深水低溫早強水泥漿體系的研究

宋茂林（天津中海油服化學有限公司，天津 300301）

隨著全球能源需求的不斷膨脹，陸上大型油氣田日益枯竭，于是人們逐漸將目光投向海洋，海洋油氣資源主要分布在大陸架，約占全球海洋油氣資源的60%，其中深水、超深水域的油氣資源潛力可觀，約占30%[1]。低溫、海底松軟地層、淺層流是這類地層的普遍特點。目前用于現場的深水固井水泥漿體系主要以常規油井水泥和外加劑為基礎，通過加入低溫早強劑、膠凝強度促進劑等手段來改善水泥漿體系的早期強度和防竄性能。而常規固井水泥在低溫下的水化和硬化能力很弱，所以深水低溫固井既要解決低溫下長稠化時間問題，又要解決水泥漿稠化時間和水泥石早期強度的協調問題，這就為低溫早強水泥漿體系的開發提出了很大的挑戰。因此，研究適合深水固井的低溫早強水泥漿體系是很有必要的，其不僅為國內深水油氣井，而且也為淺層氣等中低溫條件下的固井工況提供必要的技術支持，在低溫油氣藏的開發上具有重要的意義。

1 深水低溫早強水泥漿體系的研究

本研究根據深水固井對水泥漿性能的要求，從工程應用角度出發，在選材時充分利用顆粒級配原理[2]，選用漂珠和微硅作為低密度水泥漿的減輕劑[3]，運用油井水泥凝結硬化理論、油井水泥外加劑作用機理、外加劑的協調原理，通過大量的實驗測試與分析調整，配制出了綜合工程性能較好的適合深水固井的新型低溫低密度防竄水泥漿體系。

1.1 水泥的優選

本文根據改性特種水泥中的硫鋁酸鈣和油井水泥中硅酸鈣水化相互促進的原理[4，5]，以G級油井水泥、改性特種水泥礦物熟料和石膏等為基本原料，通過它們之間復配的方式，提高G級油井水泥低溫水化、硬化能力，達到縮短侯凝時間，提高早期強度的目的。進而開發出適合深水固井的低溫固井水泥體系。

圖1對比了復配水泥和G級水泥凈漿（水灰比0.44）在常壓不同溫度下24h 抗壓強度。由圖可以明顯看出，復配水泥在4℃、10℃、20℃溫度條件下24h抗壓強度都遠遠大于G級水泥凈漿的抗壓強度，而且隨著溫度的降低，二者之間的相差倍數越大。所以可以證明復配水泥具有良好的低溫早強特性，非常適合深水低溫固井。

1.2 早強劑的研制

海洋深水固井要求水泥漿具有低溫早強特性，而現有早強促凝劑用于深水低溫早強水泥漿體系存在許多不足之處。針對這一問題，通過大量實驗，研制出水溶性無氯早強劑ZQ-A。ZQ-A 是一種復合型無氯早強劑，該早強劑可溶于水。其具有顯著的早期增強促凝作用效果，且溫度越低，早期增強促凝作用效果越顯著，水泥石養護齡期越短，水泥石抗壓強度增長程度越高。

1.2.1 早強劑ZQ-A對水泥石抗壓強度的影響

加入3%ZQ-A 在30℃∕14MPa 條件下抗壓強度情況。實驗選用G級油井水泥，水灰比為0.44的純水泥漿。抗壓強度實驗利用超聲波抗壓強度分析儀測試。

當G級水泥原漿中加入3%ZQ-A早強劑時，體系6h抗壓強度高達0.842MPa，比相同條件下G 級原漿抗壓強度提高了239.52%。由此可以證實：ZQ-A低溫早強劑對G級油井水泥具有良好的早強作用。

1.3 增強劑的研制

低密度水泥漿，由于外摻料比較多，作為膠結材料的水泥相對比例降低，使得水泥石的強度受到很大影響。在本論文的研究目標中，低密度水泥石的抗壓強度要達到7MPa以上，而一般低密度水泥漿的抗壓強度為3.5MPa 左右，因此，必須開發或配制出有效增強水泥石強度的外加劑。通過大量試驗開發了由偏高嶺土和超細水泥按不同比例復配的水泥漿增強劑ZQ-1。該復合增強劑ZQ-1 的組成為：偏高嶺土（MK）+超細水泥（CG）。實驗表明，當加入3%增強劑ZQ-1 后水泥漿體系的抗壓強度就能大幅度提高，并且隨著ZQ-1 的增加水泥漿體系表觀粘度基本沒有變化，而體系的切力適當增加，這樣有助于提高水泥漿體系的沉降穩定性能。

2 深水低溫早強水泥漿體系性能

根據實驗研究結果確定了深水低溫早強水泥漿體系的基本配方如表1所示。

2.1 水泥漿常規性能

表2為配方1～6的常規水泥漿性能試驗結果。其中抗壓強度測試在常壓水浴中養護24h 后進行，稠化實驗壓力在7MPa～10MPa，失水實驗在15℃下測定。

由表2可見，該低密度水泥漿具有良好的流變性能；水泥漿失水控制好，都小于50ml∕30min，有利于保護油氣層；水泥漿凝結過程中無游離液析出，漿柱的穩定性好；水泥漿稠化時間較適合深水固井施工要求；水泥石的抗壓強度達到施工要求。

圖1 不同溫度下養護24h水泥石抗壓強度對比圖

表1 水泥漿配方

表2 低密度水泥漿性能

3 結語

（1）論文根據目前深水固井水泥漿體系早強促凝存在的不足，研制出一種新型無氯水溶性早強劑ZQ-A。

（2）論文根據深水固井海底松軟底層固井問題，研制了密度1.35～1.45g∕cm3新型深水低溫早強低密度水泥漿體系。該體系也具有了好的防氣竄效果和綜合工程性能。體系穩定性好（無游離液、水泥柱密度分布均勻）、失水量低（＜50ml）、稠化時間可調且呈近直角稠化、抗壓強度高、非滲透性。