深水表層套管固井水泥漿體系的研制及應用＊

劉 科 王清順 蔣世全 周建良

（1.國家海洋局； 2.中海油田服務股份有限公司； 3.中海油研究總院）

目前，世界各國都在加緊深水油氣資源的勘探開發。深水區域的鉆井作業面臨諸多挑戰，特別是表層鉆井作業，如低溫、淺層流、地層破裂壓力低等［1－3］，這對固井水泥漿，特別是表層固井水泥漿，提出了特殊要求。表層固井水泥漿不僅要在低溫低密度的情況下能較快凝固以滿足支撐套管的需要，還要能有效防止淺層流等帶來的危害。目前，國內深水表層水泥漿體系的研究應用尚處于起步階段，而國外用于深水表層鉆井作業的水泥漿體系主要是泡沫水泥漿和優化顆粒級配水泥漿兩大類，其中泡沫水泥漿體系存在設備和操作復雜、體系配伍性差等缺點［4－6］。因此，近年來優化顆粒級配水泥漿體系得到了越來越多的應用。為了適應國際深水表層水泥漿體系的發展趨勢，筆者根據緊密堆積理論，研制出了一套優化顆粒級配的深水低溫低密度水泥漿體系，并進行了室內性能評價實驗和現場初步應用，可滿足我國進軍深水油氣勘探開發的需求。

1 深水表層套管固井水泥漿體系研制

根據深水鉆井作業經驗，深水海底溫度一般在3～4℃；表層所需水泥漿密度可達1.50 g/cm3，甚至更低；表層段水泥漿用量大，作業時間可長達5～8 h，需要水泥漿的稠化時間足夠長，以保證作業安全。在如此苛刻的條件下，水泥漿的抗壓強度還要在短時間內滿足繼續鉆進的要求（一般24 h內達到3.5 MPa以上）［1，7］。

因此，在大量調研和實驗的基礎上，水泥漿體系的設計原則如下：在優選低溫水泥、減輕材料、低溫早強劑等關鍵材料的基礎上，利用顆粒級配原理，確定低溫水泥、減輕材料、填充顆粒等的最佳比例，使水泥漿中固相絕對體積達到最大，使顆粒間的孔隙降到最低，實現顆粒緊密堆積，從而提高水泥漿體系的性能。

1.1 低溫水泥優選

室內選擇硫鋁酸鹽和硅酸鹽兩大類水泥進行實驗，從中優選抗壓強度達標、稠化時間滿足現場作業要求的水泥材料。低溫水泥優選實驗結果見表1。

表1 低溫水泥優選實驗結果

表1中C－1～C－4號水泥為不同廠家生產的硫鋁酸鹽水泥，該類水泥在低溫下水化速度快、早期強度高，但存在流動性差、稠化時間短、不易調節的缺點；C－6為超細硅酸鹽水泥，其強度高但稠化時間偏短；C－5為普通硅酸鹽水泥，其低溫強度低；而LL－1為特種硅酸鹽水泥，其強度發展和稠化時間比較適中，因此選作深水表層套管固井水泥漿體系的基礎水泥。

1.2 減輕材料優選

選擇幾種漂珠進行室內實驗比較，結果表明進口玻璃微珠有很好的減輕性能和抗壓能力，但成本較高；而國產漂珠中P30在滿足減輕性能的同時，抗壓能力可達30 MPa，能夠滿足深水作業需求，因此選作深水表層套管固井水泥漿體系的減輕材料。圖1是國產普通漂珠和P30的500倍SEM掃描電鏡照片對比，可以看出，P30玻璃微珠比普通漂珠表面光滑，粒度分布均勻，有利于提高水泥漿整體性能。

圖1 國產普通漂珠（a）和P30玻璃微珠（b）的500倍SEM掃描電鏡照片

1.3 其他輔助外加劑研發和優選

室內對其他多種輔助外加劑進行了研發和優選，包括低溫早強劑、低溫降失水劑、分散劑、防竄劑等。最終選擇A20作為低溫早強劑，G80作為低溫降失水劑，FC12作為防竄劑，F41作為分散劑，其中，低溫早強劑A20由無機鹽和無機高分子聚合物復配，經一定工藝生產而成；低溫降失水劑G80是由酰胺類和有機酸類單體等聚合而成；分散劑F41是醛酮聚合物；防竄劑FC12由纖維類材料組成。

2 深水表層套管固井水泥漿體系性能評價

深水表層水泥漿的室內評價實驗不同于常規水泥漿體系，需要測試水泥漿在低溫高壓下的性能，低溫是其中最關鍵的一個影響因素。本研究中低溫實驗方法主要參考ISO10426－3《石油和天然氣工業.油井固井用水泥和材料.第3部分：深水油井水泥成分的測試》，同時根據現場實際情況制定。

在前期大量室內實驗的基礎上，確定了深水表層套管固井水泥漿體系的基礎組成材料。為方便海上作業，該水泥漿體系用海水配制，其基本組成為LL－1低溫水泥＋漂珠P30＋低溫降失水劑G80＋低溫早強劑A20＋海水，根據實際需要可添加防竄劑FC12或分散劑F41等其他輔助外加劑。

2.1 輔助外加劑加量對水泥漿體系性能的影響

在確定了水泥漿體系的基本材料后，以配制密度1.50 g/cm3的水泥漿為例，評價了其中幾種外加劑加量對水泥漿性能的影響。

2.1.1 低溫早強劑加量對水泥漿體系性能的影響

室內評價了低溫早強劑A20加量對水泥漿體系的稠化時間、低溫強度、流動性等性能的影響。實驗用水泥漿體系基本配方為100%LL－1水泥＋22%P30漂珠＋3%G80低溫降失水劑＋52%～55%海水＋低溫早強劑A20，評價結果見表2。從表2可以看出，低溫早強劑A20對水泥漿體系有很好的促凝早強作用，且隨著A20加量的增加，水泥漿增稠，低溫強度增加。

表2 低溫早強劑A20加量對水泥漿體系性能影響評價

2.1.2 低溫降失水劑加量對水泥漿體系性能的影響

室內評價了低溫降失水劑G80加量對水泥漿體系的失水量、低溫強度等性能的影響。實驗用水泥漿體系基本配方為100%LL－1水泥＋22%P30漂珠＋50%～53%海水＋低溫降失水劑G80，評價結果見表3。由表3可知，低溫降失水劑G80的加入能有效降低水泥漿體系的失水量，但隨著G80加量的增加，水泥漿體系稠化時間會有所延長，抗壓強度有所降低。

表3 降失水劑G80加量對水泥漿體系性能影響評價

2.1.3 防竄劑加量對水泥漿體系性能的影響

室內評價了防竄劑FC12對水泥漿體系的稠化時間、低溫強度、失水量等性能的影響。實驗用水泥漿體系基本配方為100%LL－1水泥＋22%P30漂珠＋3%G80降失水劑 ＋3%A20早強劑＋52%～55%海水＋防竄劑FC12，評價結果見表4。由表4可知，防竄劑FC12的加入可以提高水泥石的早期強度，縮短了抗壓強度達到0.35 MPa的時間，有利于防竄。同時，隨著防竄劑FC12加量的增加，抗壓強度增加，失水量減少，稠化時間縮短，水泥漿體系整體性能有所提高。

表4 防竄劑F12加量對水泥漿體系性能影響評價

2.2 水泥漿體系沉降穩定性評價

根據GB/T 19139－2003油井水泥試驗方法，對密度1.5 g/cm3和1.7 g/cm3的水泥漿體系進行了沉降穩定性室內評價實驗。密度1.7 g/cm3水泥漿體系配方為100%LL－1＋5%P30＋3%G80＋4%A20＋61%海水＋FC12，密度1.5 g/cm3水泥漿體系配方為100%LL－1＋22%P30＋4%G80＋4%A20＋53%海水＋FC12，評價結果見表5。由表5可知，新研制的低溫低密度水泥漿體系上下密度差小，沉降穩定性良好。

表5 密度分別為1.5、1.7 g/cm3 水泥漿體系沉降穩定性評價實驗

2.3 水泥漿體系綜合性能評價

為評價水泥漿體系的綜合性能，配制密度為1.5 g/cm3和1.7 g/cm3兩種水泥漿體系進行室內評價實驗，主要對水泥漿體系的失水量、不同溫度的稠化時間、不同溫度的抗壓強度、游離液等進行綜合評價。密度1.7 g/cm3水泥漿體系配方為100%LL－1＋5%P30＋3%G80＋4%A20＋2.5%FC12＋61%海水，密度1.5 g/cm3水泥漿體系配方為100%LL－1＋22%P30＋4%G80＋4%A20＋6%FC12＋53%海水，評價結果見表6。由表6可知，新研制的低溫低密度水泥漿體系符合API RP65的規定，綜合性能良好，能夠滿足深水表層套管固井作業的需要。

表6 水泥漿體系綜合性能評價實驗

3 現場應用

南海某井水深497 m，表層φ508 mm套管下深700 m，使用新研制的水泥漿體系（基本性能見表7），采用首尾漿的方式，共泵入水泥漿223 m3，水泥漿返至泥線，最終固井作業獲得了成功，固井質量良好（圖2）。

表7 南海某深水井設計水泥漿體系性能

圖2 南海某深水井表層套管泥線附近測井曲線

4 結論

（1）研制了一套低溫低密度水泥漿體系，室內實驗表明該體系具有低溫強度高、稠化時間易于調節等特點。

（2）新研制的水泥漿體系在南海某深水井固井中初步成功應用，固井質量良好，表明該體系基本達到了深水表層套管固井作業的要求。

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