深水巨厚鹽膏層固井水泥漿體系研究

汪 蕾，馮穎韜，王有偉

（中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北燕郊 065201）

隨著油氣井開發理論和技術的不斷創新，開采的對象由常規油氣向非常規油氣、由淺水、深水向超深水進軍。墨西哥灣東部與北部是美國，西岸與南岸接臨墨西哥，東南方為古巴，是重要的油氣富集區，已有100多年的勘探歷史，深水區的油氣資源約為淺水區的13倍。墨西哥灣盆地內存在分布廣泛的鹽膏層，許多油氣富集區均與鹽膏層相關，深水區鹽下油氣藏具有有利的成藏條件。因此，墨西哥灣深水鹽膏層這一非常規油氣井的開發成為墨西哥灣油氣儲量增長的一個重要突破點[1，2]。

墨西哥灣某井條件：水深1 528 m，入泥500 m進入大段鹽膏層，鹽膏層段有1 000 m，表層鹽膏層段BHCT=12℃，BHST=17℃。

1 深水巨厚鹽膏層固井難點

1.1 沖蝕和溶解鹽層

常規水泥漿與鹽膏層間存在濃度差問題，致使沖蝕鹽層和鹽層溶解，水泥漿含鹽量越來越高。水泥漿含鹽量增加致使：（1）水泥漿流動性能變差，發生增稠、絮凝等現象；（2）失水量增大，稠化時間延長；（3）水泥石強度發展緩慢，抗壓強度降低。

1.2 溫度低、壓力窗口窄

深水表層地層孔隙壓力和破裂壓力之間壓力窗口窄，地層極被壓漏，為保證固井質量，通常要求使用低密度水泥漿密度。

隨著海水深度的增加，溫度逐漸降低。深水低溫延長了水泥漿的過渡時間，發生氣竄、水竄的概率增加，尤其是低密度水泥漿。

1.3 水泥石早期強度發展緩慢

針對墨西哥灣固井用水泥為H級油井水泥，與國內所用的G級油井水泥存在差異性，采用XRF檢測山東G級油井水泥（SDG）和墨西哥H級油井水泥（MH）礦物含量，通過鮑格（R.H.Bogue）法計算四種礦物和硫酸鈣的礦物百分含量（見表1）。

表1 幾種油井水泥礦物百分含量Tab.1 Mineral percentage content of oil well cement

由表1發現，從礦物組分方面看MH具有較高的水化活性，表現出的水泥漿稠化時間短、強度高等特點，與表2實驗結果完全相反，主要原因在于MH顆粒粒徑大，比表面積小，水化活性低，嚴重影響水泥漿性能。深水低溫條件下早期強度發展緩慢，影響固井質量。

2 抗鹽外加劑的選擇

從鹽膏層固井水泥漿的配漿水鹽種類及濃度、減輕劑、降失水劑、分散劑等方面展開研究，構建一套適用于墨西哥灣深水鹽膏層的固井水泥漿體系，抑制鹽層溶解，具有良好的沉降穩定性、密度范圍分布廣、失水可控、稠化時間可調、低溫水泥石強度發展快且高等特點。

2.1 鹽水種類的選擇

針對鹽層沖蝕和溶解鹽層的問題可采用抗鹽水泥漿體系，本實驗主要對比了不同濃度KCl和NaCl的抗鹽溶解能力。實驗方案為：將鹽柱（預先用氯化鈉壓制而成）懸浮于水泥漿中，用便攜式低溫養護釜于17℃20.68 MPa條件下養護72 h，剖開觀察鹽柱的情況[3]。

實驗結果表明，不同濃度KCl和NaCl配制的水泥漿均具有抗鹽溶解能力，隨著配漿水鹽濃度的增加，對鹽溶解的抑制能力增強，水泥石強度呈現降低趨勢，稠化時間明顯延長甚至出現超緩凝現象，NaCl尤為明顯（見圖1、圖2和表3）。結合水泥石的SEM（見圖3）發現，含有18%NaCl（Ⅰ）的水泥石結構較Ⅱ、Ⅲ組松散，片狀單硫型鈣礬石廣泛分布，致使結構松散；Ⅱ與Ⅲ號的水泥石結構差異性不大，針狀鈣礬石多水泥石致密，前者水泥石強度明顯高于后者。綜合考慮抗鹽性以及濃度對水泥漿性能的影響，5%KCl可用于配制全液體低密度水泥漿體系，10%NaCl+5%KCl適用于聚合物常規密度增強水泥體系。

2.2 抗鹽降失水劑的優選

深水低溫條件下，部分降失水劑表現出低溫緩凝現象，嚴重影響水泥漿的稠化時間。優選聚合物類降失水劑，PC-G86L/S是一種高分子聚合物類降失水劑，以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）為主要單體，具有獨特的空間結構，通過吸附、交聯等作用，提高水泥漿液相黏度，起到控制失水和防止氣竄的作用；具有耐鹽性，適合淡水、海水等配水泥漿；低溫下對稠化時間影響小。

表2 流變、失水、強度和稠化時間規律Tab.2 The law of rheology,fluid loss,thicken time and pressure strength of cement

圖1 不同濃度KCl和NaCl的水泥石抗壓強度Fig.1 The pressure strength of cement with different concentrations of KCl and NaCl

圖2 鹽柱溶解現象Fig.2 Phenomena of salt bath

表3 鹽水種類和濃度對稠化時間作用規律Tab.3 The effect of saltwater species and concentration on thickening time

圖3 不同濃度KCl和NaCl的水泥石掃描電鏡圖Fig.3 Different concentrations of KCl and NaCl were used to SEM

2.3 防觸變分散劑F45L的優選

深水低溫條件下，常用分散劑會延長水泥漿稠化時間甚至出現超緩凝現象，或者分散效果、防觸變效果不顯著。優選的聚醚類聚羧酸分散劑F45L，具有加量小（0～0.5%BWOC）；對稠化時間影響小；分散效果顯著；能有效的降低水泥漿靜膠凝值，降低水泥漿的觸變性；且耐鹽。

2.4 減輕劑的優選

傳統型的漂珠減輕體系價格昂貴，不利于邁向國際化市場。液體減輕劑PC-P81L是一種含有無定型SiO2水性分散體，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CSH凝膠，即“火山灰效應”，提高了水泥石的早期強度。

2.5 懸浮穩定劑

MH水泥漿漿體不穩定，需要引入懸浮穩定劑。懸浮穩定劑PC-GS12L主要成分為無定型二氧化硅，由于有很高的活性，可填充在水泥顆粒間，能顯著提高水泥石早期強度，增加水泥石致密性，顯著提高水泥漿的防竄能力和防腐能力，適用于深水防淺層流和深井防氣竄的固井作業。

3 深水巨厚鹽膏層固井水泥漿體系性能評價

在分析墨西哥灣某井鹽膏層特點和固井難點，采用單級首尾漿封固技術。根據上述研究結果發現，10%NaCl+5%KCl水泥漿稠化時間長、抗鹽能力強；5%KCl水泥漿稠化時間短、具有一定的抗鹽能力。因此，抗鹽水泥漿組合為首漿5%KCl低密度水泥漿體系+尾漿10%NaCl+5%KCl聚合物常規密度水泥漿體系。

3.1 5%KCl低密度水泥漿體系性能評價

通過不同抗鹽外加劑和鹽水種類的選擇，構建1.40 g/cm3～1.70 g/cm35%KCl全液體低密度水泥漿體系，并對其綜合性能進行了評價，結果（見表4、圖4）。

由圖4可知，抗鹽水泥石結構致密，硅酸三鈣凝膠結構分布廣泛，存在大量的針狀鈣礬石。

由表4可知，構建的抗鹽1.40 g/cm3～1.70 g/cm35%KCl全液體低密度水泥漿性能具有良好的流變性、失水可控、稠化時間可調、抗壓強度高、有一定的抗鹽能力等，滿足深水鹽膏層固井需求。

3.2 半飽和鹽水水泥漿體系性能評價

通過前面抗鹽外加劑、鹽種類和濃度的優選，建立了一套適合深水鹽膏層固井用抗鹽低濾失聚合物鹽水水泥漿體系—18%NaCl聚合物常規密度水泥漿體系，并對其綜合性能進行了評價，結果（見表5）。

表4 不同密度水泥漿基本性能Tab.4 Basic properties of different density slurry

圖4 水泥石內部結構Fig.4 Internal structure of cement stone

表5 水泥漿基本性能Tab.5 Basic properties of cement slurry

由表5可知，構建的18%NaCl聚合物常規密度水泥漿體系具有良好的流變性；失水可控；稠化時間可調；抗壓強度高；過渡時間短、防竄；抗鹽能力強等特點，能較好的封固鹽膏層段。

4 結論

墨西哥灣某井深水表層存在鹽膏層，由于深水表層溫度低、鹽層蠕變致使井徑縮小、沖蝕和溶解鹽層導致水泥漿含鹽量越來越高、鹽膏層的夾層孔隙壓力高/壓力窗口窄等難點，給固井質量帶來挑戰。在分析墨西哥灣某井鹽膏層特點和固井難點的基礎上，進行了大量的研究工作，采用單級首尾漿封固技術。具體結論如下：

（1）隨著配漿水鹽濃度的增加，對鹽溶解的抑制能力增強，水泥石強度呈現降低趨勢，NaCl尤為明顯。綜合考慮抗鹽性以及濃度對水泥漿性能的影響，5%KCl可用于配制全液體低密度水泥漿體系，18%NaCl適用于聚合物常規密度增強水泥體系。

（2）通過抗鹽外加劑的優選，構建的抗鹽1.40 g/cm3～1.70 g/cm35%KCl全液體低密度水泥漿性能具有良好的流變性、失水可控、稠化時間可調、抗壓強度高、有一定的抗鹽能力等，滿足深水鹽膏層固井需求。

（3）構建的18%NaCl聚合物常規密度水泥漿體系具有良好的流變性；失水可控；溫度適用范圍廣，稠化時間可調；抗壓強度高；過渡時間短、防竄；抗鹽能力強等特點，能較好的封固鹽膏層段。