天然氣水合物層固井低熱水泥漿研究

許明標(biāo)，王曉亮 （長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100）

周建良，蔣世全 （中海油研究總院，北京100027）

王元慶 （中石油華北油田分公司采油工程研究院，河北 任丘062552）

朱榮東 （中海油研究總院，北京100027）

深水油氣資源被認(rèn)為是石油工業(yè)的一個(gè)重要前沿領(lǐng)地，深水、超深水油氣資源已成為美、英等西方發(fā)達(dá)國家競相開采的熱點(diǎn)。深水固井技術(shù)是深水油氣資源開采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，雖然近年來深水固井技術(shù)已有了長足發(fā)展，但是針對(duì)天然氣水合物層的深水固井技術(shù)還存在許多亟待解決的問題，這對(duì)天然氣水合物層固井水泥漿提出了更大的挑戰(zhàn)。

1 天然氣水合物層固井問題

深水泥線下地層中的天然氣水合物是一種在一定低溫高壓下由水和天然氣組成的類冰的、其遇火即可燃燒的穩(wěn)定存在的沉積物。在海洋深水表層固井過程中，由于固井水泥水化放熱的影響，井眼周圍環(huán)境溫度升高，這樣就改變了周圍水合物層的溫度條件，造成水合物的分解。天然氣水合物的分解可以產(chǎn)生170多倍體積增加的變化，釋放出的大量氣體會(huì)侵入水泥漿內(nèi)，一方面將導(dǎo)致本已膠結(jié)良好的水泥環(huán)與井壁之間出現(xiàn)微環(huán)空等固井質(zhì)量下降問題，且氣體不斷地向上噴發(fā)，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的事故；另一方面水合物的分解將導(dǎo)致該區(qū)域地層的不穩(wěn)定，如果發(fā)生塌陷的現(xiàn)象，會(huì)破壞整個(gè)層位，形成惡性循環(huán)，使周圍的水合物全部分解，最終導(dǎo)致固井的失敗等一系列問題。因此在固井過程中需要降低水泥漿水化放熱量，控制和消除由天然氣水合物的分解對(duì)固井質(zhì)量的影響，同時(shí)水泥漿其他性能要滿足或超過深水固井的需要，使水泥漿具有低熱、低溫早強(qiáng)和防氣竄等特性，形成一套能夠在水合物層的低溫環(huán)境下高效封固表層的低熱硅酸鹽水泥漿體系。

2 低熱水泥漿室內(nèi)研究

2.1 低熱水泥國家標(biāo)準(zhǔn)

GB 200—2003將低熱水泥定義為以適當(dāng)成分的硅酸鹽水泥熟料，加入適量石膏，磨細(xì)制成的具有低水化熱的水硬性膠凝材料，稱為低熱硅酸鹽水泥 （簡稱低熱水泥，代號(hào)為PLH），低熱水泥3d的水化熱應(yīng)不大于230J/g。

2.2 低熱水泥漿設(shè)計(jì)原理

低熱水泥漿設(shè)計(jì)原理是在水泥漿中添加放熱平衡抑制材料，通過平衡抑制放熱材料吸收水泥漿水化過程中所放出的熱量，使水泥漿水化過程不能形成明顯的熱量釋放，以達(dá)到降低水化熱的目的，同時(shí)水泥漿其他性能要滿足或超過深水固井的需要。

2.3 低熱水泥漿試驗(yàn)方法

參照深水固井試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)API 10B－3－2004制備水泥漿并測定水泥漿的性能，參照GB/T 12959—2008《水泥水化熱測定方法》直接法測量水泥漿水化熱。

2.4 放熱平衡抑制劑

放熱平衡抑制劑是一種能平衡抑制放熱的水泥漿外加劑，它能夠吸收水化放熱產(chǎn)生的熱量，平衡抑制放熱，將水泥漿溫度控制在一定范圍內(nèi)，能盡量保證水合物層的穩(wěn)定，保證固井質(zhì)量。目前國內(nèi)還沒有在深海表層套管固井中使用放熱平衡抑制劑或者類似作用的外加劑，但是隨著我國深海鉆井深度的增加和鉆井?dāng)?shù)量的增加，鉆遇水合物層的幾率也會(huì)越來越大，所以必須找到一種合適的放熱平衡抑制劑加入到深水表層套管的固井水泥漿體系中，這種放熱平衡抑制劑要具備以下的特性：①吸熱能力強(qiáng)，比熱大，相變熱大；②與水泥漿體系配伍；③對(duì)水泥漿的強(qiáng)度沒有影響或者能增加強(qiáng)度；④對(duì)水泥漿的其他性能沒有大的影響。

篩選了大量的單獨(dú)物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)都很難滿足要求，將具有所需要特性的物質(zhì)進(jìn)行了復(fù)配及合成，自發(fā)研制和優(yōu)選放熱平衡抑制劑，表1是放熱平衡抑制劑的篩選試驗(yàn)結(jié)果?；九浞剑?00%G級(jí)水泥＋64%海水＋10%PF增強(qiáng)劑＋6%超細(xì)水泥＋10%國產(chǎn)漂珠＋1.6%ACC促凝劑＋4%CG88L降失水劑＋3%CF415L分散劑＋1%CX66L消泡劑＋12%放熱平衡抑制劑 （100目）（配方中的百分?jǐn)?shù)均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）。

表1 不同放熱平衡抑制劑對(duì)水泥漿的影響

從表1可以看出C14和C16這2種物質(zhì)的吸熱能力最強(qiáng)，能夠很好地吸收水泥漿水化產(chǎn)生的熱量，平衡熱量，控制溫度上升速度和溫度上限，其3d水化熱小于230J/g，但是C14在低溫下對(duì)水泥石的強(qiáng)度有降低的趨勢，C16對(duì)水泥石的強(qiáng)度有提高的作用，因此C16是最理想的放熱平衡抑制劑。

表2是對(duì)C16加入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)?；九浞剑?00%G級(jí)水泥＋64%海水＋10%增強(qiáng)劑PF＋6%超細(xì)水泥＋10%國產(chǎn)漂珠＋1.6%促凝劑ACC＋4%降失水劑CG88L＋3%分散劑CF415L＋1%消泡劑CX66L＋放熱平衡抑制劑C16。

表2 C16對(duì)水泥漿性能的影響

由表2可以看出，隨著C16質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其放熱平衡抑制能力越強(qiáng)，水泥石的強(qiáng)度隨之增強(qiáng)，但是水泥漿的稠度也越來越大；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的時(shí)候，水泥漿的稠度適中，強(qiáng)度也比較大，因此推薦C16質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%。

2.5 低熱水泥漿體系性能

海洋深水表層固井作業(yè)環(huán)境具有低溫、低地層破裂壓力以及存在天然氣水合物等突出問題，室內(nèi)在考察低熱水泥漿性能時(shí)，需考慮水泥漿在溫度范圍3～25℃間性能變化情況。為了解深水水泥漿的性能隨溫度變化規(guī)律，室內(nèi)對(duì)不同密度的水泥漿在7、10、20℃的常規(guī)性能進(jìn)行了測試，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

1）密度為1.30g/cm3的水泥漿配方：100%G級(jí)水泥＋82%海水＋10%PF增強(qiáng)劑＋6%超細(xì)水泥＋20%國產(chǎn)漂珠＋1.6%ACC促凝劑＋4%CG88L降失水劑＋3%CF415L分散劑＋1%CX66L消泡劑＋12%放熱平衡抑制劑。

2）密度為1.40g/cm3的水泥漿配方：100%G級(jí)水泥＋77%海水＋10%PF增強(qiáng)劑＋6%超細(xì)水泥＋13%國產(chǎn)漂珠＋1.6%ACC促凝劑＋4%CG88L降失水劑＋3%CF415L分散劑＋1%CX66L消泡劑＋12%放熱平衡抑制劑。

3）密度為1.50g/cm3的水泥漿配方：100%G級(jí)水泥＋64%海水＋10%PF增強(qiáng)劑＋6%超細(xì)水泥＋10%國產(chǎn)漂珠＋1.6%ACC促凝劑＋4%CG88L降失水劑＋3%CF415L分散劑＋1%CX66L消泡劑＋12%放熱平衡抑制劑。

4）密度為1.60g/cm3的水泥漿配方：100%G級(jí)水泥＋54%海水＋10%PF增強(qiáng)劑＋6%超細(xì)水泥＋10%國產(chǎn)漂珠＋1.6%ACC促凝劑＋4%CG88L降失水劑＋3%CF415L分散劑＋1%CX66L消泡劑＋12%放熱平衡抑制劑。

表3 低熱水泥漿體系性能

從表3可以看出：①在不同低溫環(huán)境，不同密度水泥漿的3d水化熱均小于230J/g，水泥漿體系具有良好的低熱性能，放熱平衡抑制劑能很好地吸收水泥漿水化產(chǎn)生的熱量，平衡熱量，控制溫度上升速度和溫度上限，有效地控制和消除天然氣水合物的分解，提高了天然氣水合物層的固井質(zhì)量。②水泥漿的密度和養(yǎng)護(hù)溫度影響固化后水泥石的抗壓強(qiáng)度，水泥漿低溫水浴養(yǎng)護(hù)24h，水泥石抗壓強(qiáng)度均大于3.5MPa，并且隨水泥漿密度的升高和養(yǎng)護(hù)溫度的升高均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，說明了低熱水泥漿體系具有較好的低溫強(qiáng)度發(fā)展性能，能滿足深水固井作業(yè)要求。③水泥漿的稠化過渡時(shí)間是指水泥漿在一定溫度與壓力下由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)這一過程 （通常指水泥漿稠度由30Bc過渡到100Bc）所經(jīng)歷的時(shí)間，它能客觀反映低溫低密度水泥漿抵抗氣水流體竄的能力，稠化過渡時(shí)間越短抗流體竄的能力就越強(qiáng)。水泥漿在7、10、20℃均能夠有效地稠化，稠化過渡時(shí)間均在39～60min之間，這說明低熱水泥漿體系能一定程度上防止由小部分天然氣水合物分解導(dǎo)致的氣水流體侵入水泥環(huán)，具有抵抗氣水流體竄的能力。

3 結(jié)論

1）固井過程中如何降低水泥漿的水化放熱，保證天然氣水合物不分解是天然氣水合物層固井的關(guān)鍵。

2）水泥漿中放熱平衡抑制材料可以降低水泥漿水化熱。放熱平衡抑制劑C16在低溫下能很好地吸收水泥水化產(chǎn)生的熱量，并能將溫度控制在一定的溫度以下，有效地防止水合物吸熱分解，提高在天然氣水合物層的固井質(zhì)量。

3）確立了一套可適于天然氣水合物層固井的低熱水泥漿體系，其在低溫環(huán)境下具有低水化熱、高早期強(qiáng)度、低濾失量以及良好的流變和稠化等特性，能夠滿足海洋深水天然氣水合物層固井作業(yè)要求。

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