬計算注水泥及替漿過程中井筒內(nèi)的動態(tài)壓力、當量密度分布、泡沫水泥漿靜態(tài)密度和井底動態(tài)壓力，結果見圖6。從圖6可以看出，易漏點井深3 210.00 m處注替過程中的動態(tài)壓力當量密度為1.35～1.38 kg/L，而此處的承壓能力為1.37 kg/L，說明采用機械充氮泡沫水泥漿固井技術可以防止薄弱地層漏失和氣竄發(fā)生。

圖6 注替過程中的動態(tài)壓力監(jiān)測結果Fig.6 Dynamic pressure monitoring results during injection and displacement

表4 焦頁207-1HF井機械充氮泡沫水泥漿注氣參數(shù)設計Table 4 Parameter design of gas injection for mechanical nitrogen-filled foam cement slurry in Well Jiaoye 207-1HF

焦頁207-1HF井技術套管鞋附近存在易漏點，承壓能力僅1.37 kg/L。通過分段精細設計泡沫水泥漿密度，優(yōu)化現(xiàn)場施工注替排量，成功實現(xiàn)全過程平衡壓力固井，整個固井過程中未發(fā)生漏失。注水泥結束候凝72 h，采用聲幅測井評價測固井質(zhì)量，采用機械充氮泡沫水泥漿固井井段的固井質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)（見圖7）；水泥漿成功返至井深701.00 m，與固井施工設計返至井深700.00 m吻合，證實注水泥過程中及候凝階段未發(fā)生漏失。該井分21段壓裂后投產(chǎn)，投產(chǎn)至今未出現(xiàn)井口環(huán)空帶壓現(xiàn)象，說明采用機械充氮泡沫水泥漿固井技術可以解決常壓頁巖氣水平井固井漏失和壓裂后生產(chǎn)時環(huán)空帶壓的問題。

圖7 焦頁207-1HF井超低密度泡沫水泥漿封固井段的固井質(zhì)量Fig.7 Cementing quality of the cementing section in Well Jiaoye 207-1HF with ultra-low density foamed cement slurry

5 結 論

1）泡沫水泥漿平衡壓力固井技術能夠?qū)崿F(xiàn)窄密度窗口水平井固井防漏和水泥環(huán)長效密封的目的，形成的泡沫低密度水泥漿及機械充氮泡沫水泥漿固井工藝對后續(xù)同類井固井具有重要的參考價值。

2）通過優(yōu)選高分子發(fā)泡劑、耐高溫穩(wěn)泡劑，實現(xiàn)了泡沫在水泥漿中的均勻分散，提高了泡沫水泥石在全生命周期的穩(wěn)定性。

3）泡沫水泥石彈性模量低，循環(huán)載荷下殘余應變低，具有良好的力學性能，能滿足分段壓裂對水泥環(huán)本體及界面密封能力的要求。

4）現(xiàn)場應用表明，機械充氮泡沫水泥漿固井技術可以解決渝東地區(qū)常壓頁巖氣水平井生產(chǎn)套管固井易漏及分段壓裂后環(huán)空帶壓的問題。