深水表層固井水泥漿體系應用現狀及發展方向

王　彪　陳　彬　陽文學　李　彬（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳　518067）

深水表層固井水泥漿體系應用現狀及發展方向

王彪陳彬陽文學李彬
（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳518067）

首先對國內外深水表層固井水泥漿體系進行了介紹，闡述了各水泥漿體系的現場應用情況及先進經驗，并針對性的提出了存在的問題。結合存在的問題和國內深水海域環境溫度的特點，自主研發了適用于表層套管固井的低溫、低密度、低水化、熱防竄和低溫早強防淺層流水泥漿體系，并成功應用于現場作業。最后提出了深水表層固井技術未來的發展方向。

深水；表層；低溫；固井；水泥漿

深水鉆井技術先進、作業費用高昂，如何安全、高效、順利地完成鉆井作業，是深水鉆井作業技術和管理的重點。固井作為鉆井工程的重要部分，面臨著同樣的問題。固井是深水油氣開發的重要技術保障之一，特別是深水表層固井，受到海底低溫、地層壓力窗口狹窄以及淺層流和水合物等各種因素的影響，在作業過程中面臨一系列的挑戰和風險。深水表層固井的質量對于保障水下井口穩定及后續作業的安全具有重要作用。

1　國內外深水表層固井水泥漿體系應用現狀

隨著海洋深水鉆探力度不斷加大，遇到的復雜情況也越來越多。國內外各科研院所、油田企業都投入了巨大的資源，在固井材料（水泥和外摻料）、水泥外加劑以及相關理論等方面開展了廣泛而深入的研究，有些已形成比較成熟的技術并轉化成生產力。30多年來，國內外對深水低溫膠凝強度和抗壓強度的發展、表層低破裂壓力、淺層流及防氣竄技術等方面做了大量的研究工作。總體上講，國內的理論研究、技術水平與國外相比有一定的差距［1-2］。

國外在深水水泥漿體系方面，先后研究開發了快凝石膏水泥漿體系、PSD水泥漿技術、高鋁水泥漿技術、泡沫水泥等水泥漿體系。Schlumberger、Halliburton、Bakerhuges等國際石油服務公司都形成了各自配套的深水工藝與較完備的深水固井水泥漿體系及外加劑體系，基本能解決遇到的各種復雜問題。國內對深水固井的研究起步很晚，海洋石油公司經過多年科技攻關，也取得了一定的進步［3-8］。

1.1泡沫水泥漿體系

泡沫水泥漿體系具有很低的密度<952 kg/m3、抗壓強度高、較好的隔熱性能、較高的頂替效率、可壓縮性、防氣竄性能好的特點。該體系能夠很好的解決淺層水流動問題，自使用以來已經在世界范圍內廣泛應用。但是從墨西哥灣深水地平線事故以后，國際上對泡沫水泥漿體系的認識感到不足，因此把目光轉向了非氣體充填的低密度水泥漿體系。

1.2最優粒徑分布（OPSD）水泥漿體系

最優粒徑分布（OPSD）水泥漿體系是通過優化水泥漿中的材料粒徑分布，提高顆粒緊密堆積程度的一種水泥漿體系。該水泥漿體系與常規水泥漿體系相比有以下特點： （1）低溫早凝，縮短候凝時間；（2）低溫下膠凝強度發展快，具有良好的防竄性能；（3）低溫下良好的流變性能； （4）低密度水泥漿具有與常規密度水泥漿一樣的抗壓強度。

2003年Halliburton公司的Kolstad E等人在美國墨西哥灣格林峽谷608區塊深水區Maarco Polo油田開發中，表層套管固井選用Schlumberger公司的DeepCRETE深水固井水泥漿，表現出低密度、極好的降失水性能、無自由水或沉淀、低溫下快速的候凝時間和較短的臨界水化期等優良特性，目前在此油田已經完成6口井的固井工作，均未發生頂替問題和流動問題［9］。

中海油在赤道幾內亞鉆探的2口自營深水井表層固井均使用斯倫貝謝DeepCRETE水泥漿體系，該體系在2口井使用過程中得到了很好的應用。

1.3貝克休斯DeepSet和LiteSet水泥漿體系

針對深水固井的特點，貝克休斯公司研究了DeepSet 和 LiteSet 兩種專門應用于深水表層固井的水泥漿體系。在南中國海深水區域鉆探的累計40余口深水井表層固井均使用貝克休斯LiteSet水泥漿體系，該水泥漿體系以漂珠作為減輕劑使用，在使用過程中得到了較好的應用。

然而由于漂珠在混配和輸送過程中容易造成破裂，影響漂珠本身的性能，因此DeepSet水泥漿體系是在沒有漂珠作為減輕劑的情況下的一種防氣竄水泥漿體系。該體系密度范圍：1 380~870 kg/m3，在低溫環境中快速地建立強度（低溫早強）、具有很低的濾失量和沒有自由水、較短的膠凝時間、沒有干混，全部使用液體添加劑、較高的抗壓強度等優點，并在南中國海深水區域成功得到應用［10］。

2　國內外深水表層固井水泥漿體系存在問題

（1）早強劑適用性較弱。目前深水固井水泥漿的可水溶類早期增強劑主要以氯化物為主，存在水化放熱大、腐蝕套管及水泥等副作用；而非水溶類早期增強劑，又只能用于有干混設備的井場；對溫度較敏感，只能適用單一的溫度條件。

（2）水泥漿防竄能力較弱，防淺層水-氣竄能力不穩定。

（3）現場適應性差。快凝石膏水泥體系和高鋁水泥體系對溫度敏感性較差，不適用于深水固井溫度更低的情況，且水化放熱過快，對污染物敏感，后期強度衰減，不利于油氣井的長期穩定性；泡沫水泥漿體系水泥漿、PSD水泥體系和高強水泥漿體系的性能隨著井底溫度和壓力的變化極不穩定，只是片面追求了抗壓強度的發展，對稠化時間等性能影響較大，易發生固井事故，而且其技術復雜，成本過高。

總而言之，這些水泥漿體系的早期增強技術比較單一，使用溫度比較局限；國內深水固井沒有形成成熟的體系，更沒有配套的外加劑體系；大部分還是采用了國外的固井材料，成本很高。

（4）井口下沉問題。深水表層固井通常采用內管柱（?508 mm套管作為表層套管）或水下釋放膠塞（?339.73 mm套管作為表層套管）方法固井。表層鉆進結束后，為平衡地層防止井壁坍塌，在井內墊入高密度的墊漿。表層套管下到位，使用海水循環時以及在固井期間泵注水泥漿時，管內外流體密度差將導致整個管串受力不同，因此在固井前循環和固井期間需要根據管內外流體密度差實時對整個管串懸重進行調整以確保不發生井口下沉。

南中國海深水區域出現2口深水井表層固井前循環和固井期間發生井口下沉，后續在鉆井設計和現場作業時采取多種措施以確保表層套管固井前循環和固井期間減少發生井口下沉的風險，具體措施為：（1）加強導管入泥深度與井口穩定性的研究；（2）增加導管入泥深度，提高地層對管串的承載力；（3）盡可能使用防沉墊，增加接觸面積，減少下沉風險；（4）固井前和固井作業期間根據管內外流體密度差實時對整個管串懸重進行調整。

3　國產深水表層固井水泥漿體系研究與應用

由于深水表層固井面臨著低溫緩凝、安全作業窗口窄、淺層水（氣）流以及水合物的特點，結合國外固井公司水泥漿體系的不足以及國內深水表層固井水泥漿體系研究的空缺，中海油服油化事業部針對這些問題研制出適用于我國深水海域溫度環境的表層固井水泥漿體系，即PC-LoLET低溫低密度低水化熱防竄水泥漿體系和PC-LoCEM低溫早強防淺層流水泥漿體系。

3.1PC-LoLET低溫水泥漿體系

天然氣水合物是在低溫高壓下由水與氣體分子組成的類冰、非化學計量、籠形固體化合物，俗稱“可燃冰”。在深水作業過程選擇井位時，水合物應該盡量避開。但是如果鉆遇水合物，對深水固井來說面臨兩項挑戰：（1）固井水泥漿水化放熱分解水合物。（2）單位水合物可以釋放170單位的氣體，把水泥漿沖出海底，危及平臺。

PC-LoLET水泥漿體系是針對深水水合物的特點以及結合深水低溫、壓力窗口窄小的特點研發的，該體系主要由人造微珠以及2種防氣竄添加劑組成，可避免水泥在水化放熱過程中的水化放熱時不分解水合物，該體系已經在我國深水海域成功應用。

應用案例：某井?508 mm表層套管固井面臨地層松軟、地層破裂壓力低、易漏失等特點，且由于井場調查顯示有水合物存在風險，結合實際井況要求，使用了新型PC-LoLET低溫低水化熱水泥漿體系。

該井?508 mm表層套管計劃下至垂深1 711 m，井溫梯度5 ℃，靜止溫度14 ℃，循環溫度23 ℃。

通過室內配方優化實驗得出了水泥漿配方，其基本性能見表1。

表1　水泥漿性能（BHCT=23 ℃，BHST=14 ℃，BHP=15MPa）

固井作業過程：?508 mm表層套管下至設計井深后，采用0.7 m3/min排量開始循環，返出正常后逐漸增加排量到2.2 m3/min；循環海水2周，固井泵泵顯示液3.2 m3，固井泵泵注沖洗液8 m3；固井泵混泵密度為1 400 kg/m3的水泥漿130.5 m3；固井泵混泵密度為1 850 kg/m3的水泥漿32 m3，卸壓檢查無回流。緩慢釋放套管懸重，水下機器人觀察無井口下沉現象。候凝8 h，探塞位置1 690 m，與設計相符。鉆套管附件及水泥塞至1 711 m，套管試壓2 MPa/5 min，10 MPa /15 min，合格，符合設計。三開鉆進中未發現水泥掉塊。由此表明PC-LoLET水泥漿體系滿足深水表層固井要求，保證了下步鉆進作業的順利進行。

3.2PC-LoCEM水泥漿體系

PC-LoCEM水泥漿體系是針對深水淺層水（氣）流的特點以及結合深水低溫、壓力窗口窄小的特點研發的，該體系主要由2種低溫早強添加劑組成，在保證稠化時間的條件下，在低溫10 ℃情況下14 h形成支撐套管的3.5 MPa強度，24 h達到6.9 MPa，72 h水泥塊強度達到19.6 MPa的高強度，甚至在低溫3℃時也表現出較好的早強效果。

應用案例：某井?762 mm導管固井面臨地層松軟、地層破裂壓力低、易漏失等特點，且由于井場調查顯示有淺層水流風險，結合實際井況要求，使用了新型PC-LoCEM低溫早強防淺層流水泥漿體系。

該井?762 mm導管計劃下至垂深571 m，井溫梯度4.96 ℃，靜止溫度13 ℃，循環溫度15 ℃。

通過室內配方優化實驗得出了水泥漿配方，其水泥漿基本性能見表2。

表2　水泥漿性能（BHCT=15 ℃，BHST=13 ℃BHP=12. 4MPa）

固井作業過程：?762 mm導管下至設計井深后，采用0.7 m3/min排量開始循環，返出正常后逐漸增加排量到1.8 m3/min；循環海水2周，固井泵泵顯示液1.6 m3；固井泵混泵密度為1 900 kg/m3的水泥漿57 m3；頂替海水10.9 m3，卸壓檢查無回流，水下機器人觀察無井口下沉現象。探塞位置551 m，與設計相符。鉆套管附件及水泥塞至571 m，符合設計。二開鉆進中未發現水泥掉塊。由此表明PC-LoCEM水泥漿體系滿足深水表層固井要求，保證了下步鉆進作業的順利進行。

4　深水表層固井未來發展方向

4.1深水表層固井層間分隔技術

針對深水固井地層松軟、淺層水、氣的竄流特點，研究一種對水泥水化沒有影響的鉆井液固井液一體化鉆井液體系。這種體系既能夠提高地層和水泥石之間的膠結強度又能夠提高海底松軟地層的膠結強度，增大淺層流體進入水泥環空的阻力。

4.2全液化深水表層水泥漿體系

目前國內深水表層固井使用的低密度漂珠水泥漿體系存在混配不勻，容易損失等缺點，而且不適用未來岸基支持較遠或者無岸基支持的深水作業；外加劑也是沿用常規的，沒有特別針對低溫下進行外加劑的研發，因此研究液體減輕劑來代替使用漂珠、避免低溫緩凝的分散劑是未來深水表層固井水泥漿體系研究的突破口。

4.3國產化注水泥設備和工具

如何準確實現深水固井設備電驅、大排量、自動化和智能化將成為今后研究重點。隨著深水固井材料全液化技術的發展，與之配套的液體添加系統的研究也是非常有必要的。此外，由于深水水泥頭等井下工具都掌握在國外手中，因此未來深水水泥頭等井下的工具的國產化非常有必要。

4.4提高注水泥頂替效率

由于深水表層地層松軟、未膠結，壓力窗口狹窄等特點，水泥漿在頂替過程中的流態很難實現紊流頂替，造成水泥漿頂替效率低，影響了固井質量，因此需要加大該方面的技術研究。

4.5減少水泥漿沉降

針對我國深水探井800 m水深內需要切割井口的規定，出現了多口井切割回收的低高壓井口頭之間沒有水泥環封固，表明表層固井結束后水泥有所沉降，未能有效封固，嚴重影響了切割時效，因此如何避免表層固井水泥漿的沉降，后期需要加大力度進行研究。

4.6 優化固井設計軟件系統

研發適用于我國深水海域的固井設計軟件系統，準確的模擬計算水泥漿泵注過程中地層承壓情況，防止壓漏淺部疏松地層；模擬泵注過程中水泥漿溫度的變化，從而為水泥漿設計獲得準確的井底循環溫度；模擬泵注過程，計算套管居中度和扶正器的用量，計算水泥漿量和合適的泵注速率，計算循環密度當量，提高頂替效率，優化水泥漿設計。

5　結論

（1）研發的PC-LoLET低溫低密度低水化熱防竄水泥漿體系和PC-LoCEM低溫早強防淺層流水泥漿體系具有很好的穩定性、混配性和操作性，適用于我國深水海域表層固井作業。

（2）研發鉆井液、固井液一體化體系、全液化深水表層水泥漿體系和國產化注水泥設備和工具等將是未來深水表層固井的發展方向，同時如何通過提高注水泥頂替效率、減少水泥漿沉降以及優化固井設計軟件系統來提高固井質量也應加大研究力度。

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〔編輯薛改珍〕

Application status and development direction of cement slurry system in deepwatersurface

WANG Biao, CHEN Bin,YANG Wenxue, LI Bin
（Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen 518067, China）

The paper starts with an introduction to the cement slurry systems used for well cementing in deepwater surface at home and abroad and goes on to describe the field application and advanced experience of different cement slurry systems as well as the existing problems. Considering these problems and the characteristics of ambient temperature in domestic deepwater areas, a shallow water cement slurry system characterized by low temperature, low density, low hydration, thermal anti-channeling, and low temperature early strength for shallow casing and well cementing is independently developed and successfully applied in field operations. The paper concludes by identifying the future direction of deepwatersurface cementing technology and providing a reference for the field application of deep water surface cementing operation and guidance for the technology development.

deepwater; surface; low temperature; cementing

TE 256

A

1000 – 7393（2015） 01 – 0107– 04

10.13639/j.odpt.2015.01.027

“十二五”國家科技重大專項“南海北部陸坡（荔灣3-1及周邊）深水油氣田鉆采風險評估及采氣關鍵技術研究”（編號：2011ZX05056-001-03）；國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究”（編號：51434009）。

王彪，1985年生。2008年畢業于西南石油大學石油工程專業，從事海洋深水鉆井工程設計和現場鉆井監督工作，中級工程師。電話：0755-26023616。E-mail：wangbiao@cnooc.com.cn。

2014-12-29）

引用格式：王彪，陳彬，陽文學，等. 深水表層固井水泥漿體系應用現狀及發展方向［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：107-110.