深水表層固井水泥漿體系的優(yōu)選

廖易波 李望軍 范鵬 劉玉杰 陸永偉 閆許峰

【摘 要】最近幾年中，深水油氣發(fā)現(xiàn)占全球油氣發(fā)現(xiàn)總量逐步增大，深水油氣資源已成為未來全球石油戰(zhàn)略接替的重點(diǎn)，為更好地促進(jìn)我國深水固井技術(shù)的發(fā)展，筆者團(tuán)隊(duì)結(jié)合室內(nèi)研究與現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，總結(jié)了一套適用于超水表層固井的低密全液早強(qiáng)水泥漿體系。該水泥漿體系配方簡單，采用全液體添加劑，成本低，具有良好的流變性能、防氣竄性能及沉降穩(wěn)定性。該體系低溫下水泥石強(qiáng)度發(fā)展好，具有較高的抗壓強(qiáng)度，控失水性能強(qiáng)。目前該低密全液早強(qiáng)水泥漿體系成功應(yīng)用于南海多口深水井中，現(xiàn)場應(yīng)用表明：該體系現(xiàn)場易配漿，漿體流動(dòng)性良好，水泥漿氣泡少，現(xiàn)場操作方便，固井作業(yè)時(shí)未發(fā)現(xiàn)淺層氣竄漏，滿足后續(xù)施工要求。

【關(guān)鍵詞】深水;低密度;全液體;早強(qiáng);水泥漿體系

中圖分類號(hào)：TE256.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）23-0005-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.002

【Abstract】In recent years， Deepwater oil and gas resources have become the focus of future global petroleum strategic succession due to the gradual increasing of deepwater oil and gas discoveries in global oil and gas discoveries. In order to better promote the development of deepwater cementing technology in China， we combined field application with indoor research， and a set of low-density full-liquid early-strength cement slurry system suitable for deepwater surface cementing is summarized. The cement slurry system has a simple formulation， adopts full liquid additives， has low cost， and has good rheological property， anti-gas enthalpy performance， sedimentation stability. The strength of the cement stone is good at low temperature， and it has high compressive strength and strong water loss control performance. At present， the low-density all-liquid ?early-strength cement slurry system has been successfully applied to several deepwater wells in the South China Sea. The field application shows that the system is easy to be prepared， the slurry has good fluidity， few bubbles， and the operation is convenient on site. No shallow gas leakage is found during cementing operations， which meets the requirements of subsequent construction.

【Key words】Deep water; Low-density; All-liquid; Early-strength; Cement slurry system

0 前言

當(dāng)前，全球的油氣消費(fèi)量以較快的速度增長，全球油氣增長乏力，世界石油工業(yè)正面臨著極大的挑戰(zhàn)[1]。最近幾年中，深水油氣發(fā)現(xiàn)占全球油氣發(fā)現(xiàn)總量比重逐步增大，深水油氣資源已成為未來全球石油戰(zhàn)略接替的重點(diǎn)[2]。我國南海海域及南沙群島附近海域蘊(yùn)藏著豐富的深水油氣資源，向深水石油進(jìn)軍已成為我國海洋油氣勘探開發(fā)的戰(zhàn)略目標(biāo)[3-4]。

目前深水是指水深在500m～1500m海域，水深超過1500m成為超深水。由于深水環(huán)境和淺部地層復(fù)雜情況的影響，深水固井難度也越來越大。深水固井（特別是表層固井）與常規(guī)固井相比，主要面臨以下幾個(gè)問題[5-6]：（1）低溫：一般地，深水海底溫度約為4℃左右，如此低的溫度將嚴(yán)重影響水泥石強(qiáng)度發(fā)展，使水泥漿長期處于膠凝失重狀態(tài)。同時(shí)，低溫易導(dǎo)致稠化時(shí)間過渡時(shí)間長，難以獲得較好的稠化曲線。此外，低溫會(huì)使水泥漿稠度增加，流動(dòng)阻力變大，不利于水泥漿頂替。（2）松軟地層：松軟地層的孔隙壓力與破碎壓力間“窗口”窄，并且與水深呈正相關(guān)。水泥環(huán)與松軟地層間膠結(jié)能力弱，容易為潛存的地層流體提供竄流通道。（3）淺層流：淺層流被認(rèn)為是深水固井中最具挑戰(zhàn)性的因素。淺層流和低溫、低密度聯(lián)合作用，使固井竄流風(fēng)險(xiǎn)更高。（4）費(fèi)用高：隨著海洋石油不斷向深水發(fā)展，低溫和低密度水泥漿會(huì)大幅度延長水泥漿侯凝時(shí)間，距離和氣候等因素使后勤供應(yīng)變得更加困難。（5）平臺(tái)灰罐受限，現(xiàn)場作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，采用以漂珠為減輕材料的低密度體系成本高。采用液體減輕劑的優(yōu)點(diǎn)為：為可用于LAS（全液體添加劑系統(tǒng)），高水灰比水泥消耗少，全液化后減輕現(xiàn)場作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)體系成本低。

為更好地促進(jìn)我國深水固井技術(shù)的發(fā)展，筆者團(tuán)隊(duì)結(jié)合室內(nèi)研究與現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，對(duì)最近幾年使用過的深水、深水表層固井水泥漿體系[7]進(jìn)行了優(yōu)化對(duì)比，總結(jié)了一套適合深水表層固井的低密全液早強(qiáng)水泥漿體系。

1 液體減輕劑PC-81L

液體減輕劑PC-81L是中海油服針對(duì)膨潤土低密度水泥漿體系和漂珠低密度水泥漿體系在深水表層固井中使用的局限性，自研的一種新型液體減輕材料，主要具有以下特點(diǎn)：（1）PC-81L作為減輕劑對(duì)水泥漿具有密度調(diào)節(jié)作用，可在1.30～1.70g/cm3之間調(diào)節(jié)水泥漿的密度;（2）PC-81L具有高懸浮性，最高可懸浮水灰比為2的水泥漿;（3）PC-81L具有增強(qiáng)作用，不但可以作為低密度水泥漿中的減輕劑，還可以作為增強(qiáng)劑應(yīng)用于常規(guī)密度漿體中;（4）PC-81L具有促凝作用，可在深水低溫環(huán)境下縮短水泥漿稠化時(shí)間。

2 低密全液早強(qiáng)水泥漿體系的性能

2.1 密度為1.50g/cm3的低密全液早強(qiáng)水泥漿的組成及性能

低密全液早強(qiáng)水泥漿體系以液體減輕劑為主劑，輔以相配伍的防氣竄降失水劑、液體早強(qiáng)劑、消泡劑、液硅以及納米硅配制而成。采用山東G級(jí)水泥，井底循環(huán)溫度（BHCT）為25℃，井底靜止壓力（BHP）為45MPa。水泥漿配方如下：

G級(jí)水泥+13%防竄增強(qiáng)劑+10%納米硅+7%降失水劑+6%液體早強(qiáng)劑+1%消泡劑+10%液體減輕劑98.15%海水，可以看出，低密全液早強(qiáng)水泥漿體系配方簡單，且全部為液體添加劑，成本低，漿體具體性能見表1。

從表1可以看出，低密全液早強(qiáng)水泥漿體系具有良好的流變性能、防氣竄性能及沉降穩(wěn)定性;低溫下水泥石強(qiáng)度發(fā)展好，具有良好的抗壓強(qiáng)度和控失水性能。

2.2 低密全液早強(qiáng)水泥漿體系的稠化時(shí)間可調(diào)性

改變液體早強(qiáng)劑的加量分別為2%、6%和10%，其余添加劑加量保持不變，得到不同早強(qiáng)劑加量下低密全液早強(qiáng)水泥漿體系稠化時(shí)間。如圖1、圖2、圖3和圖4所示，研究表明低密全液早強(qiáng)水泥漿體系的稠化時(shí)間可調(diào)性。

從圖4可以看出，低密全液早強(qiáng)水泥漿體系配方的稠化時(shí)間與液體早強(qiáng)劑加量成正相關(guān)，說明低密全液早強(qiáng)水泥漿體系的稠化時(shí)間可通過改變液體早強(qiáng)劑的加量來實(shí)現(xiàn)線性可調(diào)。此外，當(dāng)稠化試驗(yàn)溫度逐漸升高，將配方中的液體早強(qiáng)劑用緩凝劑代替，水泥漿稠化時(shí)間隨著緩凝劑加量呈正相關(guān)。

2.3 低密全液早強(qiáng)水泥漿體系的溫敏性研究

為了研究低密全液早強(qiáng)水泥漿體系對(duì)溫度的敏感性，進(jìn)行了上10℃、下10℃的溫度敏感性稠化試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果見圖5、圖6、圖7和圖8。

從圖5、圖6、圖7可以看出，低密全液早強(qiáng)水泥漿體系稠化曲線平穩(wěn)。從圖8可以看出，隨著試驗(yàn)溫度的升高，水泥漿稠化時(shí)間縮短;隨著試驗(yàn)溫度的降低，水泥漿稠化時(shí)間增加;沒有出現(xiàn)稠化時(shí)間突變的情況，說明低密全液早強(qiáng)水泥漿體系溫敏性較好。

室內(nèi)研究表明，當(dāng)稠化試驗(yàn)溫度低于10℃時(shí)，低密全液早強(qiáng)水泥漿體系的稠化時(shí)間會(huì)出現(xiàn)過渡時(shí)間長、不能達(dá)到100Bc等現(xiàn)象;當(dāng)稠化試驗(yàn)溫度超過90℃時(shí)，低密全液早強(qiáng)水泥漿體系的稠化時(shí)間會(huì)出現(xiàn)重復(fù)性差、不能做長等現(xiàn)象。因此，低密全液早強(qiáng)水泥漿體系在10～90℃的溫度范圍內(nèi)適用。

2.4 低密全液早強(qiáng)水泥漿體系靜膠凝過渡時(shí)間研究

為了研究低密全液早強(qiáng)水泥漿體系的防竄能力，筆者團(tuán)隊(duì)利用靜膠凝強(qiáng)度分析儀進(jìn)行靜膠凝過渡時(shí)間和UCA曲線的測定，如圖9。

從圖9可以看出，水泥漿配方的靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間為23min，說明低密全液早強(qiáng)水泥漿體系具有良好的防竄性能。此外，在低密全液早強(qiáng)水泥漿體系中增加納米硅的加量，會(huì)改善水泥漿的靜膠凝過渡時(shí)間[8-9]。

2.5 低密全液早強(qiáng)水泥漿體系的抗壓等級(jí)研究

為了研究低密全液早強(qiáng)水泥漿體系的抗壓能力，改變井底靜止壓力（BHP）為25MPa、65MPa，按照1h從室溫降溫至泥線溫度4℃，再1h升溫至井底循環(huán)溫度（BHCT）為25℃，然后再保溫保壓1h的方案模擬，之后再測量水泥漿密度，見表2。

從表2看出，低密全液早強(qiáng)水泥漿體系前后密度差為0，具有良好的抗壓能力[10]。

2.6 低密全液早強(qiáng)水泥漿體系的低溫強(qiáng)度性能研究

為了研究低密全液早強(qiáng)水泥漿體系在低溫下的強(qiáng)度發(fā)展情況，筆者團(tuán)隊(duì)分別模擬了4℃、8℃的情形進(jìn)行24h和48h水浴增壓強(qiáng)度模擬，具體結(jié)果見表3。

從表3看出，低密全液早強(qiáng)水泥漿體系在低溫條件下依然具有良好的水泥石強(qiáng)度，且隨著液體早強(qiáng)劑加量的增加，水泥石強(qiáng)度逐步增加，能夠滿足深水表層固井強(qiáng)度要求。

3 低密全液早強(qiáng)水泥漿體系的現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 井況信息

低密全液早強(qiáng)水泥漿體系首次在南海某井20”表層進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，該井水深985m為深水井，套管下深2025m，井底靜止溫度38℃，井底循環(huán)溫度28℃，領(lǐng)漿密度1.40g/cm3返至泥線位置

3.2 現(xiàn)場施工配方及性能

領(lǐng)漿配方為：G級(jí)水泥+146%海水+0.5%消泡劑+6%液體早強(qiáng)劑+15%液體減輕劑+6%降失水劑+10%防竄增強(qiáng)劑。

3.3 現(xiàn)場施工結(jié)果

施工配方在現(xiàn)場性能良好，施工后可觀察到水泥漿返到泥線;現(xiàn)場在靜止溫度條件下養(yǎng)護(hù)的樣品強(qiáng)度發(fā)展快，滿足下部鉆井要求，建井中井口穩(wěn)定無下沉?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：該體系現(xiàn)場易配漿，密度均勻，漿體流動(dòng)性良好，氣泡少，現(xiàn)場操作方便。此外，固井作業(yè)時(shí)未發(fā)現(xiàn)淺層氣竄漏，滿足后續(xù)施工要求，計(jì)劃后期將大規(guī)模應(yīng)用于深水井中。

4 結(jié)論

（1）低密全液高早強(qiáng)水泥漿體系配方簡單、全液體添加劑、成本低。

（2）低密全液早強(qiáng)水泥漿體系具有良好的流變性能、良好的防氣竄性能和控失水性能;沉降穩(wěn)定性良好，抗壓能力較強(qiáng)，同時(shí)低溫下水泥石強(qiáng)度發(fā)展快，靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間短，具有較好的抗壓強(qiáng)度。

（3）低密全液早強(qiáng)水泥漿體系性能良好，可用于深水井及深水井表層固井作業(yè)。

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