機械充氮泡沫水泥漿固井技術(shù)在頁巖氣井的應(yīng)用*

匡立新 劉奎 丁士東 初永濤 周仕明 姜政華 肖京男

(1.中國石油化工股份有限公司華東油氣分公司 2. 頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室 3．中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院)

0 引 言

重慶南川頁巖氣田位于四川盆地東南緣的盆緣轉(zhuǎn)換帶，位于喀斯特地貌區(qū)，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地層承壓能力低，固井過程中極易發(fā)生井漏，且頁巖儲層鉆井以油基鉆井液為主，固井過程中鉆井液的頂替存在困難[1-2]。該區(qū)塊淺表層易鉆遇高漏失、大裂縫地層，甚至造成鉆井液失返，區(qū)塊內(nèi)的淺層頁巖氣存在漏涌同存的情況，固井水泥漿密度窗口窄[3]。因此，該區(qū)塊復(fù)雜的地質(zhì)工況對固井水泥漿密度和性能提出了更高的要求，防漏防竄是該區(qū)塊固井需要重點解決的問題。

泡沫水泥漿體系由于其固有的密度低、可膨脹、水泥石高彈性等特點，在解決油氣井復(fù)雜工況固井作業(yè)中發(fā)揮著重要作用[4]。歐洲和北美的頁巖氣固井中泡沫固井技術(shù)應(yīng)用比較成熟，在Eldfisk油田和Chichimene油田的固井作業(yè)中，泡沫水泥漿主要用于提高壓裂井的頂替效率和密封能力[5-6]；A.AHMADY等[7]的研究結(jié)果顯示，泡沫水泥漿具有水化體積不變、水泥環(huán)界面密封能力強等特點；E.J.FIDAN等[8]研究了泡沫水泥漿在控制煤層氣氣竄中的作用。國內(nèi)主要以研究化學(xué)發(fā)泡泡沫水泥漿固井技術(shù)為主[9-11]，機械充氮泡沫水泥漿固井技術(shù)于1987—1989年在新疆火燒山油田應(yīng)用了21口井，泡沫水泥漿固井技術(shù)展現(xiàn)了其在解決易漏失井固井難題中的優(yōu)勢，但由于技術(shù)不夠成熟，仍存在較多的問題[12]。經(jīng)過研究人員的不斷努力，國內(nèi)機械充氮泡沫固井技術(shù)日趨成熟，現(xiàn)場應(yīng)用越來越多，應(yīng)用效果也越來越好[13-15]。中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院是目前國內(nèi)首家且唯一一家掌握該技術(shù)的單位。本文重點介紹泡沫固井技術(shù)理論基礎(chǔ)及其在解決頁巖氣井復(fù)雜問題中的重要作用，以期為解決復(fù)雜工況下油氣井的固井難題提供借鑒和指導(dǎo)。

1 機械泡沫水泥漿固井技術(shù)

泡沫水泥漿體系主要是在常規(guī)水泥漿體系中充入均勻分散的氮氣氣泡，使水泥漿密度降低，且水泥漿中的壓縮氮氣氣泡具有微膨脹性。因此，泡沫水泥漿既能滿足低密度鉆井液的固井作業(yè)，又能夠彌補水泥漿固化過程中的體積收縮，提高固井質(zhì)量和密封性能。

1.1 泡沫水泥漿固井作業(yè)流程

泡沫水泥漿固井技術(shù)的施工流程如圖1所示，其中橇裝泡沫固井系統(tǒng)的實物如圖2所示。

圖1 泡沫水泥漿固井設(shè)備連接示意圖Fig.1 Connection of foam cementing device

圖2 機械發(fā)泡橇裝泡沫固井系統(tǒng)Fig.2 Mechanical foam skid-mounted foam cementing system

泡沫水泥漿固井施工主要流程包括：①固井用配漿水與水泥灰分別通過供水系統(tǒng)與供灰系統(tǒng)進入水泥泵車，配漿水與水泥灰在水泥泵車內(nèi)充分?jǐn)嚢?，混合均勻并達到設(shè)計密度，進而形成泡沫水泥漿基漿，水泥泵車通過高壓管線將泡沫水泥漿基漿輸送至橇裝泡沫固井系統(tǒng)內(nèi)；②液氮槽車將低溫液氮輸送至液氮泵車內(nèi)，液氮泵車對液氮進行加熱并形成常溫高壓的氮氣，然后通過高壓管線將氮氣輸送到橇裝泡沫固井系統(tǒng)內(nèi)；③在橇裝泡沫固井系統(tǒng)內(nèi)，發(fā)泡劑、常溫高壓氮氣和泡沫水泥漿基漿三者通過特殊設(shè)計的混拌結(jié)構(gòu)進行充分混合，之后形成氣泡均勻的泡沫水泥漿；④泡沫水泥漿經(jīng)過高壓管線，經(jīng)井口注入井內(nèi)環(huán)空中，進而實施泡沫水泥漿固井作業(yè)。

1.2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

因氮氣氣泡的可壓縮性，以及溫度和壓力對氣泡體積的影響較大等因素，泡沫水泥漿在井內(nèi)不同井段及不同的固井階段密度會發(fā)生較大的變化。通過控制泡沫水泥漿中氮氣與水泥漿基漿的比例，可以實現(xiàn)對泡沫水泥漿密度的控制。當(dāng)水泥漿基漿密度恒定時，固井作業(yè)有恒定水泥漿基漿排量和恒定泡沫水泥漿排量兩種固井工藝。以恒定水泥漿基漿排量為例，將井眼垂深劃分成多個微元井段，不同井段靜液柱壓力不同，考慮井內(nèi)溫度影響及水泥漿在井內(nèi)流動過程中的溫度變化對氣體體積的影響，建立不同井段水泥漿密度計算方法。

在溫度為T、壓力為p時的泡沫水泥漿密度ρf計算公式為：

(1)

式中：Vg為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)狀況下壓力，MPa；ρs為純水泥漿的密度，g/cm3；Tst為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，K；ρ為一定壓力和溫度下的氮氣密度，g/cm3。

2 泡沫水泥漿固井及效果

2.1 淺層頁巖氣井泡沫固井

頁D1HF井是重慶市南川區(qū)的一口頁巖氣井，完鉆井深2 160 m，最大垂深1 125 m，完鉆鉆井液密度1.45 g/cm3。

2.1.1 技術(shù)與施工難點

(1)鉆進過程中發(fā)生多次漏失、溢流，在1 174和1 746 m存在“漏溢同存”復(fù)雜井況，無法找到鉆井液安全密度當(dāng)量窗口；

(2)地層漏失、出氣、出水等復(fù)雜井況導(dǎo)致鉆井液密度不穩(wěn)定；

(3)套管下到位后循環(huán)鉆井液驗漏，鉆井液漏速為6 m3/h；

(4)氣侵嚴(yán)重，固井完成后易導(dǎo)致水泥環(huán)內(nèi)形成氣體竄流通道，影響后期壓裂施工作業(yè)及采氣作業(yè)。

鑒于上述技術(shù)難點與復(fù)雜井況，設(shè)計采用了雙凝雙密度彈韌性泡沫水泥漿體系進行固井作業(yè)。該體系既能降低固井水泥漿密度，防止固井漏失，又能提高固井質(zhì)量，防止氣侵形成環(huán)空氣體竄流通道。詳細(xì)的水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 頁D1HF井固井防漏防竄水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計Table 1 Structural design of leak-proof and channeling-proof cementing slurry column for Well Ye D1HF

2.1.2 主要實施方案與效果

頁D1HF井固井前循環(huán)鉆井液入口密度1.50 g/cm3，出口密度1.48 g/cm3，說明仍存在氣侵，同時鉆井液漏速6 m3/h，井漏與氣侵同存。

水泥泵車、液氮泵車及橇裝泡沫固井系統(tǒng)在井場連接完成后即開始固井。首先注入15 m3密度為1.45 g/cm3的隔離液后倒換閘門，泡沫水泥漿領(lǐng)漿進入泡沫固井系統(tǒng)。地面施工正常，泡沫固井系統(tǒng)出口泡沫水泥漿領(lǐng)漿密度1.45 g/cm3，排量為1.5 m3/min，共注入泡沫水泥漿領(lǐng)漿29 m3。然后注入密度為1.85 g/cm3泡沫水泥漿尾漿，排量為1.5 m3/min，共注入泡沫水泥漿尾漿25 m3。固井過程中環(huán)空套壓最大0.7 MPa。最后清水替漿，放噴池火焰燃燒。替漿至10 m3時井口返出前置液，防噴池火焰熄滅。替漿水泵注量達到22.4 m3時碰壓，水泥漿正常返出地面，回壓閥密封性能良好，關(guān)閉環(huán)空候凝。

固井質(zhì)量評價結(jié)果如圖3所示。全井固井質(zhì)量良好，產(chǎn)層段固井質(zhì)量優(yōu)秀，后期壓裂及頁巖氣開采過程中沒有出現(xiàn)環(huán)空帶壓，顯示了泡沫水泥漿固井技術(shù)在解決淺層頁巖氣井漏溢同存井固井難題的優(yōu)勢，為淺層頁巖氣開發(fā)提供了技術(shù)保障。

圖3 頁D1HF井超低密度泡沫水泥漿封固井段固井質(zhì)量Fig.3 Cementing quality of cementing section with ultra-low density foam cement slurry in Well Ye D1HF

2.2 漏失井欠密度泡沫固井

頁D2HF井是部署在重慶市南川區(qū)的一口頁巖氣井，完鉆井深5 365 m，最大垂深3 450 m，完鉆鉆井液密度1.29 g/cm3。

2.2.1 技術(shù)與施工難點

(1)本井水泥漿漏失風(fēng)險很高，鉆井過程中在井深3 455、3 730、3 839、4 043、4 204、4 213、4 244、4 404、4 473、4 698、4 771、4 923及5 130 m均發(fā)生鉆井液漏失，鉆井液最大漏速達到42.8 m3/h；

(2)鉆井液密度低，完鉆鉆井液密度1.29 g/cm3，且該密度下鉆井液循環(huán)過程中仍存在漏失，常規(guī)漂珠低密度水泥漿體系無法滿足固井水泥漿密度要求；

(3)固井前鉆井液中含堵漏材料，且井底工況不允許篩除堵漏材料，需在鉆井液中含堵漏材料的情況下進行固井；

(4)由于鉆井液存在漏失情況，固井水泥漿密度需低于1.29 g/cm3，即欠密度固井，對頂替效率提出較大挑戰(zhàn)；

(5)實鉆目的層氣測顯示好，易發(fā)生環(huán)空氣竄形成竄槽，影響固井質(zhì)量。

鑒于上述復(fù)雜情況，頁D2HF井全井采用三凝三密度泡沫水泥漿進行固井作業(yè)，水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計如表2所示。

表2 頁D2HF井固井防漏低密度固井水泥漿漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計Table 2 structural design of leak-proof low-density cementing slurry column for Well Ye D2HF

2.2.2 主要施工方案與效果

頁D2HF井固井施工前鉆井液排量1.6 m3/min，泵壓10.92 MPa，鉆井液密度1.30 g/cm3，鉆井液存在漏失，漏速6 m3/h；密度降至1.29 g/cm3，排量1.7 m3/min，泵壓11.92 MPa，無漏失，此時鉆井液中含堵漏材料。

固井前準(zhǔn)備工作完成后，注入密度1.30 g/cm3的先導(dǎo)油基鉆井液35 m3，排量0.8 m3/min。然后注入密度1.27 g/cm3的隔離沖洗液30 m3后，倒換閘門，進行泡沫水泥漿固井作業(yè)。其中，泡沫水泥漿領(lǐng)漿44 m3，密度為1.23 g/cm3；泡沫水泥漿中漿15 m3，密度為1.50 g/cm3；泡沫水泥漿尾漿45 m3，密度為1.80 g/cm3。施工順利無異常，清水替漿過程中前置液返出地面約10 m3，與設(shè)計前置液返出量非常接近，表明回壓閥密封良好，無回流，關(guān)閉井眼環(huán)空后候凝。部分井段固井質(zhì)量聲幅測試結(jié)果如圖4所示。全井固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率95%，水泥環(huán)頂面最高位置為2 125 m，說明水泥漿水化過程中環(huán)空內(nèi)仍存在漏失，但水泥漿液面超過了一開套管鞋位置的3 008 m，全井生產(chǎn)過程中無環(huán)空帶壓，成功實現(xiàn)高漏失井欠密度泡沫固井。

圖4 頁D2HF井泡沫低密度水泥漿封固井段固井質(zhì)量Fig.4 Cementing quality of cementing section with low density foam cement slurry in Well Ye D2HF

2.3 超長水平段復(fù)雜軌跡井泡沫固井

頁D3HF井和頁D4HF井是重慶市南川區(qū)同一鉆井平臺部署的2口頁巖氣井，完鉆井深分別為6 455和6 780 m，最大垂深分別為2 753和2 791 m，完鉆鉆井液密度分別為1.52和1.60 g/cm3。這2口井的水平段長分別為3 583和3 601 m，其井眼軌跡分別如圖5和圖6所示。

圖5 頁D3HF井實鉆與設(shè)計軌跡跟蹤對比圖Fig.5 Comparison between drilled trajectory and design trajectory tracking in Well Ye D3HF

2.3.1 技術(shù)與施工難點

由圖6可知，由于頁巖氣儲層的垂深變化大，井眼軌跡復(fù)雜，井眼存在多個增斜與降斜段，對井眼沖洗和固井頂替效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。其技術(shù)與施工難點還包括：

圖6 頁D4HF井實鉆與設(shè)計軌跡跟蹤對比圖Fig.6 Comparison between drilled trajectory and design trajectory tracking in Well Ye D4HF

(1)頁D3HF井在鉆井過程中發(fā)生2次漏失，漏點分別位于井深6 150和6 337 m處，漏速分別為3.5和4.8 m3/h，加入隨鉆堵漏材料后漏速得到有效控制，產(chǎn)層施工一次性封固段長，固井過程中井底漏失風(fēng)險大；

(2)水平段井壁油膜清洗困難，影響界面膠結(jié)質(zhì)量，對沖洗效率以及水泥漿頂替效率的要求比較高；

(3)水平段井眼軌跡復(fù)雜，斜井段和水平段巖屑不易沖洗干凈，對水泥膠結(jié)質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。

鑒于上述復(fù)雜情況，設(shè)計采用雙凝雙密度泡沫水泥漿固井技術(shù)在頁D3HF井固井。由于在鉆井過程未發(fā)生漏失，設(shè)計采用常規(guī)雙凝雙密度水泥漿固井技術(shù)為頁D4HF井固井。

2.3.2 主要實施方案與效果對比

(1)頁D3HF井。首先注入密度1.50 g/cm3的隔離沖洗液40 m3，然后倒換閘門進行泡沫水泥漿固井作業(yè)。領(lǐng)漿采用泡沫水泥漿，密度為1.50 g/cm3，排量為1.80 m3/min；尾漿采用常規(guī)彈韌性水泥漿體系，密度為1.88 g/cm3，排量為1.80 m3/min，施工順利。領(lǐng)漿與尾漿分界面位于井深2 500 m處，泡沫水泥漿頂面返至井深1 000 m處。

(2)頁D4HF井。首先注入密度1.60 g/cm3的隔離沖洗液40 m3，然后進行常規(guī)水泥漿固井作業(yè)，領(lǐng)漿采用漂珠低密度水泥漿體系，密度為1.60 g/cm3，排量為1.80 m3/min；尾漿采用常規(guī)彈韌性水泥漿體系，密度為1.88 g/cm3，排量為1.80 m3/min，施工順利。領(lǐng)漿與尾漿分界面位于井深2 400 m處，水泥漿頂面返至井深1 000 m處。

從施工情況可以看出，2口井的施工參數(shù)基本相同，區(qū)別在于頁D3HF井領(lǐng)漿采用泡沫水泥漿體系，頁D4HF井領(lǐng)漿采用漂珠低密度水泥漿體系。固井質(zhì)量聲幅測試結(jié)果如圖7和圖8所示。從聲幅結(jié)果可以看出，頁D3HF井全井段固井質(zhì)量優(yōu)秀，而頁D4HF井全井固井質(zhì)量良好。其中，頁D3HF井在復(fù)雜軌跡段固井質(zhì)量優(yōu)秀，頁D4HF井復(fù)雜軌跡段固井質(zhì)量中等。這表明泡沫水泥漿體系在提高超長水平段復(fù)雜軌跡油氣井固井質(zhì)量方面具有極大的優(yōu)勢。

圖7 頁D3HF井泡沫水泥漿封固井段固井質(zhì)量Fig.7 Cementing quality of cementing section with foam cement slurry in Well Ye D3HF

圖8 頁D4HF井常規(guī)彈韌性水泥漿封固井段固井質(zhì)量Fig.8 Cementing quality of cementing section with conventional elastic-ductile cement slurry in Well Ye D4HF

2.4 泡沫固井技術(shù)治理淺表層漏失垮塌

2.4.1 技術(shù)與施工難點

重慶頁巖氣區(qū)塊淺表層破碎帶溶洞、裂縫發(fā)育，鉆井過程中惡性漏失、沉砂、掉塊卡鉆等問題頻發(fā)，雖然采取堵漏、打水泥塞封堵、劃撈、側(cè)鉆、移井位等多項針對性措施，但井下情況依舊表現(xiàn)復(fù)雜，仍存在失返、井下持續(xù)掉塊、卡鉆、漏、垮、塌等問題，導(dǎo)致無法正常鉆進。具體表現(xiàn)如下。

(1)頁D5HF井。一開鉆井過程中出現(xiàn)井口鉆井液失返性漏失，需進行常規(guī)水泥漿堵漏作業(yè)。共計進行3次常規(guī)水泥漿堵漏施工后，鉆井液仍存在失返性漏失。在井口鉆井液失返狀態(tài)下強行鉆進至845 m。然后進行通井作業(yè)，通井工具在井深375 m處遇阻。

(2)頁D6HF井。一開設(shè)計井深716 m，一開鉆進至580 m時鉆井液發(fā)生明顯漏失，漏失速度80 m3/h。繼續(xù)鉆進至611 m處發(fā)生失返性漏失，鉆井液液面高度在井深208 m處。

(3)頁D7HF井。一開設(shè)計井深810 m，一開鉆進至336 m時鉆井液發(fā)生明顯漏失，漏失速度54 m3/h，繼續(xù)鉆進至412 m處發(fā)生失返性漏失，在468 m處憋停頂驅(qū)，大鉤上提載荷2 100 kN解卡成功。

上述3口頁巖氣井在一開鉆進中均采用清水鉆井液鉆進，鉆井液密度1.0 g/cm3。但一開鉆進過程中均出現(xiàn)了鉆井液失返性漏失和嚴(yán)重的井壁垮塌問題。圖9為一開鉆進過程中返出井口的雷口坡組和嘉陵江組的溶洞、裂縫掉塊樣品。井壁垮塌造成了嚴(yán)重的井底卡鉆，嚴(yán)重影響一開鉆井效率，亟需對一開鉆井過程中淺表層漏失及垮塌問題進行治理。

圖9 雷口坡組和嘉陵江組溶洞、裂縫掉塊返出井口樣品Fig.9 Samples of dropped blocks returned from karst caves and fractures in Leikoupo Formation and Jialingjiang Formation

2.4.2 主要實施方案與效果

常規(guī)固井水泥漿密度均大于清水密度，水泥漿返高低于鉆井液液面高度，無法到達垮塌地層；在水泥漿稠化過程中井底將發(fā)生水泥漿漏失，水泥漿無法在井筒內(nèi)長時間停留并形成一定強度的水泥塞，并且由于常規(guī)低密度水泥漿流動性較強，易被漏失層的地層水沖刷，井眼附近水泥漿殘留較少(見圖10)。因此，設(shè)計采用密度小于1.0 g/cm3的低密度泡沫水泥漿進行一開淺表層復(fù)雜情況處理。

圖10 傳統(tǒng)常規(guī)密度水泥塞難以滯留或重力下沉難以封堵Fig.10 Conventional density cement plug is difficult to retain in well or leads to plugging failure due to gravity subsidence

在重慶頁巖氣區(qū)塊的頁D5HF井、頁D6HF井和頁D7HF井3口井中進行泡沫水泥漿固井作業(yè)，具體情況如下。

(1)頁D5HF井。利用0.5 g/cm3泡沫鉆井液與0.7 g/cm3泡沫水泥漿封堵體系封固0～370 m井段，施工順利，候凝48 h后探得塞面深度為274 m，掃塞后繼續(xù)鉆進至845 m，順利下入表層套管固井。

(2)頁D6HF井。利用0.9 g/cm3泡沫水泥漿封堵體系封固0～600 m井段，封堵取得一次性成功，施工結(jié)束后井口壓力穩(wěn)定在1 MPa，憋壓候凝48 h后掃塞，后續(xù)鉆進順利進行。

(3)頁D7HF井。利用0.9 g/cm3泡沫水泥漿封堵體系封固0～450 m井段，封堵取得一次性成功，施工結(jié)束后井口壓力穩(wěn)定在1.5 MPa，憋壓候凝48 h后探得塞面274 m，后續(xù)鉆進順利進行。

泡沫固井技術(shù)在3口淺表層井中的成功應(yīng)用，表明了泡沫水泥漿封堵體系滯留性強，能夠起到封堵溶洞型漏失、防止井壁垮塌的作用，保障了后續(xù)正常鉆進，比傳統(tǒng)水泥塞更具優(yōu)勢，為該技術(shù)后續(xù)推廣奠定了基礎(chǔ)。該技術(shù)能夠一次性解決由于淺表層連續(xù)超過40 d垮塌、掉塊，無法鉆進的重大技術(shù)難題，大幅縮短了鉆井周期，3口井累計節(jié)約鉆井成本1 200萬元以上，經(jīng)濟效益顯著。

3 結(jié) 論

泡沫水泥漿固井技術(shù)通過在常規(guī)水泥漿中充入氮氣，利用控制氮氣注入量實現(xiàn)水泥漿密度實時可調(diào)，且滿足密度遠(yuǎn)低于常規(guī)低密度固井水泥漿體系的性能特點，在解決復(fù)雜工況下頁巖氣井的固井難題中發(fā)揮了極大的作用，具體表現(xiàn)如下。

(1)在淺層頁巖氣漏涌同存井中，利用低密度泡沫水泥漿的自膨脹性能，可有效解決固井水泥漿漏失及氣侵問題。

(2)在超低密度鉆井液漏失井固井中，泡沫水泥漿可實現(xiàn)對油基鉆井液的欠密度固井，防止固井水泥漿漏失，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

(3)在解決淺表層漏失及井壁垮塌問題井中，泡沫水泥漿能夠在以低于清水的密度防止水泥漿漏失的同時，提高水泥漿上返高度并固結(jié)井壁，使淺表層漏失井一開建井周期縮短50%以上，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。