深水表层固井水泥浆体系的优选

廖易波 李望军 范鹏 刘玉杰 陆永伟 闫许峰

【摘 要】最近几年中，深水油气发现占全球油气发现总量逐步增大，深水油气资源已成为未来全球石油战略接替的重点，为更好地促进我国深水固井技术的发展，笔者团队结合室内研究与现场实际应用，总结了一套适用于超水表层固井的低密全液早强水泥浆体系。该水泥浆体系配方简单，采用全液体添加剂，成本低，具有良好的流变性能、防气窜性能及沉降稳定性。该体系低温下水泥石强度发展好，具有较高的抗压强度，控失水性能强。目前该低密全液早强水泥浆体系成功应用于南海多口深水井中，现场应用表明：该体系现场易配浆，浆体流动性良好，水泥浆气泡少，现场操作方便，固井作业时未发现浅层气窜漏，满足后续施工要求。

【关键词】深水;低密度;全液体;早强;水泥浆体系

中图分类号：TE256.5 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）23-0005-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.002

【Abstract】In recent years， Deepwater oil and gas resources have become the focus of future global petroleum strategic succession due to the gradual increasing of deepwater oil and gas discoveries in global oil and gas discoveries. In order to better promote the development of deepwater cementing technology in China， we combined field application with indoor research， and a set of low-density full-liquid early-strength cement slurry system suitable for deepwater surface cementing is summarized. The cement slurry system has a simple formulation， adopts full liquid additives， has low cost， and has good rheological property， anti-gas enthalpy performance， sedimentation stability. The strength of the cement stone is good at low temperature， and it has high compressive strength and strong water loss control performance. At present， the low-density all-liquid  early-strength cement slurry system has been successfully applied to several deepwater wells in the South China Sea. The field application shows that the system is easy to be prepared， the slurry has good fluidity， few bubbles， and the operation is convenient on site. No shallow gas leakage is found during cementing operations， which meets the requirements of subsequent construction.

【Key words】Deep water; Low-density; All-liquid; Early-strength; Cement slurry system

0 前言

當前，全球的油气消费量以较快的速度增长，全球油气增长乏力，世界石油工业正面临着极大的挑战[1]。最近几年中，深水油气发现占全球油气发现总量比重逐步增大，深水油气资源已成为未来全球石油战略接替的重点[2]。我国南海海域及南沙群岛附近海域蕴藏着丰富的深水油气资源，向深水石油进军已成为我国海洋油气勘探开发的战略目标[3-4]。

目前深水是指水深在500m～1500m海域，水深超过1500m成为超深水。由于深水环境和浅部地层复杂情况的影响，深水固井难度也越来越大。深水固井（特别是表层固井）与常规固井相比，主要面临以下几个问题[5-6]：（1）低温：一般地，深水海底温度约为4℃左右，如此低的温度将严重影响水泥石强度发展，使水泥浆长期处于胶凝失重状态。同时，低温易导致稠化时间过渡时间长，难以获得较好的稠化曲线。此外，低温会使水泥浆稠度增加，流动阻力变大，不利于水泥浆顶替。（2）松软地层：松软地层的孔隙压力与破碎压力间“窗口”窄，并且与水深呈正相关。水泥环与松软地层间胶结能力弱，容易为潜存的地层流体提供窜流通道。（3）浅层流：浅层流被认为是深水固井中最具挑战性的因素。浅层流和低温、低密度联合作用，使固井窜流风险更高。（4）费用高：随着海洋石油不断向深水发展，低温和低密度水泥浆会大幅度延长水泥浆侯凝时间，距离和气候等因素使后勤供应变得更加困难。（5）平台灰罐受限，现场作业人员劳动强度大，采用以漂珠为减轻材料的低密度体系成本高。采用液体减轻剂的优点为：为可用于LAS（全液体添加剂系统），高水灰比水泥消耗少，全液化后减轻现场作业劳动强度，同时体系成本低。

为更好地促进我国深水固井技术的发展，笔者团队结合室内研究与现场实际应用，对最近几年使用过的深水、深水表层固井水泥浆体系[7]进行了优化对比，总结了一套适合深水表层固井的低密全液早强水泥浆体系。

1 液体减轻剂PC-81L

液体减轻剂PC-81L是中海油服针对膨润土低密度水泥浆体系和漂珠低密度水泥浆体系在深水表层固井中使用的局限性，自研的一种新型液体减轻材料，主要具有以下特点：（1）PC-81L作为减轻剂对水泥浆具有密度调节作用，可在1.30～1.70g/cm3之间调节水泥浆的密度;（2）PC-81L具有高悬浮性，最高可悬浮水灰比为2的水泥浆;（3）PC-81L具有增强作用，不但可以作为低密度水泥浆中的减轻剂，还可以作为增强剂应用于常规密度浆体中;（4）PC-81L具有促凝作用，可在深水低温环境下缩短水泥浆稠化时间。

2 低密全液早强水泥浆体系的性能

2.1 密度为1.50g/cm3的低密全液早强水泥浆的组成及性能

低密全液早强水泥浆体系以液体减轻剂为主剂，辅以相配伍的防气窜降失水剂、液体早强剂、消泡剂、液硅以及纳米硅配制而成。采用山东G级水泥，井底循环温度（BHCT）为25℃，井底静止压力（BHP）为45MPa。水泥浆配方如下：

G级水泥+13%防窜增强剂+10%纳米硅+7%降失水剂+6%液体早强剂+1%消泡剂+10%液体减轻剂98.15%海水，可以看出，低密全液早强水泥浆体系配方简单，且全部为液体添加剂，成本低，浆体具体性能见表1。

从表1可以看出，低密全液早强水泥浆体系具有良好的流变性能、防气窜性能及沉降稳定性;低温下水泥石强度发展好，具有良好的抗压强度和控失水性能。

2.2 低密全液早强水泥浆体系的稠化时间可调性

改变液体早强剂的加量分别为2%、6%和10%，其余添加剂加量保持不变，得到不同早强剂加量下低密全液早强水泥浆体系稠化时间。如图1、图2、图3和图4所示，研究表明低密全液早强水泥浆体系的稠化时间可调性。

从图4可以看出，低密全液早强水泥浆体系配方的稠化时间与液体早强剂加量成正相关，说明低密全液早强水泥浆体系的稠化时间可通过改变液体早强剂的加量来实现线性可调。此外，当稠化试验温度逐渐升高，将配方中的液体早强剂用缓凝剂代替，水泥浆稠化时间随着缓凝剂加量呈正相关。

2.3 低密全液早强水泥浆体系的温敏性研究

为了研究低密全液早强水泥浆体系对温度的敏感性，进行了上10℃、下10℃的温度敏感性稠化试验，具体试验结果见图5、图6、图7和图8。

从图5、图6、图7可以看出，低密全液早强水泥浆体系稠化曲线平稳。从图8可以看出，随着试验温度的升高，水泥浆稠化时间缩短;随着试验温度的降低，水泥浆稠化时间增加;没有出现稠化时间突变的情况，说明低密全液早强水泥浆体系温敏性较好。

室内研究表明，当稠化试验温度低于10℃时，低密全液早强水泥浆体系的稠化时间会出现过渡时间长、不能达到100Bc等现象;当稠化试验温度超过90℃时，低密全液早强水泥浆体系的稠化时间会出现重复性差、不能做长等现象。因此，低密全液早强水泥浆体系在10～90℃的温度范围内适用。

2.4 低密全液早强水泥浆体系静胶凝过渡时间研究

为了研究低密全液早强水泥浆体系的防窜能力，笔者团队利用静胶凝强度分析仪进行静胶凝过渡时间和UCA曲线的测定，如图9。

从图9可以看出，水泥浆配方的静胶凝强度过渡时间为23min，说明低密全液早强水泥浆体系具有良好的防窜性能。此外，在低密全液早强水泥浆体系中增加纳米硅的加量，会改善水泥浆的静胶凝过渡时间[8-9]。

2.5 低密全液早强水泥浆体系的抗压等级研究

为了研究低密全液早强水泥浆体系的抗压能力，改变井底静止压力（BHP）为25MPa、65MPa，按照1h从室温降温至泥线温度4℃，再1h升温至井底循环温度（BHCT）为25℃，然后再保温保压1h的方案模拟，之后再测量水泥浆密度，见表2。

从表2看出，低密全液早强水泥浆体系前后密度差为0，具有良好的抗压能力[10]。

2.6 低密全液早强水泥浆体系的低温强度性能研究

为了研究低密全液早强水泥浆体系在低温下的强度发展情况，笔者团队分别模拟了4℃、8℃的情形进行24h和48h水浴增压强度模拟，具体结果见表3。

从表3看出，低密全液早强水泥浆体系在低温条件下依然具有良好的水泥石强度，且随着液体早强剂加量的增加，水泥石强度逐步增加，能够满足深水表层固井强度要求。

3 低密全液早强水泥浆体系的现场应用

3.1 井况信息

低密全液早强水泥浆体系首次在南海某井20”表层进行了现场应用，該井水深985m为深水井，套管下深2025m，井底静止温度38℃，井底循环温度28℃，领浆密度1.40g/cm3返至泥线位置

3.2 现场施工配方及性能

领浆配方为：G级水泥+146%海水+0.5%消泡剂+6%液体早强剂+15%液体减轻剂+6%降失水剂+10%防窜增强剂。

3.3 现场施工结果

施工配方在现场性能良好，施工后可观察到水泥浆返到泥线;现场在静止温度条件下养护的样品强度发展快，满足下部钻井要求，建井中井口稳定无下沉。现场应用表明：该体系现场易配浆，密度均匀，浆体流动性良好，气泡少，现场操作方便。此外，固井作业时未发现浅层气窜漏，满足后续施工要求，计划后期将大规模应用于深水井中。

4 结论

（1）低密全液高早强水泥浆体系配方简单、全液体添加剂、成本低。

（2）低密全液早强水泥浆体系具有良好的流变性能、良好的防气窜性能和控失水性能;沉降稳定性良好，抗压能力较强，同时低温下水泥石强度发展快，静胶凝强度过渡时间短，具有较好的抗压强度。

（3）低密全液早强水泥浆体系性能良好，可用于深水井及深水井表层固井作业。

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