肖京男，劉建，桑來(lái)玉，周仕明

（中國(guó)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(yè)9井的應(yīng)用

肖京男，劉建，桑來(lái)玉，周仕明

（中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

針對(duì)涪陵區(qū)塊外圍探井固井過(guò)程中普遍面臨的水泥失返、固井膠結(jié)差等問(wèn)題，對(duì)焦頁(yè)9側(cè)鉆井φ244.50 mm技術(shù)套管固井難點(diǎn)進(jìn)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(jí)水泥漿中直接產(chǎn)生泡沫，通過(guò)合理設(shè)計(jì)注氣量，形成了充氣泡沫水泥漿固井工藝技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)在焦頁(yè)9側(cè)鉆井固井中得以應(yīng)用，一次性注水泥漿成功實(shí)現(xiàn)全井封固，泡沫水泥漿裸眼封固段長(zhǎng)達(dá)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(shí)踐結(jié)果表明，充氣泡沫水泥近平衡固井技術(shù)，對(duì)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(yè)巖氣；泡沫固井；近平衡固井；泡沫發(fā)生器

涪陵頁(yè)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(yè)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(bǔ)救作業(yè)，耗費(fèi)時(shí)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(diǎn)在北美頁(yè)巖氣固井中有廣泛的應(yīng)用［3-8］。但由于設(shè)備技術(shù)相對(duì)復(fù)雜［9］，國(guó)內(nèi)泡沫水泥主要以化學(xué)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(jìn)行過(guò)試驗(yàn)［12］，在國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣井長(zhǎng)封固段井中的應(yīng)用，該項(xiàng)技術(shù)仍然處于空白。因此，結(jié)合涪陵頁(yè)巖氣井漏失問(wèn)題，研究充氣泡沫水泥漿近平衡固井工藝技術(shù)，對(duì)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(yè)9側(cè)鉆井固井難點(diǎn)分析

焦頁(yè)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(yè)巖氣層段為目的層。設(shè)計(jì)井深3 678.5m，側(cè)鉆井最大井斜50°（見(jiàn)圖1）。

該井固井難題主要包括以下3個(gè)方面：

1）鉆進(jìn)過(guò)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(diǎn)。

2）錄井?dāng)?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(guò)程中確保壓穩(wěn)是本次固井的又一難點(diǎn)。

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(yán)重，窄邊鉆井液很難被隔離液和水泥漿頂替出來(lái)。

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(shè)計(jì)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(jìn)行封固。

圖1 焦頁(yè)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(jí)常規(guī)水泥漿、發(fā)泡穩(wěn)泡劑和氮?dú)饣蚩諝饨M成（見(jiàn)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(gè)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(píng)價(jià)方法》，對(duì)泡沫水泥漿性能測(cè)試。測(cè)得密度1.50 g/cm3泡沫水泥漿在80℃下失水量42 mL，稠化時(shí)間240 min。30℃下養(yǎng)護(hù)72 h后測(cè)試抗壓強(qiáng)度為11.5 MPa，三軸應(yīng)力測(cè)試測(cè)得彈性模量4.15 GPa，泊松比0.202，表明具有較好的抗壓強(qiáng)度和彈塑性；氣測(cè)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(shè)備主要由泡沫發(fā)生器、發(fā)泡穩(wěn)泡劑泵送設(shè)備、氮?dú)夤藜皦毫刂葡到y(tǒng)、流量等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及高壓管匯組成（見(jiàn)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?dú)庠谂菽l(fā)生器中產(chǎn)生泡沫水泥漿后進(jìn)入水泥頭。在泡沫發(fā)生器中水泥漿、氮?dú)?、發(fā)泡穩(wěn)泡劑三者比例是控制泡沫水泥漿密度的關(guān)鍵，通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，根據(jù)入口采集到的水泥漿流量，按照設(shè)計(jì)比例，調(diào)整發(fā)泡穩(wěn)泡劑、高壓氮?dú)獾牧髁?，從而?shí)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(qiáng)，井下會(huì)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(dá)到合適的泡沫水泥密度，注氣時(shí)常采取恒注氣量或分段注氣量2種方式。以恒注氣量設(shè)計(jì)為例，采用井筒微元段化處理方式，自井口向下計(jì)算微元段泡沫體積分?jǐn)?shù)、微元段靜液注壓力等，從而確定地面注氣量（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）大?。ㄒ?jiàn)圖4）。

理論計(jì)算一定壓力、溫度下泡沫水泥漿密度：

式中：Vg為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氮?dú)怏w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?dú)鈮嚎s因子；pst為標(biāo)準(zhǔn)狀況下壓力，MPa；Tst為標(biāo)準(zhǔn)狀況壓力下的溫度，K；ρ（N2）為一定壓力和密度下的氮?dú)饷芏?，g/cm3。

圖4 泡沫水泥固井優(yōu)化設(shè)計(jì)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(zhǔn)備工作準(zhǔn)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(guò)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(lǐng)漿55m3，倒換閥門(mén)后進(jìn)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(guò)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(guò)程正常，完成碰壓后關(guān)環(huán)空候凝。本次固井共泵泡沫水泥基漿29.75m3，經(jīng)計(jì)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(píng)價(jià)見(jiàn)表1。可以看出：1.55 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(yán)重漏失，情況復(fù)雜，封固后測(cè)井聲幅值在10%以下，膠結(jié)質(zhì)量相對(duì)同等密度的漂珠水泥漿體系要好；膠乳水泥漿測(cè)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(píng)價(jià)

全井聲幅值小于20%（見(jiàn)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(yè)巖氣井易漏井、長(zhǎng)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(wèn)題。

圖5 焦頁(yè)9井泡沫水泥固井測(cè)井曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)合理設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)泡沫水泥近平衡固井，有效防止固井過(guò)程中水泥失返漏失?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，相對(duì)于漂珠低密度水泥體系，泡沫水泥體系在提高長(zhǎng)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(shì)。

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（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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“酸性氣體對(duì)固井水泥石的腐蝕機(jī)理及控制機(jī)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(guó)石油大學(xué)（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(lái)玉，等.充氣泡沫水泥漿固井技術(shù)在焦頁(yè)9井的應(yīng)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.