超細(xì)“G”級(jí)油井水泥低溫低密度水泥漿研究

朱江林 李占東 韋江雄 何昱昌 謝曉庚

摘 要

針對(duì)海洋深水低溫、破裂壓力低等特點(diǎn)，通常要采用低密度水泥漿來(lái)封固深水表層;低溫環(huán)境下普通“G”級(jí)油井水泥水化速度緩慢或幾乎不進(jìn)行水化反應(yīng)，水泥石早期抗壓強(qiáng)度低且發(fā)展緩慢。為有效降低現(xiàn)場(chǎng)候凝時(shí)間，節(jié)約深水作業(yè)成本，開發(fā)了一套適用于深水表層固井用超細(xì)“G”級(jí)水泥用低溫低密度水泥漿。對(duì)水泥漿體系的設(shè)計(jì)原理與水泥漿組分進(jìn)行了論述，并對(duì)該水泥漿體系在深水環(huán)境下的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，和中海油服現(xiàn)場(chǎng)在用的普通“G”級(jí)油井硅酸鹽水泥漿體系進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，超細(xì)“G”級(jí)水泥低溫低密度水泥漿體系在低溫環(huán)境下具有較高早期強(qiáng)度、低失水量以及良好的流變性和稠化性能，其中密度為1.40g/cm3及1.44g/cm3的水泥漿在10～13℃溫度下的稠化時(shí)間≥8hr，API失水<70mL，1.40g/cm3水泥石在10℃及13℃溫度下養(yǎng)護(hù)24h后的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到3.9MPa及5.4MPa;1.44g/cm3水泥石在10℃及13℃溫度下養(yǎng)護(hù)24h后的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到可達(dá)到5.8MPa及8.3MPa。同等水泥石密度及溫度下，超細(xì)”G”級(jí)水泥石24h強(qiáng)度較中海油服在用的普通“G”級(jí)油井硅酸鹽水泥石強(qiáng)度提高40%以上。

關(guān)鍵詞

深水;固井;水泥漿;低溫;低密度;抗壓強(qiáng)度;超細(xì)“G”級(jí)油井水泥

中圖分類號(hào)： TE256.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.001

0 引言

海洋深水石油開發(fā)是中國(guó)未來(lái)相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)石油資源開發(fā)的重要領(lǐng)域，而低溫固井是其中一項(xiàng)必不可少的重要和關(guān)鍵技術(shù)之一。海洋深水的特點(diǎn)是低溫、高壓，有時(shí)常常伴隨較低的地層破裂壓力、淺層流和天然氣水合物[1]。特別是在近似0℃的低溫環(huán)境下，普通“G”級(jí)油井水泥幾乎停止了水化、固化反應(yīng)，使鉆井作業(yè)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行[2-3]。中國(guó)南海某區(qū)塊水深達(dá)2437.5米時(shí)，表層鉆探的循環(huán)溫度僅有13℃左右，泥線溫度只有5℃左右，低溫環(huán)境下存在的主要問(wèn)題就是低溫延緩了油井水泥的水化，影響了水泥石強(qiáng)度的發(fā)展，若水泥水化速度緩慢或幾乎不進(jìn)行水化反應(yīng)，水泥石早期強(qiáng)度低，24h甚至48hr無(wú)法形成有效強(qiáng)度，作業(yè)無(wú)法順利進(jìn)行。

由于海底沉積巖層形成時(shí)間較短，缺乏足夠的上覆巖層，地層結(jié)構(gòu)疏松，破裂壓力較低，通常要采用低密度水泥漿來(lái)封固深水表層。不同深水地層的破裂壓力存在差異性，在固井時(shí)需針對(duì)封固地層的破裂壓力設(shè)計(jì)相應(yīng)的水泥漿密度，以達(dá)到最佳封固效果。本論文針對(duì)南海深水某A區(qū)塊，使用密度為1.40g/cm3及1.44 g/cm3的水泥漿，在10～13℃溫度下對(duì)體系的稠化、API失水、抗壓強(qiáng)度等性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)比同等水泥石密度及溫度下，超細(xì)G級(jí)油井水泥石強(qiáng)度，遠(yuǎn)高于在用普通“G”級(jí)油井硅酸鹽水泥石強(qiáng)度。通過(guò)論文研究，一方面解決了我國(guó)深水表層固井中的低溫問(wèn)題，保證了導(dǎo)管或套管水泥柱的低溫環(huán)境下的抗壓強(qiáng)度和固井質(zhì)量;另一方面也節(jié)約了固井等待時(shí)間，提高了深水鉆井船的使用效率，節(jié)省了深水鉆井船昂貴的租金。

1 水泥漿配方設(shè)計(jì)

1.1 水泥漿設(shè)計(jì)原理

1）水泥選擇：普通G級(jí)油井水泥應(yīng)用于深水環(huán)境面臨著諸多問(wèn)題，最為突出的是低溫、低密度條件下水泥石強(qiáng)度發(fā)展緩慢，存在長(zhǎng)時(shí)間難以固化現(xiàn)象[4-7]。要想最快、最大限度地提高水泥石的低溫高早強(qiáng)性能，主要因素還是在于水泥、配套外殘料及添加劑的選擇，但水泥是基礎(chǔ)和根本，優(yōu)選水泥是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。筆者最終優(yōu)選了800目的超細(xì)G級(jí)油井水泥，成分與普通G級(jí)油井水泥保持一致，唯一不同點(diǎn)是優(yōu)選了一種800目超細(xì)G級(jí)油井水泥代替了普通G級(jí)油井水泥（325目），超細(xì)材料的活性更高，早期低溫強(qiáng)度更優(yōu)。

2）使用低密度高性能減輕劑[8]：減輕劑能有效增加水泥等凝膠材料在水泥漿中所占比例。深水表層固井水泥漿受地層破裂壓力低的限制，需要使用密度減輕劑。故在設(shè)計(jì)水泥漿時(shí)，需選用耐高壓低密度減輕劑，以增強(qiáng)密度減輕效果，提高水泥等凝膠材料在水泥漿中所占比例，促進(jìn)水泥石強(qiáng)度發(fā)展，另外，耐高壓密度減輕劑能夠?yàn)樗嗍暙I(xiàn)有效的支撐強(qiáng)度，相對(duì)提高低密度水泥漿的早期強(qiáng)度。

3）降低水泥石滲透率，提高水泥石強(qiáng)度[8]：低溫低密度硅酸鹽水泥漿中存在多種固體顆粒，顆粒之間存在空隙，在水泥漿固化后，這些空隙將影響水泥石的滲透率和強(qiáng)度。為提高水泥石的強(qiáng)度，降低其滲透率，在低溫低密度硅酸鹽水泥漿體系中，需加入性能良好的增強(qiáng)劑。該增強(qiáng)劑應(yīng)包括活性填充劑材料與惰性填充劑材料，活性填充材料為具有水化活性的超細(xì)顆粒，能夠促進(jìn)水泥顆粒水化，有效填充顆粒間的空隙;而惰性填充材料也能夠更有效地填充顆粒間的空隙。加入由這兩種填充材料復(fù)配成的增強(qiáng)劑，能夠提高水泥石的致密性與早期強(qiáng)度。

1.2 水泥漿配方組成

不同深水地層的破裂壓力存在差異性，在固井時(shí)需針對(duì)封固地層的破裂壓力設(shè)計(jì)相應(yīng)的水泥漿密度，以達(dá)到最佳封固效果。考慮到南海深水某A區(qū)塊深水表層套管固井時(shí)，水泥漿需求量較大，為保障水泥漿安全泵送，在設(shè)計(jì)水泥漿配方時(shí)，要求將低密度水泥漿13℃的稠化時(shí)間控制在8h～9h。通過(guò)調(diào)節(jié)水泥漿中減輕劑、增強(qiáng)劑以及鉆井水所占比例，確定密度1.40～1.44kg/L的水泥漿配方如下：

1.44g/cm3：100%超細(xì)“G”級(jí)油井水泥（800目）+72%鉆井水+13%人造漂珠輕劑+6%低溫增強(qiáng)劑+2%CG80s+2.5%Acc-a+2.5%Acc-b+0.4%X60L

1.40g/cm3：100%超細(xì)“G”級(jí)油井水泥+75.5%鉆井水+15.5%人工減輕劑+6%低溫增強(qiáng)劑+2%CG80s+2.5%Acc-a+2.5%Acc-b+0.4%X60L

2 水泥漿性能評(píng)價(jià)

2.1 常規(guī)性能評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)多次材料和配方優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，調(diào)整各組成材料的摻量和水灰比，根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)條件選用不同的外加劑，可配制出性能優(yōu)良、成本低廉的水泥漿配方。表1中把優(yōu)選的超細(xì)“G”級(jí)水泥低溫低密度水泥漿稠化性能與中海油服在用的PC-LOLET低溫低密度水泥漿及常規(guī)1.90g/cm3的性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1-2所示，相關(guān)的漿體初始稠度及水泥石成型見圖1、圖2所示。

表1、表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超細(xì)“G”級(jí)油井水泥低溫低密度水泥漿具有較好的流變、失水、稠化和抗壓強(qiáng)度性能。圖1、圖2表明漿體具有較好的流態(tài)及膠凝固化后成型。依據(jù)中海油服企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足下一開作業(yè)要求的深水表層水泥石最低強(qiáng)度要求為3.5MPa以上。同等密度1.40g/cm3的水泥石在10℃時(shí)，配方2和配方3水泥石達(dá)到3.5MPa相差近14小時(shí)，在13℃時(shí)兩者相差近10小時(shí)，水泥石24h強(qiáng)度配方2相對(duì)配方3增加了40%以上，體現(xiàn)了超細(xì)“G”級(jí)油井水泥低溫低密度水泥漿性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于中海油服在用的PC-LOLET低溫低密度水泥漿體系。對(duì)比配方1與配方4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超細(xì)“G”級(jí)油井水泥低溫低密度1.44 g/cm3水泥石在同等溫度、稠化時(shí)間和養(yǎng)護(hù)下，水泥石的抗壓強(qiáng)度可以媲美1.90kg/L的普通硅酸鹽水泥石，10℃養(yǎng)護(hù)24hr抗壓強(qiáng)度都能達(dá)到800psi以上，13℃養(yǎng)護(hù)24hr抗壓強(qiáng)度都能達(dá)到8.3MPa以上，兩者達(dá)到3.5MPa水泥石強(qiáng)度的時(shí)間也是非常接近。實(shí)驗(yàn)結(jié)果體系了超細(xì)“G”級(jí)油井水泥低溫低密度水泥漿性能非常的優(yōu)良。

3 結(jié)論與建議

1）超細(xì)“G”級(jí)油井水泥低溫低密度水泥漿主要的凝膠材料為800目G級(jí)油井水泥，來(lái)源較為廣泛，應(yīng)用前景廣闊。

2）超細(xì)“G”級(jí)油井水泥低溫低密度水泥漿具有較好的初始稠度和稠化性能，且具有低溫早期強(qiáng)度高和失水量低的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)性能能夠充分滿足深水表層固井作業(yè)需求。

3）同等水泥石密度及溫度下，超細(xì)“G”級(jí)油井水泥低密度水泥石24小時(shí)強(qiáng)度較中海油服在用的普通“G”級(jí)油井低密度水泥石強(qiáng)度提高近40%以上，達(dá)到3.5MPa最低水泥石抗壓強(qiáng)度可節(jié)約近10小時(shí)或以上。

4）超細(xì)“G”級(jí)油井水泥低密度水泥漿需重點(diǎn)監(jiān)控膠凝材料水泥的質(zhì)量穩(wěn)定，以保證水泥漿體系的優(yōu)異性，可在外摻料和添加劑方面優(yōu)化有進(jìn)一步的提升性能的空間。

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