深水水合物層固井低水化熱水泥漿體系研究及應(yīng)用*

張俊斌 李 彬 金 顥 陳 宇 陸永偉 汪 蕾

（1.中海石油深海開發(fā)有限公司 廣東深圳 518067；2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院 河北三河 065201；3.中海油田服務(wù)股份有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067）

天然氣水合物在全球分布廣泛，資源密度高，因而具有極高的資源價(jià)值和廣闊的開發(fā)前景，成為未來深水油氣開發(fā)的熱點(diǎn)[1]。深水固井技術(shù)是深水油氣資源高效、經(jīng)濟(jì)和安全開采的前提條件和重要保障，但是針對(duì)水合物層的深水固井技術(shù)存在許多亟待解決的問題，一方面水泥漿水化大量放熱，以致水合物層井眼周圍溫度上升，極易誘發(fā)水合物分解釋放大量氣體，影響固井質(zhì)量，存在井噴風(fēng)險(xiǎn)；另一方面低溫、低地層破裂壓力環(huán)境下油井水泥水化速度慢，水泥石強(qiáng)度發(fā)展緩慢，容易造成環(huán)空氣竄和候凝時(shí)間的延長，無法滿足深水固井短候凝時(shí)間及防竄等要求[2-5]。因此，構(gòu)建一套適合深水水合物層固井的水泥漿體系，對(duì)于保證深水水合物的安全高效開發(fā)具有重要意義。

針對(duì)深水表層的水合物層固井，常規(guī)的水泥漿體系由于水化放熱量大導(dǎo)致水合物層的吸熱分解，從而引發(fā)竄流等問題，目前行業(yè)通常采用低水化熱水泥漿技術(shù)來解決這一技術(shù)難題。低水化熱水泥漿一般通過3種方式實(shí)現(xiàn)[6]：①加入礦渣、粉煤灰等低水化熱膠凝材料來降低水泥比例；②加入有機(jī)相變材料降低水泥漿放熱；③使用高貝利特低熱水泥。通過降低高放熱物質(zhì)比例或者吸收放出熱量來避免水泥漿集中放熱，引起水合物層受熱分解。但是，對(duì)于構(gòu)建的低水化熱水泥漿體系，如何確定該體系下的水化放熱量是否使水合物層不發(fā)生分解，目前尚未有明確的評(píng)價(jià)方法。

針對(duì)上述問題，本文通過引入低水化熱非水泥基膠凝材料來降低水泥漿的水化放熱，構(gòu)建了適用于深水水合物層固井的低水化熱水泥漿體系，并采用物理模擬的方法，利用水合物分解裝置進(jìn)行深水水合物層固井模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所構(gòu)建體系的可行性，對(duì)于后續(xù)開發(fā)與評(píng)價(jià)水合物層固井水泥漿體系具有參考意義。

1 深水水合物層固井面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

1）水合物分解引發(fā)竄流。固井過程中水泥漿水化放熱，容易導(dǎo)致井周地層水合物吸熱分解，形成局部高壓氣、水帶。當(dāng)水合物短時(shí)間內(nèi)分解速度較快且分解量較大時(shí)，產(chǎn)生的高壓游離氣、水將會(huì)侵入水泥漿中形成侵入裂隙，甚至產(chǎn)生竄流通道，影響固井質(zhì)量。

2）深水淺部地層安全作業(yè)窗口窄。海洋深水地層壓實(shí)程度較低，使得地層承壓能力減弱，尤其在有水合物層存在的情況下，地層壓實(shí)視情況更差，這將使得地層孔隙壓力與破裂壓力之間的安全作業(yè)窗口變窄，一般低于0.12 g／cm3，很容易發(fā)生井漏。因此在深水表層固井過程中，要求水泥漿能夠?qū)崿F(xiàn)低密度調(diào)節(jié)，平衡窄壓力窗口的地層壓力，降低漏失風(fēng)險(xiǎn)。

3）深水低溫水泥石強(qiáng)度發(fā)展緩慢。海水溫度隨深度的增加而不斷降低，當(dāng)水深超過2 000 m時(shí)，海底泥線溫度降至4℃甚至更低，然而深水低溫環(huán)境下水泥水化速率低，并且低密度與低水化熱的性能要求會(huì)對(duì)水泥石的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響，使得候凝時(shí)間增加，短時(shí)間內(nèi)無法滿足下部鉆進(jìn)要求。

4）降低水化熱與提高水泥石強(qiáng)度存在矛盾關(guān)系。對(duì)于深水水合物層固井，防止水合物層受熱分解需要降低水泥漿水化放熱量，而降低水化熱會(huì)影響水泥石抗壓強(qiáng)度，從而降低作業(yè)時(shí)效，增加作業(yè)成本。因此，需要處理好將降低水化熱與提高水泥石強(qiáng)度之間的關(guān)系。

2 低水化熱水泥漿體系研究

本文采用加入低熱非水泥基材料的方法，通過引入具有火山灰活性的膠凝材料取代部分水泥，運(yùn)用堿激發(fā)膠凝材料的原理，在不顯著影響水泥石抗壓強(qiáng)度的條件下降低水泥漿的水化放熱量。

2.1 油井水泥研選

固井過程中水泥漿的放熱量主要來源于水泥水化放熱，因此需要選擇一種水化熱較低的水泥進(jìn)行體系構(gòu)建。油井水泥主要成分為硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鋁酸三鈣（C3A）和鐵鋁酸四鈣（C4AF），其中，C3S含量可占總量的50%以上，相較于其他3種礦物成分，C3S是水泥漿水化熱的主要貢獻(xiàn)者，一般情況下，其水化放熱比較集中，在水化的初始階段很快到達(dá)放熱高峰，水泥漿的溫度隨后也達(dá)到了最高值[7-12]。

基于國內(nèi)海上深水固井現(xiàn)場(chǎng)常用的G級(jí)油井水泥山東水泥與嘉華水泥，室內(nèi)研究對(duì)比了不同廠家油井水泥的水化放熱情況。由表1可以看出，山東水泥的C3S含量明顯低于嘉華水泥，并且從水化放熱數(shù)據(jù)（圖1）來看，山東水泥的水化放熱量明顯低于嘉華水泥。因此，優(yōu)選山東水泥作為低水化熱水泥漿體系的適用水泥。

表1 鮑格（R.H.Bogue）法計(jì)算4種礦物和硫酸鈣的礦物百分含量Table1 Percentage of minerals in oil well cement（R.H.Bogue） %

圖1 不同廠家的G級(jí)油井水化放熱量Fig.1 G-class oil well cement hydration heat release from different manufacturers

2.2 低水化熱非水泥基膠凝材料研究

室內(nèi)通過研制形成一種具有火山灰活性的膠凝材料PC-BT5，主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、硅酸鹽等，在使用中通過替代部分油井水泥，降低水泥漿凝固過程中釋放的熱量，達(dá)到低水化熱的目的。室內(nèi)為評(píng)價(jià)低水化熱材料的性能，將研制的低水化熱材料PC-BT5、目前固井中常用的低水化熱材料粉煤灰（FA）、礦渣（SLAG）、微硅（SF）、偏高嶺土（MK）[13]配制成水泥漿，對(duì)其性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。水泥漿配方為山東水泥+淡水+低水化熱材料+降失水劑+早強(qiáng)劑+消泡劑（水泥漿密度為1.50 g／cm3）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 低水化熱材料的性能對(duì)比Table2 Performance comparison of low hydration heat materials

從表2數(shù)據(jù)可以看出，由純水泥、SF、MK得到的水泥石抗壓強(qiáng)度雖然高于其他3種，但是水化熱較大，而低水化熱材料PC-BT5水化放熱與FA、SLAG均處于較低水平，但水泥石抗壓強(qiáng)度明顯高于這兩種材料，并且能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求（現(xiàn)場(chǎng)要求水泥石抗壓強(qiáng)度大于3.5 MPa）。因此，研制的低水化熱材料PC-BT5性能優(yōu)良，適用于深水水合物層固井水泥漿體系的構(gòu)建。

2.3 低水化熱水泥漿體系構(gòu)建

深水水合物層一般位于淺層，處于低溫、低地層破裂壓力環(huán)境。以我國南海某深水區(qū)塊為例，井底循環(huán)溫度20℃，井底靜止溫度30℃，水合物層溫度為12℃，壓力11 MPa，要求水泥漿密度1.5 g／cm3。據(jù)此建立適合深水水合物層固井的低密低水化熱水泥漿體系。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)材料，選擇具有控制濾失和防止氣竄雙重功能的高分子聚合物類降濾失劑PC-G86L作為本體系的降濾失劑，選擇能夠有效降低水泥漿密度并且不參與水泥水化反應(yīng)、具有隔熱效果的人造空心玻璃微珠PC-P62S作為減輕劑，構(gòu)建了深水水合物層固井水泥漿體系，基礎(chǔ)配方為：100%山東水泥+40%PC-BT5+8%PCP62S+7%PC-G86L+3%早強(qiáng)劑+0.25%消泡劑。

2.4 低水化熱水泥漿性能評(píng)價(jià)

2.4.1 常規(guī)性能評(píng)價(jià)

深水水合物層固井水泥漿體系的常規(guī)性能見表3。從表3數(shù)據(jù)可以看出，本文所構(gòu)建的水泥漿體系具有良好的流變性，失水可控，井底靜止溫度條件下24 h抗壓強(qiáng)度為10.2 MPa，水合物層位溫度條件下48 h抗壓強(qiáng)度為4.9 MPa，滿足施工要求（現(xiàn)場(chǎng)要求水泥石抗壓強(qiáng)度大于3.5 MPa）。

表3 深水水合物層固井低水化熱水泥漿體系常規(guī)性能Table3 Performance characteristics of the low hydration heat cement slurry system for the cementing of deepwater hydrate layer

2.4.2 防竄性能評(píng)價(jià)

通過開展超聲波水泥強(qiáng)度分析實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了水泥漿的抗壓強(qiáng)度發(fā)展曲線，結(jié)果以24 h UCA（Ultrasonic cement analyzer）曲線表示，如圖2所示。由圖2可以看出，構(gòu)建的低水化熱水泥漿體系具有靜膠凝過渡時(shí)間短（20 min）、水泥石強(qiáng)度高（9.7 MPa）的特點(diǎn)，能夠達(dá)到防氣竄的效果。用掃描電鏡觀察該體系水泥漿養(yǎng)護(hù)24 h后的水泥石微觀形貌，養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)定為30℃，其微觀形貌如圖3所示。從圖3可以看出，水泥石中人造空心玻璃微珠與水化產(chǎn)物相互連接，整體結(jié)構(gòu)緊湊致密，孔隙和裂縫較少，滲透性低，具有高強(qiáng)度、防氣竄等性能。

圖2 UCA曲線Fig.2 Curves of UCA

圖3 水泥石微觀形貌Fig.3 Microscopic morphology of cement stone

2.4.3 水化熱性能評(píng)價(jià)

GB／T 12959—2008《水泥水化熱測(cè)定方法》規(guī)定可以通過溶解熱法和直接法測(cè)量水泥漿水化熱。本文使用TAM Air水泥水化熱測(cè)量儀測(cè)定水泥漿的水化放熱規(guī)律，同時(shí)采用同等密度常規(guī)水泥漿體系作為對(duì)比，實(shí)驗(yàn)步驟為：①配制水泥漿并用干的注射器抽取，注入一定量水泥漿到玻璃安瓿瓶中；②在另一個(gè)安瓿瓶中加入質(zhì)量相等的蒸餾水作為參比；③迅速將安瓿瓶蓋上密封蓋，用吊鉤將樣品安瓿瓶和參比安瓿瓶同時(shí)放入溫度已經(jīng)恒定的量熱儀中。

水泥漿水化放熱量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，由圖4可以看出，常規(guī)水泥漿體系3 d水化放熱量219 J／g，7 d水化放熱量292 J／g；構(gòu)建的深水水合物層固井水泥漿體系3 d水化放熱量142 J／g，7 d水化放熱量195 J／g，能夠降低水化放熱量30%以上。2個(gè)體系的抗壓強(qiáng)度見表4，從表4可以看出，深水水合物層固井水泥漿體系能夠顯著降低水泥漿的水化熱，同時(shí)對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不大。

圖4 水泥漿水化放熱量Fig.4 Hydration heat release curves of cement slurry

表4 兩種體系的水泥石抗壓強(qiáng)度對(duì)比Table4 Comparison of compressive strength between two cement systems

2.4.4 水合物層固井模擬實(shí)驗(yàn)

本文采用物理模擬的方法，基于深水鉆井環(huán)境，利用中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）水合物分解裝置[14]進(jìn)行深水水合物層固井模擬實(shí)驗(yàn)（圖5）。該裝置能夠模擬固井過程中水泥環(huán)周邊水合物地層環(huán)境，并且通過測(cè)量溫度、壓力變化判斷水合物是否發(fā)生分解。

圖5 深水水合物層固井模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 Deepwater hydrate layer cementing simulation experiment device

實(shí)驗(yàn)步驟為：①模擬地層：按照該區(qū)塊水合物層的組分和配比，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物理模擬；②生成水合物：將反應(yīng)釜內(nèi)溫度降至12℃，利用氣體增壓控制系統(tǒng)將甲烷注入釜內(nèi)地層腔至11 MPa，以11 MPa的壓力恒壓保持72 h，完成水合物生成；③注入水泥漿：在釜內(nèi)環(huán)形空間中注入水泥漿并用氮?dú)庠鰤褐?1 MPa，模擬水合物層固井；④數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)：記錄水泥漿和井周地層溫度和壓力的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、7所示。

由圖6可以看出，常規(guī)水泥漿體系在固井模擬實(shí)驗(yàn)中，會(huì)引起井周水合物層溫度壓力的明顯變化，水合物層發(fā)生分解。然而，本文構(gòu)建的低水化熱水泥漿體系在模擬固井過程中（圖7），水合物層的溫度、壓力沒有明顯變化，進(jìn)而可判斷此配方的固井水泥漿水化不會(huì)導(dǎo)致井周水合物分解。因此，該水泥漿體系水化放熱量低，能夠有效避免井周水合物層的分解釋放，滿足深水水合物層固井技術(shù)要求。

圖6 井周水合物層溫度壓力分布圖（常規(guī)水泥漿體系）Fig.6 The temperature and pressure distribution of the hydrate layer（high hydration heat cement slurry system）

圖7 井周水合物層溫度壓力分布圖（低水化熱水泥漿體系）Fig.7 Temperature and pressure distribution of the hydrate layer（low hydration heat cement slurry system）

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

針對(duì)我國南海某區(qū)塊A井存在的深水表層水合物層，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用本文所構(gòu)建的低水化熱水泥漿體系。A井為直井，完鉆井深2 675 m，該井井身結(jié)構(gòu)φ914.4 mm鉆頭×175 m（φ762 mm套管×175 m）+φ444.5 mm鉆頭×700 m（φ339.7 mm套管×695 m）+φ311.1 mm鉆頭×2 675 m（φ244.5 mm套管×2 670 m），其中水合物層采用1.58 g／cm3密度低水化熱水泥漿作為首漿進(jìn)行封固，水泥漿上返至泥線，尾漿采用1.90 g／cm3早強(qiáng)水泥漿進(jìn)行固井，保證下部套管鞋處24 h抗壓強(qiáng)度高于14 MPa。整個(gè)固井作業(yè)施工順利，固井質(zhì)量優(yōu)，未發(fā)生水合物分解引發(fā)的氣竄問題。

4 結(jié)論

1）通過油井水泥研選、低水化熱非水泥基膠凝材料研究構(gòu)建了深水水合物層固井低水化熱水泥漿體系，性能評(píng)價(jià)表明，所構(gòu)建的低水化熱水泥漿體系具有低溫條件下放熱量低、抗壓強(qiáng)度滿足施工要求等優(yōu)良特性，可避免水合物層發(fā)生分解。

2）南海某深水井水合物層固井應(yīng)用結(jié)果表明，采用本文所構(gòu)建的低水化熱水泥漿體系進(jìn)行水合物層固井作業(yè)順利，未發(fā)生水合物分解引發(fā)氣竄等問題，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。