深水固井液體減輕低密度水泥漿體系

馮穎韜， 宋茂林， 張浩， 李厚銘

（中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北燕郊065201）

深水固井液體減輕低密度水泥漿體系

馮穎韜， 宋茂林， 張浩， 李厚銘

（中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北燕郊065201）

與傳統的表層固井技術不同，深水表層固井由于受到深水環境和現場條件限制，對固井作業提出了新的要求。針對深水表層固井的難點，開發了一種新型液體減輕劑PC-P81L，并以其為主體構建出了深水固井液體減輕低密度水泥漿體系。室內實驗結果表明，PC-P81L作為減輕劑對水泥漿具有密度調節作用，可在1.30～1.70 g/cm3之間調節水泥漿密度；具有高懸浮性，最高可懸浮水灰比為2的水泥漿；具有增強作用，還可以應用于常規密度水泥漿中作為增強劑；具有促凝作用，可在深水低溫環境下縮短水泥漿稠化時間。構建的深水固井用液體減輕低密度水泥漿體系，通過增大水灰比降低水泥漿密度，提高了水泥漿的造漿率，減少現場水泥用量；且配方簡單，易于調節，外加劑以全液體形式添加，減小了現場工作人員的勞動強度；同時滿足深水低溫環境下的水泥漿性能要求，為下部鉆進提高保障；液體減輕水泥漿體系作業成本較漂珠體系也大幅度降低，滿足深水低溫條件的性能要求，可適用于深水表層固井。

深水；表層固井；低密度水泥漿；液體減輕劑

隨著中國南海水域油氣資源勘探的深入，深水油氣資源的開發已經進入攻堅階段，而由于深水環境和淺部地層復雜情況的影響，深水固井難度也越來越大。深水固井有別于淺水固井和陸地固井作業，尤其在表層固井技術上有著顯著區別，主要表現在[1-2]：①壓力窗口較窄，通常需配合使用低密度水泥漿以平衡地層壓力；使用低密度水泥漿體系，雖然漿體穩定性好，作業成本低，但在深水低溫環境下水化速率低，強度發展慢，候凝時間長，很難短時間滿足下部鉆進條件；漂珠低密度水泥漿體系具有防竄性能好、強度高、候凝時間短等特點，但體系較為復雜，且作業成本高，同時漂珠在吹灰過程中容易損失或出現分層現象，導致上下密度不一致，影響固井質量[3]。②固井水泥漿量大，深水表層一次固井作業一般達到150 m3以上，增大了現場施工人員的勞動強度。③海上鉆井平臺儲灰罐容積有限，而需要的水泥量大，導致操作性受到嚴重局限。針對深水表層固井的以上問題，中海油服開發出一種新型液體減輕材料PC-P81L，并以其為主體構建出深水固井液體減輕低密度水泥漿體系。該體系通過增大水灰比降低水泥漿密度，提高了水泥漿的造漿率，減少現場水泥用量；且配方簡單，易于調節，外加劑以全液體形式添加，減小了現場工作人員的勞動強度；同時滿足深水低溫環境下的水泥漿性能要求，為下部鉆進提高保障；液體減輕水泥漿體系作業成本較漂珠體系也大幅度降低[4]。

1 室內研究

1.1 液體減輕劑PC-P81L

液體減輕劑PC-P81L是中海油服針對膨潤土低密度水泥漿體系和漂珠低密度水泥漿體系在深水表層固井中使用的局限性，自研的一種新型液體減輕材料，主要具有以下特點：①PC-P81L作為減輕劑對水泥漿具有密度調節作用，可在1.30～1.70 g/cm3之間調節水泥漿的密度；②PC-P81L具有高懸浮性，最高可懸浮水灰比為2的水泥漿；③PC-P81L具有增強作用，不但可以作為低密度水泥漿中的減輕劑，還可以作為增強劑應用于常規密度漿體中；④PC-P81L具有促凝作用，可在深水低溫環境下縮短水泥漿稠化時間。

1.1.2 作用機理

PC-P81L是一種含有無定型SiO2的水性分散體，為無色透明液體，pH值為9～10，固相含量為35%～50%，密度為1.18～1.22 g/cm3，可迅速與水泥反應產生交聯結構，使漿體增稠，提高穩定性；同時PC-P81L中的無定型SiO2與水泥水化產物中有害成分Ca（OH）2反應，生成有強度的C—S—H凝膠，即“火山灰效應”，提高了水泥石早期強度[5]。

1.1.3 對水泥漿穩定性的影響

在室溫下，使用密度為1.30 g/cm3、水灰比為2的空白低密度水泥漿和混配PC-P81L的低密度水泥漿，對比配制不同時間后的漿體穩定性，結果見圖1。由圖1可知，空白低密度水泥漿在配制5和30 min后自由水明顯，沉降嚴重；加入PC-P81L的低密度水泥漿在配制5和30 min后，漿體穩定，無自由液和沉降產生，且能夠使用海水配漿，說明PC-P81L具有高懸浮性，最高可懸浮水灰比為2的水泥漿，可實現通過提高水灰比降低水泥漿密度。

圖1 低密度水泥漿配制不同時間后的漿體穩定性

1.1.4 對水泥石強度的影響

在井底靜止溫度為30 ℃，密度為1.40 g/cm3、水灰比為1.48的空白低密度水泥漿中，對比不同加量PC-P81L在24 h和48 h水泥石強度變化，實驗結果見表1。由表1可以看出，隨著PC-P81L加量的增加，水泥石強度逐漸增大，說明PC-P81L具有一定的增強作用。

小周上前把筆和會見筆錄遞過去。楊小水并沒有細看，翻到最后一頁簽上自己的名字。簽名畫押這活，楊小水這一段肯定沒少做。

表1 液體減輕劑PC-P81L對低密度水泥石強度的影響

1.1.5 對水泥漿稠化時間的影響

在BHCT為30 ℃、密度為1.40 g/cm3、水灰比為1.48的空白低密度水泥漿中，測得PC-P81L加量為0、10%、15%、20%、25%的水泥漿稠化時間分別為728、653、591、556、613 min。可以看出，隨著PC-P81L加量的增加，稠化時間逐漸縮短，說明PC-P81L具有一定的促凝作用。

1.2 液體減輕低密度水泥漿體系構建

1.2.1 降失水劑選擇

目前常用的油井水泥降失水劑主要為聚合物類和PVA類[6]，因此選擇聚合物降失水劑GA80和GA86（具有防竄功能），PVA類降失水劑GA74進行優選，實驗結果見表2。

表2 降失水劑優選

從表2可以看出，使用3種降失水劑后失水量均能小于100 mL，滿足深水表層失水要求，且失水量也基本相當，說明自研液體減輕劑與不同種類的降失水劑配伍性良好；而使用GA86不但能夠有效控制失水量，水泥石抗壓強度較另2種降失水劑也明顯提高，并且具有防竄功能，因此選擇GA86。

1.2.2 早強劑選擇

目前常用的早強劑種類主要為無機鹽類、有機胺類和晶種類[7]，因此選擇不同類型的6種早強劑進行優選。通過前期實驗得出不同早強劑在液體減輕低密度體系中的最佳加量，對比每種早強劑最佳加量的強度性能進行早強劑優選，實驗結果見表3。由表3可以看出，不同早強劑針對液體減輕低密度體系都能夠明顯提高水泥石的早期強度，說明自研液體減輕劑與不同種類的早強劑配伍性良好；而ZA95的早強效果最為顯著，因此選擇ZA95。

1.2.3 其他外加劑選擇

為進一步提高低密度水泥漿體系的早期強度，選擇DE62作為增強劑，其主要是一種火山灰材料，水化過程中的火山灰效應更為顯著，同時其粒徑和比表面積更小，可很好地填充于水泥顆粒之間，提高水泥石密實度，進一步提高強度[8]。為調節低密度水泥漿體系的稠化時間，選擇中海油服常用的中低溫緩凝劑HA21和消泡劑XA63。

表3 在基漿中加入不同早強劑的抗壓強度優選

1.2.4 體系構建

根據中海油服在南海海域深水表層固井作業中低密度水泥漿的施工條件和水泥漿性能調研，總結得出深水表層固井作業水泥漿密度范圍為：1.40～1.60 g/cm3，靜止溫度BHST為 25～50 ℃，循環溫度BHCT為0.7×BHST，稠化時間為8～11 h，24 h抗壓強度大于3.5 MPa，API失水量小于100 mL，自由水小于1%。因此以液體減輕劑PC-P81L和優選的降失水劑GA86、早強劑ZA95為主體，部分條件配合使用緩凝劑HA21和增強劑DE62，進行深水固井液體減輕低密度水泥漿體系構建。由表4可以看出，構建的水泥漿體系在密度1.40～1.6 g/cm3，靜止溫度BHST為25～50 ℃條件下，水泥漿的各項性能滿足深水表層固井作業中低密度水泥漿的性能要求，并且體系的配方組成簡單，外加劑種類少，全液體添加，可以很大程度地降低現場施工人員的勞動強度。

2 現場應用

深水固井液體減輕低密度水泥漿在LS25-XX井進行了首次應用，該井井深為1 835 m，水深為965 m，為深水井。LS25-XX井的施工層次為φ508 mm表層，套管入泥為870 m，BHST/BHCT為31 ℃/23 ℃。采用低密度領漿和尾漿配合使用，低密度領漿密度1.40 g/cm3，返至泥線位置，尾漿密度為1.85 g/cm3返至管鞋以上150 m。低密度領漿性能要求：可泵時間為7～8 h，24 h抗壓強度大于3.5 MPa，API失水量小于100 mL，自由水小于1%。

表4 液體減輕低密度水泥漿在不同條件下的性能

施工水泥用量少，減少了平臺灰罐使用量，現場操作方便。該水泥漿體系流變性良好，較漂珠水泥漿容易泵送，混漿泡少，設備操作風險性低。水泥漿性能滿足現場性能要求，可泵時間為460 min（見圖2），24 h抗壓強度為4.7 MPa（見圖3），API失水為42 mL，自由水為0。

圖2 LS25-XX井液體低密度水泥漿稠化曲線

深水固井液體減輕低密度水泥漿體系在現場施工性能良好，施工后可觀察到水泥漿返到泥線；現場在靜止溫度條件下養護的樣品強度發展快，滿足下部鉆井要求，建井中井口穩定無下沉；后期測井結果顯示一、二界面膠結良好。經過成本測算，使用液體減輕低密度水泥漿，單方材料成本較漂珠低密度水泥漿體系降低50%。

圖3 LS25-XX井液體低密度水泥漿UCA強度發展

3 結論

1.自研液體減輕劑PC-P81L具有高懸浮性，可實現通過增大水灰比降低水泥漿密度，且對水泥漿有增強和促凝作用；同時與其他外加劑配伍性好，滿足深水低溫環境下的水泥漿性能要求。

2.深水固井液體減輕低密度水泥漿體系添加劑種類少，配方簡單，易于調節，同時實現了全液體化，方便添加，降低了現場施工人員的勞動強度。

3.深水固井液體減輕低密度水泥漿提高了造漿率，減少水泥用量，避免平臺儲灰灌容積使用受限。

4.深水固井液體減輕低密度水泥漿體系較漂珠體系作業成本大幅度降低，提高了經濟性。

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Liquid Cementing Fluid Reduced Lightened Deep Water Light-weight Cement Slurry

FENG Yingtao, SONG Maolin, ZHANG Hao, LI Houming
(Oilfield Chemistry R&D Institute, COSL, Yanjiao, Sanhe, Hebei 065201)

Contrary to the surface hole cementing operation, deep water surface hole cementing imposes new requirements on well cementing operation because of the deep water environment and the operation condition. A new liquid light weight agent PC-P81L has been developed for use in cementing the surface hole in deep water drilling, and a cementing fluid was formulated with PC-P81L.Laboratory experimental results showed that PC-P81L can be used to adjust the density of cement slurry between 1.30 g/cm3and 1.70 g/cm3. PC-P81L has strong suspending capacity; it can suspend cement slurries with water/cement ratio of 2. PC-P81L is not only a light weight agent, it is also a strength enhancer in cement slurries with conventional densities. PC-P81L can accelerate the setting of cement slurry in deep water low temperature environment. By increasing the water/cement ratio, the density of the deep water low density cement slurry can be reduced, and the yield of the cement slurry increased, thereby reducing the consumption of cement in field application. The formulation of the cement slurry is simple and the properties of the cement slurry are easy to adjust. The additives used are added in liquid form, thereby lightening the field labor intensity. The use of the cement slurry has satisfied the needs for deep water low temperature operation, providing insurance for drilling the deeper formation. Compared with hollow microsphere, the operation cost of the light weight cement slurry is quite lower.

Deep water; Surface casing cementing; Low density cement slurry; Liquid light weight agent

馮穎韜，宋茂林，張浩，等.深水固井液體減輕低密度水泥漿體系[J].鉆井液與完井液，2017，34（4）：80-84.

FENG Yingtao, SONG Maolin, ZHANG Hao,et al.Liquid cementing fluid reduced lightened deep water light-weight cement slurry[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（4）：80-84.

TE256

A

1001-5620（2017）04-0080-05

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.015

馮穎韜，工程師，碩士，1986年生，畢業于西南石油大學石油與天然氣工程，現在從事固井技術研究工作。電話15075694569；E-mail：fengyt@cosl.com.cn。

2017-02-11；HGF=1702N1；編輯 王小娜）