深水表層固井高效緩凝劑研究與應(yīng)用

趙 凱，崔 策，李占東，紀(jì) 經(jīng)

（1.中海油服油田化學(xué)事業(yè)部湛江作業(yè)公司，廣東 湛江 524051；2.中海油服油田化學(xué)研究院，河北 三河 065201）

隨著海洋深水油氣田勘探開發(fā)的不斷深入，我國南海深水區(qū)域逐漸成為油氣田開發(fā)的主戰(zhàn)場。深水固井作業(yè)不僅面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，也面臨開發(fā)成本高昂的問題。在深水固井作業(yè)中，表層水泥漿用量較大。其間，為防止地層漏失，常采用大量低密度水泥漿來降低靜液柱壓力。因此，表層低密度水泥漿的成本在作業(yè)成本中占據(jù)很大的比重。

我國南海常用的低密度水泥漿體系包括漂珠水泥漿體系與液體減輕低密度水泥漿體系。由于海上平臺空間受限、材料干混存在局限性以及成本高昂，漂珠水泥漿體系在深水表層固井作業(yè)中應(yīng)用較少。而液體減輕低密度水泥漿體系（簡稱PC-ExtCEM 體系）具有全液體化、造漿率高、性價比高等優(yōu)點，在深水表層固井作業(yè)中備受青睞。PC-ExtCEM 體系自2017年進行海試應(yīng)用和現(xiàn)場推廣至今，累計完成超過30 口井的現(xiàn)場應(yīng)用。隨著深水井作業(yè)井?dāng)?shù)增多，PC-ExtCEM 體系使用量逐漸增大。但由于深水表層需要較長的稠化時間（通常需要大于8 h），該體系在應(yīng)用過程中表現(xiàn)出緩凝劑用量較大的不足。為降低深水固井成本，室內(nèi)針對PC-ExtCEM 體系開發(fā)了新型高效緩凝劑C-R23L，研究的緩凝劑在擴大該體系溫度適用范圍的同時，顯著降低了其用量，降本增效成果顯著。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗材料有山東G 級油井水泥、海水、液體減輕劑P81L、降失水劑FL86L、緩凝劑C-R21L、防竄增強劑GS12L、防竄增強劑GS13L、早強劑A95L、消泡劑DF60L、新型緩凝劑C-R23L。

1.2 試驗儀器

試驗儀器有OWC-9360 攪拌器、OWC-118D 循環(huán)水養(yǎng)護箱、YJ-2001 型抗壓強度試驗機、OWC-9480D 高溫高壓稠化儀。

1.3 測試方法

本文涉及的水泥漿制備及性能測試均采用美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)API RP 10B 中的相關(guān)方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 緩凝劑C-R23L 擴大水泥漿適用溫度研究

室內(nèi)結(jié)合海上油井開發(fā)過程中對技術(shù)套管填充漿的性能需求，構(gòu)建了中高溫PC-ExtCEM 體系配方：G 級水泥100%+降失水劑FL86L 6%+液體減輕劑P81L 15%+消泡劑DF60L 0.5%+緩凝劑C-R23L 3.5%+ 防竄增強劑GS12L 8%+ 海水65%（ 密度1.50 g/cm）。研究人員對其性能進行評價，該配方性能與技術(shù)套管填充漿常用性能要求對比如表1所示。該緩凝劑可良好適配于該體系的中高溫配方，沒有出現(xiàn)稠化曲線包心、鼓包等異常情況。從表1 可以看出，以C-R23L 構(gòu)建的水泥漿配方可滿足技術(shù)套管填充漿對于溫度、稠化時間及強度發(fā)展的要求。

表1 構(gòu)建配方性能與技術(shù)套管填充漿性能要求對比

2.2 緩凝劑C-R23L 作用效果研究

緩凝劑作為水泥漿的主要外加劑之一，其加量多少會直接影響固井作業(yè)的成本。C-R23L 除擴大PCExtCEM 體系溫度適用范圍，還發(fā)揮著降低體系緩凝劑加量、提高經(jīng)濟效益的重要作用。在C-R23L 研發(fā)之前，通常采用C-R21L 構(gòu)建PC-ExtCEM 體系低溫配方，但現(xiàn)場應(yīng)用中存在C-R21L 加量大、經(jīng)濟效益低的不足。室內(nèi)采用C-R23L 構(gòu)建PC-ExtCEM 體系低溫配方，并與已作業(yè)井進行對比，以研究C-R23L在降低體系緩凝劑加量、提高經(jīng)濟效益方面的作用，如表2所示。

試驗過程中，XX1 井使用的配方為G 級水泥100%+消泡劑DF60L 0.5%+降失水劑FL86L 8%+液體減輕劑P81L 6%+防竄增強劑GS13L 8%+早強劑A95L 5%+緩凝劑C-R21L 3.4%+海水70%（密度1.55 g/cm）；XX2 井使用的配方為G 級水泥100%+消泡劑DF60L 0.5%+降失水劑FL86L 8%+液體減輕劑P81L 8%+防竄增強劑GS13L 4%+防竄增強劑GS12L 12%+早強劑A95L 5%+緩凝劑C-R21L 4.5%+海水64%（密度1.55 g/cm）；XX3 井使用的配方為G 級水泥100%+消泡劑DF60L 0.5%+降失水劑FL86L 6%+液體減輕劑P81L 8%+防竄增強劑GS13L 4%+早強劑A95L 5%+緩凝劑C-R21L 5%+海水80%（密度1.50 g/cm）。

由表2 可知，在低溫條件下，傳統(tǒng)PC-ExtCEM體系中C-R21L 加量通常較大，嚴(yán)重影響施工效率與經(jīng)濟效益。采用C-R23L 構(gòu)建新體系，在相近的稠化時間下，其加量相較于C-R21L 可降低30%～50%，而C-R23L 的生產(chǎn)成本比C-R21L 更低。通過針對現(xiàn)場作業(yè)的三口井配方研究，其結(jié)果相一致，這表明C-R23L 有效解決了低溫條件下傳統(tǒng)PC-ExtCEM 體系中緩凝劑加量大的問題，其經(jīng)濟效益顯著。

表2 低溫下兩種緩凝劑對PC-ExtCEM 體系稠化性能的影響對比

緩凝劑的加入通常會影響水泥石的強度發(fā)展，本文對上述XX1 井配方進行強度研究，其結(jié)果如表3所示。表3 的結(jié)果表明，相較C-R21L，C-R23L 未降低水泥石強度，且滿足大于3.5 MPa 的現(xiàn)場應(yīng)用要求。

表3 低溫下兩種緩凝劑對PC-ExtCEM 體系強度的影響對比

2.3 緩凝劑C-R23L 綜合性能研究

現(xiàn)場工況通常較為復(fù)雜，除要求水泥漿具有穩(wěn)定的性能外，還要求其能夠適應(yīng)復(fù)雜的工況條件。尤其是稠化時間，其要求水泥漿在微小的溫度、密度、緩凝劑加量變化以及混合水老化等情況下仍能夠保持良好的規(guī)律性與較小的變化。因此，針對實際工況對緩凝劑的要求，研究人員對緩凝劑C-R23L 在水泥漿中的性能進行了全面的研究。所使用的水泥漿配方為：G 級水泥100%+消泡劑DF60L 0.5%+降失水劑FL86L 8%+液體減輕劑P81L 6%+防竄增強劑GS13L 8%+早強劑A95L 5%+緩凝劑C-R23L+海水70%（密度1.55 g/cm）。

2.3.1 緩凝劑加量敏感性

實際施工過程中，水泥漿用量巨大，微小的緩凝劑加量偏差極為常見。若水泥漿對緩凝劑加量過于敏感，微小的緩凝劑加量變化會引起稠化時間的大幅改變，進而影響施工效率或引發(fā)施工事故。因此，水泥漿的稠化時間對于緩凝劑應(yīng)具有良好的加量敏感性。室內(nèi)研究了緩凝劑加量敏感性，試驗結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，稠化時間與緩凝劑加量呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系，趨近于線性關(guān)系，規(guī)律性良好。同時，稠化時間對緩凝劑具有良好的加量敏感性，即稠化時間不會由于緩凝劑加量的微小變化產(chǎn)生過大的偏差?？紤]到水泥漿的泵送問題，本文比較了不同緩凝劑加量下的水泥漿可泵時間，可泵時間與緩凝劑加量也表現(xiàn)出良好的正相關(guān)關(guān)系與低敏感性，如表4所示。

表4 19 ℃低溫配方C-R23L 敏感性試驗

2.3.2 溫度敏感性

室內(nèi)對水泥漿稠化時間的性能測試通常采用預(yù)測的井底循環(huán)溫度，該預(yù)測溫度通常與實際井況有少許差異。這就要求水泥漿擁有良好的溫度敏感性，當(dāng)溫度產(chǎn)生輕微的變化時，其稠化時間不應(yīng)產(chǎn)生過大的偏差，以保證施工效率與施工安全。針對試驗配方，進行溫度偏差為5 ℃的溫度敏感性試驗。由表5 可知，該水泥漿體系處于19 ～24 ℃時，溫度規(guī)律良好，隨著溫度升高，稠化時間與可泵時間降低，偏差較小，且不存在稠化反轉(zhuǎn)的問題，滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。

表5 稠化溫度敏感性試驗（緩凝劑C-R23L）

2.3.3 密度敏感性

固井過程通常是在固井泵中將水泥與混合水混合，之后泵入井中。在這個過程中，其密度有時會產(chǎn)生輕微的波動。這就要求水泥漿對密度具有良好的敏感性。針對密度為1.55 g/cm的水泥漿配方，進行密度偏差為0.02 g/cm的密度敏感性試驗（混合水不變，調(diào)整水泥加量）。由表6 可知，該水泥漿體系稠化時間與密度呈現(xiàn)良好規(guī)律性，隨著密度增大，稠化時間縮短，其敏感性良好。

表6 稠化密度敏感性試驗（緩凝劑C-R23L）

2.3.4 混合水老化試驗

實際施工過程中，混合水配制完成后，通常不會立刻進行固井作業(yè)。因此，混合水老化后，其水泥漿稠化時間不應(yīng)縮短，這樣才更符合實際工況。由表7 可知，當(dāng)混合水老化24 h、48 h 后，稠化時間均有所延長，未發(fā)生縮短現(xiàn)象，符合現(xiàn)場要求?；旌纤匣?，稠化時間延長，這可能與緩凝劑對于液體減輕劑P81L 的吸附有關(guān)。

表7 混合水老化試驗（緩凝劑C-R23L）

3 現(xiàn)場應(yīng)用

基于上述試驗結(jié)果，緩凝劑C-R23L 在南海西部某區(qū)塊進行了現(xiàn)場應(yīng)用，應(yīng)用于水深為700 ～800 m的深水表層固井作業(yè)，施工段井底靜止溫度為28 ℃，循環(huán)溫度為24 ℃，泵注首漿為230.55 m，尾漿為36.57 m，見水泥漿返出，固井質(zhì)量良好。

所用水泥漿首漿密度為1.55 g/cm，具體配方如下：G 級水泥100%+ 消泡劑DF60L 0.5%+ 降失水劑FL86L 8%+液體減輕劑P81L 6%+防竄增強劑GS13L 10%+早強劑A95L 5%+緩凝劑C-R23L 1.6%+海水70%。

在稠化時間大于8 h 的性能需求下，C-R23L 加量僅為1.7%，與之前常用緩凝劑C-R21L 相比，緩凝劑加量降低約40%，大幅降低了現(xiàn)場作業(yè)的勞動強度與成本，降本效果顯著，為降低我國南海深水油氣田開發(fā)成本貢獻價值。

4 結(jié)論

研制的新型緩凝劑C-R23L 可以良好適配液體減輕低密度水泥漿體系，在提高體系溫度適用范圍上限的同時，降低體系低溫下緩凝劑加量，降本增效成果顯著。緩凝劑C-R23L 加量敏感性和溫度敏感性低，密度敏感性良好，混合水老化后，稠化時間延長。采用C-R23L 構(gòu)建的配方在南海西部某區(qū)塊進行了現(xiàn)場應(yīng)用，降本效果顯著，使得我國南海深水油氣田開發(fā)成本有效降低。