2. 中石化华北石油工程有限公司井下作业分公司, 河南郑州 450042
2. Downhole Workover Branch, Sinopec Huabei Petroleum Engineering Co., Ltd, Zhengzhou, Henan, 450042, China
杭锦旗区块位于鄂尔多斯盆地伊盟北部隆起，天然气探明储量500×108m3。该区块断层局部发育，漏失与垮塌风险高，钻遇破碎带易发生井漏，且多为裂缝性漏失。2016—2017年92口井的固井质量统计结果发现，仅6口井实现了一次性固井水泥返出，水泥失返率高达93.4%。低密度水泥浆受减轻剂成本限制，一般密度为1.30~1.50 kg/L，不能满足杭锦旗区块固井防漏要求[1-2]。泡沫水泥浆是在水泥浆中混入一定比例的气泡形成泡沫，以降低水泥浆的密度[3]，发泡工艺主要有化学发泡和机械充气发泡2种方式[4]。化学发泡工艺较为简单，但发泡量小，水泥浆密度降低幅度有限，且无法实时控制密度；机械充气泡沫工艺发泡量大，水泥浆密度降低幅度大，尤其适用于长封固段、超低密度水泥浆固井[5-8]。国外Halliburton、BJ等公司已经形成了完善配套的泡沫水泥浆体系和机械设备，泡沫水泥浆密度可实时控制，能够满足低压易漏地层固井需求。但机械充气泡沫水泥浆固井技术的研发门槛较高，国内除新疆火烧山油田引进Halliburton公司的液氮混合设备进行了机械发泡现场试验外，目前的研究和应用主要集中在化学发泡泡沫水泥浆技术[9-12]。
笔者针对杭锦旗区块的地层特点和固井技术要求，开展了漂珠-氮气水泥浆研究，设计出了密度为1.15~1.20 kg/L的漂珠-氮气超低密度泡沫水泥浆，并自主研发了机械充氮泡沫设备，现场配套节流加回压装置，形成了低成本超低密度泡沫水泥浆控压防漏固井工艺，在杭锦旗区块5口井进行了现场应用，并获得较好的应用效果。
1 杭锦旗区块固井技术难点1) 杭锦旗区块断层局部发育，钻遇破碎带易发生井漏, 漏失类型多为裂缝性漏失，漏失与垮塌的风险高。自上而下直罗组、石千峰组和下石盒子组地层砂岩较为发育；刘家沟组泥岩易碎裂成碎块状，尤其是近底部约100.00 m的泥岩更易碎裂，且与大套低压砂层相近易发生井漏，具有漏失点多、漏失量大、堵漏难度低和漏失反复等特点。从实钻情况看，刘家沟组地层漏失当量密度严重偏低，部分井甚至低于1.25 kg/L。
2) 环空间隙小，裸眼封固段长，增大了水泥浆漏失的风险。杭锦旗区块表层φ244.5 mm套管下深400.00 m左右，二开采用φ222.2 mm钻头钻进，φ177.8 mm技术套管下深3 200.00 m左右，裸眼段长一般超过2 800.00 m，属于典型的长裸眼小间隙固井，漏失风险较大。
3) 上部延长组、直罗组地层存在漏层，反挤水泥难以完全对接。前期针对杭锦旗区块固井漏失问题采用了低密度水泥浆固井，但受减轻剂成本的限制，常规低密度水泥浆密度一般为1.30~1.35 kg/L，固井过程中不可避免地发生井漏，需结合正注、反挤水泥浆等固井工艺措施进行补救。由于上部地层漏层较多，反挤过程中经常出现300.00~400.00 m空白段，普遍存在固井质量差和水泥环难以实现对接等问题。
特殊减轻剂材料(如3M玻璃微珠等)可以将水泥浆密度降至1.20 kg/L以下，但成本极高。因此，需要研究密度更低并且经济高效的泡沫水泥浆，以解决杭锦旗区块的固井漏失问题。
2 漂珠-氮气超低密度泡沫水泥浆设计 2.1 设计思路选用低密度漂珠水泥浆作为基浆，在其中充入定量氮气，加入发泡剂，使氮气在水泥浆中分散成均匀气泡，并采用稳泡剂保持泡沫的稳定性，最终设计形成不同密度的漂珠-氮气超低密度泡沫水泥浆(以下简称泡沫水泥浆)以满足杭锦旗区块防漏固井需求。
2.2 配制方法首先根据标准《油井水泥试验方法》(GB/T 19139—2012)中的水泥浆制备方法，采用水泥、漂珠、微硅和缓凝剂等配制密度为1.55 kg/L的漂珠低密度水泥浆作为基浆，然后在基浆中加入发泡剂SCF和稳泡剂SCW后，倒入自制的密封搅拌发泡浆杯中，以4 000 r/min的速度搅拌120 s，水泥浆经搅拌发泡后充满浆杯，得到配制好的泡沫水泥浆。
配制出的泡沫水泥浆的密度为：
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(1) |
式中：ρf为泡沫水泥浆密度，kg/L；ρs为基浆水泥浆密度，kg/L；Vs为基浆水泥浆体积，mL；VL为浆杯体积，mL。
2.3 性能评价参照标准《常压下泡沫水泥评价方法》(ISO 10426-4)[13]，测试泡沫水泥浆的滤失量、稠化时间和泡沫水泥石的抗压强度，结果见表 1。从表 1可以看出，泡沫水泥浆稳定性良好，密度分别为1.15和1.20 kg/L泡沫水泥浆形成水泥石常温抗压强度分别为4.2与5.8 MPa，均满足技术套管封固要求。
| 配方 | 密度/(kg·L-1) | API滤失量/mL | 48 h抗压强度/MPa | 沉降稳定性/(kg·L-1) | |
| 常温 | 70 ℃ | ||||
| 1 | 1.55 | 38 | 7.6 | 14.8 | ±0.02 |
| 2 | 1.53 | 32 | 7.2 | 14.2 | ±0.02 |
| 3 | 1.20 | 5.8 | 8.6 | ±0.03 | |
| 4 | 1.15 | 4.2 | 6.9 | ±0.03 | |
| 注：配方1为450.00 g G级水泥+90.00 g漂珠+60.00 g微硅+18.00 g G33s降滤失剂+1.56 g缓凝剂+330.00 g水；配方2为配方1+起泡剂+稳泡剂；配方3为配方2+22.50%氮气；配方4为配方2+25.80%氮气。 | |||||
模拟杭锦旗区块井下条件(温度75 ℃、压力35 MPa)，分别进行漂珠水泥浆和泡沫水泥浆的稠化试验，结果见图 1。从图 1可以看出，充氮气后形成的泡沫水泥浆其稠化时间与漂珠水泥浆相比一般延长60~90 min，可以满足安全固井施工的要求。
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| 图 1 不同水泥浆的稠化曲线 Fig.1 Thickening curves of different slurry systems |
与常规注水泥施工不同，泡沫水泥浆的可压缩性强，井下水泥浆的密度随压力、温度与注气量变化而发生变化。因此，在水泥浆密度和排量确定的条件下，需要控制地面注气比例，确保泡沫水泥浆密度符合设计要求。为确保泡沫水泥浆的井下密度符合设计要求，一般采取恒注气量和分段注气2种控制方式。以分段注气设计方法为例进行说明，井筒采用微元段化分段处理方式，取微元段中心点处的压力和温度，根据泡沫水泥浆密度计算公式(1)，自井口向下计算微元段泡沫体积分数和微元段静液柱压力等参数，从而确定地面注气量(标准状况下)。
井下压力、温度下泡沫水泥浆密度的理论计算公式为：
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(2) |
式中：Vg为氮气体积，m3；VL为未发泡前的水泥浆体积，mL；p为井下压力，MPa；T为井下温度，K；Z为氮气压缩因子；pst为标准状态下的压力，MPa；Tst为标准状态下的温度，K；ρN2为井下压力、温度下的氮气密度，kg/L。
3 充气泡沫水泥固井工艺机械充氮泡沫固井工艺的核心是自主研发的机械充氮泡沫装备，主要由泡沫发生器、泡沫剂泵送系统、氮气压力控制系统和自动化远程控制模块组成。水泥基浆与发泡剂、稳泡剂在管路中混合后，与泡沫发生器产生的高压氮气混合产生泡沫水泥浆，然后利用自主研发的泡沫水泥浆固井施工设备将泡沫水泥浆注入到井中，固井施工工艺流程见图 2。
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| 图 2 泡沫水泥浆施工时的地面工艺流程 Fig.2 Surface process flow of foamed cement slurry |
由图 2可以看出，发泡剂、稳泡剂、水泥浆和液氮分别由不同高压柱塞泵进行泵送，其中-198 ℃的液氮首先经过增压泵与蒸发器气化成高压氮气，再与低密度漂珠水泥浆、发泡剂和稳泡剂在泡沫发生器中混合进行发泡，随后将产生的高压泡沫水泥浆泵入水泥头。泵送管路上有液体流量计与气体质量流量计，分别采集浆体与气体的流量，所有的数据传输至实时监控系统，自动化远程控制模块根据水泥浆排量和密度设计要求调节液氮、发泡剂和稳泡剂排量, 实现泡沫水泥浆密度的实时控制。
泡沫水泥浆设备系统参数为：耐压30 MPa，氮气排出温度5~25 ℃，泡沫水泥浆排量0.3~1.6 m3/min，泡沫水泥浆密度0.30~1.60 kg/L。
由于泡沫水泥浆中含有可压缩性泡沫，当泡沫水泥浆通过井底从环空上返时，随着液柱压力降低，泡沫水泥浆中的泡沫将急剧膨胀，环空返浆会加速上升，使顶部泡沫水泥浆密度过低, 造成浆体密度不稳定。因此配套了井口节流加回压装置，在泡沫水泥浆固井作业时需要根据顶替情况及时关闭环空或加回压。针对杭锦旗区块，配套的井口节流加回压装置主要包括环空节流管汇和芯轴式套管头。
泡沫水泥浆固井前，将芯轴式套管头提至钻井四通位置；观察水泥浆快要返至地面时，立即关闭环形防喷器，当见隔离液、泡沫水泥浆返出或环空返速过大时，由节流管汇返浆，控制节流阀并加回压，一般回压值在0.5~3.0 MPa。固井结束后，保持环形防喷器为关闭状态，直接坐封井口，待密封井口后，打开节流阀释放压力。
4 现场应用杭锦旗区块的锦58井区、锦66井区和锦72井区均位于断层发育构造复杂带，普遍存在钻井、固井漏失严重的问题。2017年，锦58井区的JPH351井、JPH349井和JPH352井等5口井应用了漂珠-氮气超低密度泡沫水泥浆固井技术，固井过程中均未发生漏失，固井施工顺利完成。
JPH351井位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部，主要目的层为二叠系下石盒子组、山西组，设计井深4 372.68 m，垂深3 011.60 m，二开主井眼井段φ177.8 mm技术套管下深3 171.00 m，易漏层刘家沟组位于井深2 600.00 m处(见图 3)。为防止固井漏失，采用泡沫水泥浆封固400.00~2 800.00 m井段，1.90 kg/L尾浆封固气层2 800.00~3 171.00 m井段。
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| 图 3 JPH351井的井身结构 Fig.3 Casing program of Well JPH351H |
由于一次封固段过长，为了保证井下泡沫水泥浆密度达到设计要求，采用分段注气控制方式，设计的环空水泥浆密度分布结果如图 4所示。根据真实气体状态方程，分为400.00~1 500.00 m和1 500.00~2 800.00 m 2个封固井段进行泡沫水泥浆设计，400.00~2 800.00 m井段泡沫水泥浆按照平均密度为1.18 kg/L进行设计。
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| 图 4 JPH351井环空水泥浆密度分布 Fig.4 Density distribution of cement slurry in the annulus of the Well JPH351 |
取封固段中心点950.00和2 150.00 m处的压力和温度数据，折算成常温、常压下的氮气量，计算出所需的分段注气量，结果如表 2所示。
| 段数 | 低密度水泥浆量/m3 | 低密度水泥浆排量/(m3·min-1) | 注氮气比例/(m3·m-3) | 氮气排量/(m3·min-1) | 氮气体积/m3 |
| 1 | 17 | 0.5 | 38 | 19 | 646 |
| 2 | 17 | 0.5 | 78 | 39 | 1 326 |
JPH351井φ177.8 mm套管固井施工前钻井液密度为1.20 kg/L，循环排量为17.0 L/min，泵压为6.5 MPa。依次泵送6.0 m3前置液和6.5 m3低密度水泥浆后，开始泵注泡沫水泥浆，其中低密度水泥基浆排量保持在0.5 m3/min，按照设计在2封固井段分别以18~20 m3/min和38~40 m3/min排量注入氮气，共泵送42.5 m3低密度水泥浆；替浆35.0 m3后，泡沫水泥浆排量由1.0 m3/min降至0.5 m3/min，水泥浆返出地面，立即关闭环形防喷器，将节流回压控制在1.4 MPa；替浆至65.0 m3时关闭节流阀，继续替浆1.2 m3碰压，固井结束。此时套压为4.0 MPa，保持环形防喷器关闭，下放芯轴套管头，坐封井口。
JPH351井井下漂珠-氮气低密度泡沫水泥浆实际密度为1.15 kg/L，声幅测井结果显示全井水泥封固，0~3 171.00 m井段测井声幅值为13%~25%，根据低密度水泥浆固井质量评价标准，固井质量为优良。
5 结论1) 以低密度漂珠水泥浆为基浆，采用充气发泡方法，形成了漂珠-氮气超低密度泡沫水泥浆，在降低成本的同时，能保证水泥浆性能良好。
2) 自主研发了机械注氮泡沫设备和现场节流控制技术，形成了适用于配制超低密度水泥浆的机械充氮泡沫水泥浆技术。
3) 漂珠-氮气超低密度泡沫水泥固井技术满足杭锦旗区块长封固段、小间隙和低承压防漏条件下的固井要求，对解决类似区块的固井漏失问题具有借鉴意义。
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