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(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北燕郊 065201）

隨著油氣井開發(fā)理論和技術(shù)的不斷創(chuàng)新，開采的對象由常規(guī)油氣向非常規(guī)油氣、由淺水、深水向超深水進(jìn)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(qū)，已有100多年的勘探歷史，深水區(qū)的油氣資源約為淺水區(qū)的13倍。墨西哥灣盆地內(nèi)存在分布廣泛的鹽膏層，許多油氣富集區(qū)均與鹽膏層相關(guān)，深水區(qū)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(guī)油氣井的開發(fā)成為墨西哥灣油氣儲量增長的一個(gè)重要突破點(diǎn)[1，2]。

墨西哥灣某井條件：水深1 528 m，入泥500 m進(jìn)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(diǎn)

1.1 沖蝕和溶解鹽層

常規(guī)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(fā)生增稠、絮凝等現(xiàn)象；（2）失水量增大，稠化時(shí)間延長；（3）水泥石強(qiáng)度發(fā)展緩慢，抗壓強(qiáng)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(zhì)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(shí)間，發(fā)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(qiáng)度發(fā)展緩慢

針對墨西哥灣固井用水泥為H級油井水泥，與國內(nèi)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(jì)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(fā)現(xiàn)，從礦物組分方面看MH具有較高的水化活性，表現(xiàn)出的水泥漿稠化時(shí)間短、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，與表2實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yán)重影響水泥漿性能。深水低溫條件下早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢，影響固井質(zhì)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(gòu)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(wěn)定性、密度范圍分布廣、失水可控、稠化時(shí)間可調(diào)、低溫水泥石強(qiáng)度發(fā)展快且高等特點(diǎn)。

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(shí)驗(yàn)主要對比了不同濃度KCl和NaCl的抗鹽溶解能力。實(shí)驗(yàn)方案為：將鹽柱（預(yù)先用氯化鈉壓制而成）懸浮于水泥漿中，用便攜式低溫養(yǎng)護(hù)釜于17℃20.68 MPa條件下養(yǎng)護(hù)72 h，剖開觀察鹽柱的情況[3]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)，水泥石強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢，稠化時(shí)間明顯延長甚至出現(xiàn)超緩凝現(xiàn)象，NaCl尤為明顯（見圖1、圖2和表3）。結(jié)合水泥石的SEM（見圖3）發(fā)現(xiàn)，含有18%NaCl（Ⅰ）的水泥石結(jié)構(gòu)較Ⅱ、Ⅲ組松散，片狀單硫型鈣礬石廣泛分布，致使結(jié)構(gòu)松散；Ⅱ與Ⅲ號的水泥石結(jié)構(gòu)差異性不大，針狀鈣礬石多水泥石致密，前者水泥石強(qiáng)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(guī)密度增強(qiáng)水泥體系。

2.2 抗鹽降失水劑的優(yōu)選

深水低溫條件下，部分降失水劑表現(xiàn)出低溫緩凝現(xiàn)象，嚴(yán)重影響水泥漿的稠化時(shí)間。優(yōu)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(dú)特的空間結(jié)構(gòu)，通過吸附、交聯(lián)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(shí)間影響小。

表2 流變、失水、強(qiáng)度和稠化時(shí)間規(guī)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(qiáng)度Fig.1 The pressure strength of cement with different concentrations of KCl and NaCl

圖2 鹽柱溶解現(xiàn)象Fig.2 Phenomena of salt bath

表3 鹽水種類和濃度對稠化時(shí)間作用規(guī)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(yōu)選

深水低溫條件下，常用分散劑會延長水泥漿稠化時(shí)間甚至出現(xiàn)超緩凝現(xiàn)象，或者分散效果、防觸變效果不顯著。優(yōu)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(shí)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(yōu)選

傳統(tǒng)型的漂珠減輕體系價(jià)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(yīng)產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使?jié){體增稠提高穩(wěn)定性；同時(shí)PC-P81L中的無定型SiO2與水泥水化產(chǎn)物中有害成分Ca（OH）2反應(yīng)，生成有強(qiáng)度的CSH凝膠，即“火山灰效應(yīng)”，提高了水泥石的早期強(qiáng)度。

2.5 懸浮穩(wěn)定劑

MH水泥漿漿體不穩(wěn)定，需要引入懸浮穩(wěn)定劑。懸浮穩(wěn)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(qiáng)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(yè)。

3 深水巨厚鹽膏層固井水泥漿體系性能評價(jià)

在分析墨西哥灣某井鹽膏層特點(diǎn)和固井難點(diǎn)，采用單級首尾漿封固技術(shù)。根據(jù)上述研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，10%NaCl+5%KCl水泥漿稠化時(shí)間長、抗鹽能力強(qiáng)；5%KCl水泥漿稠化時(shí)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(guī)密度水泥漿體系。

3.1 5%KCl低密度水泥漿體系性能評價(jià)

通過不同抗鹽外加劑和鹽水種類的選擇，構(gòu)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(jìn)行了評價(jià)，結(jié)果（見表4、圖4）。

由圖4可知，抗鹽水泥石結(jié)構(gòu)致密，硅酸三鈣凝膠結(jié)構(gòu)分布廣泛，存在大量的針狀鈣礬石。

由表4可知，構(gòu)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(shí)間可調(diào)、抗壓強(qiáng)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(jià)

通過前面抗鹽外加劑、鹽種類和濃度的優(yōu)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(guī)密度水泥漿體系，并對其綜合性能進(jìn)行了評價(jià)，結(jié)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(gòu)建的18%NaCl聚合物常規(guī)密度水泥漿體系具有良好的流變性；失水可控；稠化時(shí)間可調(diào)；抗壓強(qiáng)度高；過渡時(shí)間短、防竄；抗鹽能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能較好的封固鹽膏層段。

4 結(jié)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(dǎo)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(diǎn)，給固井質(zhì)量帶來挑戰(zhàn)。在分析墨西哥灣某井鹽膏層特點(diǎn)和固井難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的研究工作，采用單級首尾漿封固技術(shù)。具體結(jié)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(qiáng)，水泥石強(qiáng)度呈現(xiàn)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(guī)密度增強(qiáng)水泥體系。

（2）通過抗鹽外加劑的優(yōu)選，構(gòu)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(shí)間可調(diào)、抗壓強(qiáng)度高、有一定的抗鹽能力等，滿足深水鹽膏層固井需求。

（3）構(gòu)建的18%NaCl聚合物常規(guī)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(shí)間可調(diào)；抗壓強(qiáng)度高；過渡時(shí)間短、防竄；抗鹽能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能較好的封固鹽膏層段。