一套適用于墨西哥灣的廣密度水泥漿技術的研究與應用

馮建建

（中海油田服務股份有限公司，河北三河 065201）

引言

墨西哥海上淺水固井作業，在三開以后通常使用1.90～2.15 g.cm-3密度范圍內的高溫水泥漿體系進行作業；墨西哥海上淺水主要區塊如Cantarell, Ku Maloob Zaap, Abkatun PoL Chuc, Litoral de Tabasco等分布范圍廣[1-4]，材料運輸時間長，通過陸路、海運等交通運輸工具，將水泥或混杰(水泥、微硅、硅粉等固體材料的混合物) 從卡門基地運輸到平臺通常需要3～5 d，因此現場作業用水泥漿配方一般提前7～10 d 確認并開始將水泥、硅粉、微硅等固體材料混配為混杰；而由于受六千萬年前小行星撞擊影響，墨西哥灣天然裂縫發育嚴重，地層脆弱，鉆井過程中容易發生漏失、氣竄等復雜情況[5]，因此需要根據現場作業需求臨時調整鉆井液及水泥漿密度，而由于水泥漿配方已提前確定，混杰已混配完畢，如果因為水泥漿密度調整改變配方設計，通常需要重新混配混杰，嚴重影響作業時效并提高作業成本。

因此，本研究旨在開發一套適用于1.90～2.15 g.cm-3密度范圍內的廣密度水泥漿技術，使用同一混杰，通過調整液體添加劑類型及加量，使水泥漿在1.90～2.15 g.cm-3密度范圍內性能可調，滿足現場作業中因鉆進中突發復雜情況產生的密度調整需求。

1 技術難點

（1） 研究的觀密度水泥漿技術要求使用同一混杰，水泥漿密度在1.90～2.15 g.cm-3范圍內可調，而目前使用的常規水泥漿，使用同一混杰，密度可調范圍小，一般小于0.1 g.cm-3。

（2） 研究的廣密度水泥漿技術要求同時涵蓋常規密度水泥漿（1.90～2.00 g.cm-3）及高密度水泥漿（2.00～2.15 g.cm-3），常規密度水泥漿最高密度僅能達到2.00 g.cm-3，對于2.00 g.cm-3以上的高密度水泥漿需要使用鐵礦粉等加重劑才能同時兼顧水泥漿性能及密度要求；若在混杰中加入加重劑，1.90 g.cm-3的常規密度下，水泥漿會粘度低，懸浮性差，加重劑等高密度材料出現沉降，造成水泥漿沉降穩定性差，且在高溫下更加明顯。

使用同一混杰，在較低密度（例如1.90 g.cm-3）時，由于水泥漿中水含量高，水泥含量低，即水杰比高，水泥漿有良好的流變性，但穩定性差；而在較高密度（例如2.15 g.cm-3）時，由于水泥漿中水含量低，水泥含量高，即水杰比低，水泥漿一般具有良好的穩定性，但流變性差。因此，保證混杰中各固相材料比例不變，通過調節液體添加劑及需水量，使用同一混杰在廣密度范圍（1.90～2.15 g.cm-3）內密度可調，且滿足技術要求，主要技術難點在于解決較低密度水泥漿的穩定性及較高密度水泥漿的流變性。

2 設計思路

高溫水泥漿體系的組成復雜，影響水泥漿體系性能的主要因素包括水泥、外摻料、添加劑等。

2.1 水泥的選擇

作為水泥漿中最主要組分，水泥對水泥漿的物理化學性能起決定性作用。目前固井作業中常用高抗硫酸鹽水泥主要為G 級水泥和H 級水泥，二者基本化學組成一致，區別為水泥顆粒粒徑不同，見表1。在不加添加劑、相同水杰比條件下，由于H 級水泥顆粒粗，比表面積小，因此水化需水量小，剩余自由水含量高，水泥漿稠度低，流動能力強；為保證水泥漿流變性一致，H 級水泥配置的水泥漿密度需更高，詳見表2。可以發現，H 級水泥配置的1.98 g.cm-3的水泥漿與G 級水泥配置的1.90 g.cm-3水泥漿流變性能一致。說明同等流變性或可泵送性能條件下，H 級水泥配置的水泥漿密度更高。因此，在不加加重劑且保證水泥漿流變性能良好條件下，為提高水泥漿最高可配密度，在本體系中選擇使用H 級水泥。

表1 H 級水泥與G 級水泥粒度對比

表2 相同流動度下G 級與H 級水泥配置水泥漿的密度及水杰比對比

2.2 外摻料的選擇

根據墨西哥淺水地層特點，本水泥漿體系主要應用于超過110 ℃的高溫地層固井作業，為防止水泥漿膠凝硬化后形成水泥石在高溫下發生強度衰退，需在水泥漿中加入35%～40%水泥重量百分比（BWOC）的硅粉[6]，本技術中選擇硅粉加量為40%。為保證較高密度水泥漿的流變性，選擇使用100 目及200 目兩種粗顆粒的硅粉搭配使用，且顆粒級配優選最優配比。同時為保證水泥漿的穩定性及防氣竄能力，通常在水泥漿中加入少量微硅，本技術選擇加量5%。

通過表3 可以看出，在配方2 中，密度為2.15 g.cm-3的水泥漿具有良好的流動性及穩定性，因此選擇水泥、微硅、100 目硅粉、200 目硅粉四者的比例為100:5:30:10 作為廣密度水泥漿體系固相混杰的基本組成。

表3 100 目與200 目硅粉不同配比對水泥漿流變及穩定性的影響（水泥漿密度2.15 g·cm-3）

2.3 液體添加劑的選擇

使用粗顆粒的H 級水泥及硅粉，可以顯著提高較高密度時水泥漿的流變性，但會降低密度較低時水泥漿的穩定性。同時，由于H 級水泥顆粒粗，液相粘度低，導致水泥漿懸浮能力差，低溫下由于水泥顆粒間膠接力強，分子間粘滯力高，較低密度水泥漿穩定性差的缺點表現的不明顯。而在高溫下，由于水泥顆粒間膠結結構遭到破壞，分子間粘滯力降低，導致水泥漿高溫穩定性差、沉降嚴重[7]。由于液體添加的種類及加量可根據水泥漿性能要求進行調整，因此如何選擇合適的液體添加劑，提高水泥漿穩定性，解決H 級水泥漿高溫下穩定性差的問題，顯得尤為重要。

液體添加劑劑中降失水劑、懸浮穩定劑等可顯著提高水泥漿的穩定性，但由于其化學組成一般為高分子聚合物，低溫下增粘作用顯著，但在高溫下，由于聚合物分子運動加劇及分子鏈收縮，聚合物對水泥顆粒的吸附及聚合物分子間的相互作用力減弱，水泥漿粘度及懸浮能力下降，造成體系不穩定加劇，見圖1。為提高水泥漿高溫穩定性，通常方法為在水泥漿中增加聚合物材料加量，以抵消高溫下聚合物懸浮穩定能力減弱的的缺點，但高濃度的聚合物會導致水泥漿常溫下粘度過高，產生較高的摩擦阻力，影響水泥漿常溫下的正常的泵送，同時增大井底靜液柱壓力，易壓漏薄弱地層，造成水泥漿漏失，嚴重影響固井質量。為解決該問題，本研究中使用以固體顆粒懸浮于油外相形式存在的降失水劑、懸浮穩定劑等高分子聚合物材料，而非傳統的直接以水溶液形式存在的聚合物材料。其優點是：聚合物以固相形式存在，低溫下在混配混合水過程中由于分子量大，不能迅速溶解，混合水液相粘度低，使水泥漿在低溫下保持較低的粘度，便于泵送。當水泥漿通過井口進入井筒后隨著地層溫度升高，固相聚合物材料逐漸溶解，水泥漿粘度相應升高，抵消了由于溫度升高導致的水泥漿粘度降低、體系不穩定的缺點，同時保證水泥漿在低溫下的順利泵送及高溫下的穩定性，見圖2。

圖1 水溶液聚合物類添加劑水泥漿稠度隨溫度升高的變化情況

圖2 固相油懸浮聚合物添加劑水泥漿稠度隨溫度升高的變化情況

通過圖1、圖2 對比可以看出，水溶液聚合物添加劑水泥漿，低溫下初始稠度高（20BC），隨溫度升高逐漸降至最低（7BC），體系穩定性變差; 固相油懸浮聚合物添加劑水泥漿，低溫下初始稠度低（11BC）,但隨溫度升高稠度反而逐漸增大，說明固體聚合物材料開始溶解，稠度增大到一定稠度時（21BC）略有下降并保持穩定，這是由于高分子聚合物完全溶解，而溫度繼續升高，在一定程度上降低水泥漿粘度，但水泥漿最終稠度為16BC,高于水溶液聚合物添加劑水泥漿的最終稠度，說明固相油懸浮聚合物添加劑水泥漿的低溫流動性及高溫穩定性均優于水溶液聚合物添加劑水泥漿。

3 水泥漿性能和特點

3.1 水泥漿性能

通過大量室內實驗進行添加劑篩選及配方優化，開發出了滿足要求的水泥漿體系，使用同一混杰，通過調整液體添加劑加量，配置了1.90 g.cm-3、2.00 g.cm-3、2.15 g.cm-3三種有代表性低、中、高密度的水泥漿，性能良好，能夠滿足現場作業要求，見表4。

表4 相同混杰配置的不同密度水泥漿的性能

1.90 g.cm-3配方：100% BWOC H 級水泥+5%BWOC 微硅+30% BWOC 硅粉100 目+10% BWOC硅粉200 目+0.4% BWOC 消泡劑+0.1% BWOC 分散劑+2.5% BWOC 降失水劑+0.7% BWOC 懸浮穩定劑+0.8% BWOC 緩凝劑+2.0% BWOC 防氣竄劑。

2.00 g.cm-3配方：100% BWOC H 級水泥+5%BWOC 微硅+30% BWOC 硅粉100 目+10% BWOC硅粉200 目+0.5% BWOC 消泡劑+0.5% BWOC 分散劑+2.0% BWOC 降失水劑+0.02% BWOC 懸浮穩定劑+1.0% BWOC 緩凝劑+2.0% BWOC 防氣竄劑。

2.15 g.cm-3配方：100% BWOC H 級水泥+5%BWOC 微硅+30% BWOC 硅粉100 目+10% BWOC硅粉200 目+0.4% BWOC 消泡劑+1.0% BWOC 分散劑+1.2% BWOC 降失水劑+1.8% BWOC 緩凝劑+2.0% BWOC 防氣竄劑。

3.2 水泥漿特點

開發的廣密度水泥漿，在不加加重劑的情況下，最高密度可達2.15 g.cm-3。該技術具有混杰簡單，同一混杰可調密度范圍廣等優點，在現場施工過程中因遇到漏失、氣竄等復雜井況時，可滿足水泥漿密度及性能實時調整的要求，見表5。

表5 廣密度水泥漿與傳統水泥漿對比

3.3 現場應用

在墨西哥灣1.90～2.15 g.cm-3密度范圍的水泥漿廣泛應用于套管及尾管固井作業，目前該技術已經在墨西哥應用48 口井，多次解決因漏失或氣竄造成的水泥漿密度臨時調整的突發情況，現場應用效果良好。

例如ONEL-71 井9 5/8" 技術套管固井作業，設計鉆深為4 856 m，井底溫度140 ℃，作業前水泥漿的設計密度為2.10 g·cm-3，因鉆進過程中發生漏失，現場采取降低泥漿密度的措施來降低循環當量密度，減少漏失。甲方要求修改固井設計，將水泥漿密度由原先設計的2.10 g·cm-3降至2.00 g·cm-3，由于已經按照2.10 g·cm-3密度設計水泥漿，完成混杰并送至平臺，如果使用傳統水泥漿，需要陸地重新設計水泥漿，重新混杰并送至平臺，會耽誤4～5 d 的作業時間，產生幾十萬美元損失。得益于研發的廣密度水泥漿技術，實驗室利用現場混杰及添加劑，用1 d 時間臨時更改配方并調節出滿足現場要求的性能，保證了現場作業的順利實施，且固井質量優良。

4 結論

針對墨西哥淺水作業因地層復雜情況頻發導致的水泥漿密度需臨時調整技術難點，通過針對性研究，開發了一套無加重劑的廣密度水泥漿技術，具有同一混杰可調密度范圍廣、無需使用加重劑、成本低等優點，在墨西哥海上淺水固井作業中廣泛推廣應用，多次解決現場復雜情況，提高了鉆井時效，取得了良好的經濟效益。