深水表層套管固井水泥漿體系的研制及應(yīng)用＊

劉 科 王清順 蔣世全 周建良

（1.國(guó)家海洋局； 2.中海油田服務(wù)股份有限公司； 3.中海油研究總院）

目前，世界各國(guó)都在加緊深水油氣資源的勘探開發(fā)。深水區(qū)域的鉆井作業(yè)面臨諸多挑戰(zhàn)，特別是表層鉆井作業(yè)，如低溫、淺層流、地層破裂壓力低等［1－3］，這對(duì)固井水泥漿，特別是表層固井水泥漿，提出了特殊要求。表層固井水泥漿不僅要在低溫低密度的情況下能較快凝固以滿足支撐套管的需要，還要能有效防止淺層流等帶來(lái)的危害。目前，國(guó)內(nèi)深水表層水泥漿體系的研究應(yīng)用尚處于起步階段，而國(guó)外用于深水表層鉆井作業(yè)的水泥漿體系主要是泡沫水泥漿和優(yōu)化顆粒級(jí)配水泥漿兩大類，其中泡沫水泥漿體系存在設(shè)備和操作復(fù)雜、體系配伍性差等缺點(diǎn)［4－6］。因此，近年來(lái)優(yōu)化顆粒級(jí)配水泥漿體系得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。為了適應(yīng)國(guó)際深水表層水泥漿體系的發(fā)展趨勢(shì)，筆者根據(jù)緊密堆積理論，研制出了一套優(yōu)化顆粒級(jí)配的深水低溫低密度水泥漿體系，并進(jìn)行了室內(nèi)性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)初步應(yīng)用，可滿足我國(guó)進(jìn)軍深水油氣勘探開發(fā)的需求。

1 深水表層套管固井水泥漿體系研制

根據(jù)深水鉆井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，深水海底溫度一般在3～4℃；表層所需水泥漿密度可達(dá)1.50 g/cm3，甚至更低；表層段水泥漿用量大，作業(yè)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)5～8 h，需要水泥漿的稠化時(shí)間足夠長(zhǎng)，以保證作業(yè)安全。在如此苛刻的條件下，水泥漿的抗壓強(qiáng)度還要在短時(shí)間內(nèi)滿足繼續(xù)鉆進(jìn)的要求（一般24 h內(nèi)達(dá)到3.5 MPa以上）［1，7］。

因此，在大量調(diào)研和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，水泥漿體系的設(shè)計(jì)原則如下：在優(yōu)選低溫水泥、減輕材料、低溫早強(qiáng)劑等關(guān)鍵材料的基礎(chǔ)上，利用顆粒級(jí)配原理，確定低溫水泥、減輕材料、填充顆粒等的最佳比例，使水泥漿中固相絕對(duì)體積達(dá)到最大，使顆粒間的孔隙降到最低，實(shí)現(xiàn)顆粒緊密堆積，從而提高水泥漿體系的性能。

1.1 低溫水泥優(yōu)選

室內(nèi)選擇硫鋁酸鹽和硅酸鹽兩大類水泥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從中優(yōu)選抗壓強(qiáng)度達(dá)標(biāo)、稠化時(shí)間滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求的水泥材料。低溫水泥優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 低溫水泥優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1中C－1～C－4號(hào)水泥為不同廠家生產(chǎn)的硫鋁酸鹽水泥，該類水泥在低溫下水化速度快、早期強(qiáng)度高，但存在流動(dòng)性差、稠化時(shí)間短、不易調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)；C－6為超細(xì)硅酸鹽水泥，其強(qiáng)度高但稠化時(shí)間偏短；C－5為普通硅酸鹽水泥，其低溫強(qiáng)度低；而LL－1為特種硅酸鹽水泥，其強(qiáng)度發(fā)展和稠化時(shí)間比較適中，因此選作深水表層套管固井水泥漿體系的基礎(chǔ)水泥。

1.2 減輕材料優(yōu)選

選擇幾種漂珠進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)比較，結(jié)果表明進(jìn)口玻璃微珠有很好的減輕性能和抗壓能力，但成本較高；而國(guó)產(chǎn)漂珠中P30在滿足減輕性能的同時(shí)，抗壓能力可達(dá)30 MPa，能夠滿足深水作業(yè)需求，因此選作深水表層套管固井水泥漿體系的減輕材料。圖1是國(guó)產(chǎn)普通漂珠和P30的500倍SEM掃描電鏡照片對(duì)比，可以看出，P30玻璃微珠比普通漂珠表面光滑，粒度分布均勻，有利于提高水泥漿整體性能。

圖1 國(guó)產(chǎn)普通漂珠（a）和P30玻璃微珠（b）的500倍SEM掃描電鏡照片

1.3 其他輔助外加劑研發(fā)和優(yōu)選

室內(nèi)對(duì)其他多種輔助外加劑進(jìn)行了研發(fā)和優(yōu)選，包括低溫早強(qiáng)劑、低溫降失水劑、分散劑、防竄劑等。最終選擇A20作為低溫早強(qiáng)劑，G80作為低溫降失水劑，F(xiàn)C12作為防竄劑，F(xiàn)41作為分散劑，其中，低溫早強(qiáng)劑A20由無(wú)機(jī)鹽和無(wú)機(jī)高分子聚合物復(fù)配，經(jīng)一定工藝生產(chǎn)而成；低溫降失水劑G80是由酰胺類和有機(jī)酸類單體等聚合而成；分散劑F41是醛酮聚合物；防竄劑FC12由纖維類材料組成。

2 深水表層套管固井水泥漿體系性能評(píng)價(jià)

深水表層水泥漿的室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)不同于常規(guī)水泥漿體系，需要測(cè)試水泥漿在低溫高壓下的性能，低溫是其中最關(guān)鍵的一個(gè)影響因素。本研究中低溫實(shí)驗(yàn)方法主要參考ISO10426－3《石油和天然氣工業(yè).油井固井用水泥和材料.第3部分：深水油井水泥成分的測(cè)試》，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定。

在前期大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了深水表層套管固井水泥漿體系的基礎(chǔ)組成材料。為方便海上作業(yè)，該水泥漿體系用海水配制，其基本組成為L(zhǎng)L－1低溫水泥＋漂珠P30＋低溫降失水劑G80＋低溫早強(qiáng)劑A20＋海水，根據(jù)實(shí)際需要可添加防竄劑FC12或分散劑F41等其他輔助外加劑。

2.1 輔助外加劑加量對(duì)水泥漿體系性能的影響

在確定了水泥漿體系的基本材料后，以配制密度1.50 g/cm3的水泥漿為例，評(píng)價(jià)了其中幾種外加劑加量對(duì)水泥漿性能的影響。

2.1.1 低溫早強(qiáng)劑加量對(duì)水泥漿體系性能的影響

室內(nèi)評(píng)價(jià)了低溫早強(qiáng)劑A20加量對(duì)水泥漿體系的稠化時(shí)間、低溫強(qiáng)度、流動(dòng)性等性能的影響。實(shí)驗(yàn)用水泥漿體系基本配方為100%LL－1水泥＋22%P30漂珠＋3%G80低溫降失水劑＋52%～55%海水＋低溫早強(qiáng)劑A20，評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。從表2可以看出，低溫早強(qiáng)劑A20對(duì)水泥漿體系有很好的促凝早強(qiáng)作用，且隨著A20加量的增加，水泥漿增稠，低溫強(qiáng)度增加。

表2 低溫早強(qiáng)劑A20加量對(duì)水泥漿體系性能影響評(píng)價(jià)

2.1.2 低溫降失水劑加量對(duì)水泥漿體系性能的影響

室內(nèi)評(píng)價(jià)了低溫降失水劑G80加量對(duì)水泥漿體系的失水量、低溫強(qiáng)度等性能的影響。實(shí)驗(yàn)用水泥漿體系基本配方為100%LL－1水泥＋22%P30漂珠＋50%～53%海水＋低溫降失水劑G80，評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。由表3可知，低溫降失水劑G80的加入能有效降低水泥漿體系的失水量，但隨著G80加量的增加，水泥漿體系稠化時(shí)間會(huì)有所延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度有所降低。

表3 降失水劑G80加量對(duì)水泥漿體系性能影響評(píng)價(jià)

2.1.3 防竄劑加量對(duì)水泥漿體系性能的影響

室內(nèi)評(píng)價(jià)了防竄劑FC12對(duì)水泥漿體系的稠化時(shí)間、低溫強(qiáng)度、失水量等性能的影響。實(shí)驗(yàn)用水泥漿體系基本配方為100%LL－1水泥＋22%P30漂珠＋3%G80降失水劑 ＋3%A20早強(qiáng)劑＋52%～55%海水＋防竄劑FC12，評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。由表4可知，防竄劑FC12的加入可以提高水泥石的早期強(qiáng)度，縮短了抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.35 MPa的時(shí)間，有利于防竄。同時(shí)，隨著防竄劑FC12加量的增加，抗壓強(qiáng)度增加，失水量減少，稠化時(shí)間縮短，水泥漿體系整體性能有所提高。

表4 防竄劑F12加量對(duì)水泥漿體系性能影響評(píng)價(jià)

2.2 水泥漿體系沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)GB/T 19139－2003油井水泥試驗(yàn)方法，對(duì)密度1.5 g/cm3和1.7 g/cm3的水泥漿體系進(jìn)行了沉降穩(wěn)定性室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。密度1.7 g/cm3水泥漿體系配方為100%LL－1＋5%P30＋3%G80＋4%A20＋61%海水＋FC12，密度1.5 g/cm3水泥漿體系配方為100%LL－1＋22%P30＋4%G80＋4%A20＋53%海水＋FC12，評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。由表5可知，新研制的低溫低密度水泥漿體系上下密度差小，沉降穩(wěn)定性良好。

表5 密度分別為1.5、1.7 g/cm3 水泥漿體系沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

2.3 水泥漿體系綜合性能評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)水泥漿體系的綜合性能，配制密度為1.5 g/cm3和1.7 g/cm3兩種水泥漿體系進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，主要對(duì)水泥漿體系的失水量、不同溫度的稠化時(shí)間、不同溫度的抗壓強(qiáng)度、游離液等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。密度1.7 g/cm3水泥漿體系配方為100%LL－1＋5%P30＋3%G80＋4%A20＋2.5%FC12＋61%海水，密度1.5 g/cm3水泥漿體系配方為100%LL－1＋22%P30＋4%G80＋4%A20＋6%FC12＋53%海水，評(píng)價(jià)結(jié)果見表6。由表6可知，新研制的低溫低密度水泥漿體系符合API RP65的規(guī)定，綜合性能良好，能夠滿足深水表層套管固井作業(yè)的需要。

表6 水泥漿體系綜合性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

南海某井水深497 m，表層φ508 mm套管下深700 m，使用新研制的水泥漿體系（基本性能見表7），采用首尾漿的方式，共泵入水泥漿223 m3，水泥漿返至泥線，最終固井作業(yè)獲得了成功，固井質(zhì)量良好（圖2）。

表7 南海某深水井設(shè)計(jì)水泥漿體系性能

圖2 南海某深水井表層套管泥線附近測(cè)井曲線

4 結(jié)論

（1）研制了一套低溫低密度水泥漿體系，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明該體系具有低溫強(qiáng)度高、稠化時(shí)間易于調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。

（2）新研制的水泥漿體系在南海某深水井固井中初步成功應(yīng)用，固井質(zhì)量良好，表明該體系基本達(dá)到了深水表層套管固井作業(yè)的要求。

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