深水表層固井水泥漿技術(shù)

崔 策，張 浩，馮穎韜，陳 宇

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北廊坊 065201）

海洋儲(chǔ)存著豐富的油氣資源，隨著石油的勘探開(kāi)發(fā)不斷推進(jìn)，深水油氣發(fā)現(xiàn)量在全球油氣發(fā)現(xiàn)總量的占比不斷升高，深水開(kāi)發(fā)已逐漸成為國(guó)際油氣勘探開(kāi)發(fā)的重要戰(zhàn)場(chǎng)[1-3]。深水固井技術(shù)是深水油氣資源開(kāi)發(fā)的重要前提與保障，其中，深水表層固井是深水固井程序中較為特殊的一環(huán)。與陸地固井和淺海固井相比，深水表層環(huán)境更為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為由于水深造成的低溫高壓環(huán)境。在該環(huán)境條件的影響下，深水表層在地質(zhì)沉積過(guò)程中極易形成含有淺層流/氣、水合物的特殊地層，因此深水表層固井作業(yè)對(duì)水泥漿的性能要求更為苛刻[4-6]。同時(shí)，深水表層還存在地層破裂壓力與孔隙壓力間“安全壓力窗口窄”的問(wèn)題，這使得深水表層固井作業(yè)過(guò)程中必須使用低密度水泥漿體系（密度為1.3～1.6 g/cm3）。與常規(guī)密度水泥漿相比，低密度水泥漿在懸浮穩(wěn)定性、抗壓強(qiáng)度和防竄性能等方面存在明顯不足，這進(jìn)一步加大了深水表層固井作業(yè)難度。

針對(duì)南海區(qū)域深水表層固井施工中遇到的實(shí)際問(wèn)題，中海油服進(jìn)行了大量的水泥漿室內(nèi)研究，形成了以全液體化低溫水泥漿技術(shù)（PC-ExtCEM 體系）[6，7]、深水低溫防竄水泥漿技術(shù)（PC-LoLET 體系）[5，8，9]和深水低水化熱水泥漿技術(shù)（PC-LoHEAT 體系）[10]為代表的深水表層固井技術(shù)，并在南海東西部廣泛應(yīng)用。本文僅就深水表層固井技術(shù)存在的難點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要概括并對(duì)中海油服現(xiàn)有的幾種深水表層固井技術(shù)進(jìn)行介紹，希望能夠?yàn)橥苿?dòng)我國(guó)深水表層固井技術(shù)研究提供借鑒價(jià)值。

1 深水表層固井技術(shù)難點(diǎn)

與常規(guī)固井相比，深水表層固井面臨低溫、水合物地層、淺層流/氣、圈閉流體、壓力窗口窄等問(wèn)題。在固井作業(yè)中，需綜合考慮水泥漿的稠化時(shí)間、水泥石強(qiáng)度、過(guò)渡時(shí)間等性能。針對(duì)南海區(qū)域最常見(jiàn)的深水表層固井難題，本文僅就低溫、淺層流危害、水合物地層進(jìn)行概述。

1.1 低溫

深水表層固井的一個(gè)重要特點(diǎn)是由于水深而造成的低溫難題。海洋泥線溫度隨著海水深度的增加而降低，在海水深度達(dá)到2 km 時(shí)，泥線溫度就已降至2 ℃以下。低溫延緩了水泥漿的水化速率，使水泥漿的強(qiáng)度發(fā)展緩慢，從而無(wú)法滿足繼續(xù)鉆進(jìn)的要求。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的候凝會(huì)增加深水作業(yè)成本，特別是在深水平臺(tái)日租金較高的情況下，將大幅度增加鉆井作業(yè)費(fèi)用。除此之外，較慢的強(qiáng)度發(fā)展速度，會(huì)大幅度增加水泥漿的過(guò)渡時(shí)間，增加固井作業(yè)氣竄的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 淺層流/氣危害

由于深水環(huán)境特點(diǎn)，淺層流/氣在深水表層較為常見(jiàn)，這使深水表層固井更加困難。環(huán)空氣竄的發(fā)生使套管與地層間無(wú)法封隔，對(duì)后續(xù)鉆井作業(yè)造成不良影響，嚴(yán)重影響油氣的開(kāi)采與生產(chǎn)。因此，如何有效地防止氣竄的發(fā)生是實(shí)現(xiàn)安全高效固井作業(yè)必須要考慮的問(wèn)題。通常認(rèn)為，氣竄的發(fā)生與水泥漿的失重有較大關(guān)聯(lián)。頂替過(guò)程結(jié)束后，水泥漿處于靜止?fàn)顟B(tài)，隨著水泥的凝結(jié)，靜液柱壓力不斷減少。當(dāng)氣竄阻力的增加無(wú)法抵消靜液柱壓力的減少時(shí)，靜液柱壓力與氣竄阻力的加和極有可能小于地層壓力，從而造成氣竄。

1.3 水合物地層

由于深水環(huán)境高壓低溫的特點(diǎn)，深水表層存在大量的水合物地層。在固井作業(yè)中，水泥水化進(jìn)程伴隨著大量的熱量釋放，易造成水合物地層溫度升高，從而導(dǎo)致水合物分解。1 m3的水合物分解會(huì)產(chǎn)生170 m3的天然氣，當(dāng)釋放氣體產(chǎn)生過(guò)大壓力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致井眼擴(kuò)大、氣竄等問(wèn)題，使固井作業(yè)失敗。水合物分解情況嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致海底地質(zhì)災(zāi)害，如滑坡、海嘯等。因此，如何在固井作業(yè)中減少水泥漿水化對(duì)水合物地層的擾動(dòng)則顯得尤為重要。

2 中海油服深水表層固井技術(shù)

2.1 全液體化低溫水泥漿技術(shù)（PC-ExtCEM 體系）

在深水表層固井作業(yè)中，尤其在深水開(kāi)發(fā)井固井作業(yè)中，需要大量填充漿。因此，在水泥漿體系設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮水泥漿成本與施工作業(yè)強(qiáng)度。全液體化外加劑體系可適用于液體加料系統(tǒng)（LAS 系統(tǒng)），顯著降低由于干混造成的現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)負(fù)擔(dān)，從而節(jié)約施工成本。然而，對(duì)于低密度水泥漿體系而言，全液體化外加劑體系無(wú)骨架支撐，存在懸浮穩(wěn)定性差、低溫下強(qiáng)度發(fā)展慢等問(wèn)題。針對(duì)該難題，中海油服自主研發(fā)了以液體懸浮減輕劑C-P81L 為核心的PC-ExtCEM 體系。

2.1.1 PC-ExtCEM 體系作用機(jī)理 C-P81L 是一種以納米二氧化硅為主要成分的液體懸浮減輕劑，其具有納米級(jí)粒徑，可懸浮在水泥顆?？障堕g；同時(shí)，C-P81L在水泥漿中可與水泥顆?？焖傩纬苫瘜W(xué)交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；在物理與化學(xué)的雙重作用下，PC-ExtCEM 體系具有良好的懸浮穩(wěn)定性。

C-P81L 在水泥漿中可與游離的Ca2+反應(yīng)，快速形成水化硅酸鈣晶核，促進(jìn)水泥水化進(jìn)程，從而促進(jìn)水泥石在深水低溫條件下早期強(qiáng)度的發(fā)展，解決全液體化外加劑體系無(wú)法在深水低溫表層應(yīng)用的難題。

2.1.2 PC-ExtCEM 體系性能表征 C-P81L 的加量對(duì)PC-ExtCEM 體系水泥石抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律（見(jiàn)表1），隨著C-P81L 加量的增加，水泥石的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，這表明C-P81L 在低溫下對(duì)水泥石具有增強(qiáng)作用。

表1 C-P81L 對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Tab.1 Effect of C-P81L on compressive strength

大水灰比配漿往往伴隨著漿體不穩(wěn)定、沉降等問(wèn)題。對(duì)于PC-ExtCEM 體系而言，C-P81L 可為水泥漿體系提供骨架支撐，從而有效解決這一難題。以C-P81L為主劑構(gòu)建密度為1.30 g/cm3、1.50 g/cm3的PCExtCEM 體系，其漿體懸浮穩(wěn)定性（見(jiàn)表2），通過(guò)調(diào)節(jié)C-P81L 加量，可構(gòu)建漿體上下密度一致、自由液為0的低密度水泥漿體系。

表2 C-P81L 對(duì)漿體懸浮穩(wěn)定性的影響Tab.2 Effect of C-P81L on slurry suspension stability

2.1.3 PC-ExtCEM 體系技術(shù)特點(diǎn)

（1）有效解決了全液體化外加劑體系低溫強(qiáng)度發(fā)展慢、懸浮穩(wěn)定差的難題，成功將全液體化外加劑體系應(yīng)用于深水表層低溫固井作業(yè)中。

（2）降低水泥漿成本。以密度為1.40 g/cm3的水泥漿為例，PC-ExtCEM 體系造漿率高達(dá)1.98，成本與以漂珠構(gòu)建的低密度水泥漿體系相比，降低50%以上。

（3）適用于液體加料系統(tǒng)（LAS 系統(tǒng)），可大幅度降低現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)強(qiáng)度，從而有效降低施工成本。

2.2 深水低溫防竄水泥漿技術(shù)（PC-LoLET 體系）

當(dāng)鉆遇淺層流/氣時(shí)，表層水泥漿防竄性能顯得尤為重要。若處理不當(dāng)，極易引發(fā)井噴等重大安全事故。針對(duì)深水表層固井中的淺層流/氣難題，中海油服自主研發(fā)了具有良好防竄性能的PC-LoLET 體系。

2.2.1 PC-LoLET 體系作用機(jī)理 PC-LoLET 體系是以人造空心微珠為減輕劑，以顆粒級(jí)配和緊密堆積為理論基礎(chǔ)，通過(guò)加入多種粒徑不同且具有高化學(xué)活性的火山灰材料的方式，提高水泥漿中固相含量，增加水泥漿候凝期間的流動(dòng)阻力，從而達(dá)到降低氣竄風(fēng)險(xiǎn)和提高早期強(qiáng)度的目的。PC-LoLET 體系核心外加劑構(gòu)成如下，其顆粒尺寸（見(jiàn)表3）。

表3 PC-LoLET 體系構(gòu)成Tab.3 PC-LoLET system composition

2.2.1.1 減輕劑 C-P62S 是一種以堿石灰硼硅酸鹽玻璃為主要基質(zhì)材料的國(guó)產(chǎn)化空心微球，可有效降低水泥漿密度，最低可調(diào)節(jié)至0.9 g/cm3。與天然漂珠相比，C-P62S 具有抗壓強(qiáng)度高、不易破碎，儲(chǔ)存穩(wěn)定性高、不易結(jié)塊等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.1.2 防氣竄劑 C-GS12S 是微硅類防竄增強(qiáng)劑，具有微米級(jí)尺寸，表面活性大，可加快水泥水化速率，并與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次凝膠反應(yīng)，從而促進(jìn)早期強(qiáng)度的發(fā)展，縮短過(guò)渡時(shí)間，降低氣竄發(fā)生的可能。除此之外，C-GS12S 具有較強(qiáng)吸附能力，在與C-P62S 共用時(shí)，可防止C-P62S 上浮。

2.2.1.3 增強(qiáng)劑 BT-3 是含有多種火山灰材料的礦物混合物。具有高化學(xué)活性，可有效提高低密度水泥漿的抗壓強(qiáng)度。

2.2.2 PC-LoLET 體系性能表征 靜凝膠過(guò)渡時(shí)間是表征水泥漿體系防氣竄性能的重要指標(biāo)之一，通常認(rèn)為靜凝膠過(guò)渡時(shí)間小于30 min，即具有良好的防竄特性。以PC-LoLET 體系為基礎(chǔ)構(gòu)建密度為1.45 g/cm3的水泥漿體系，在30 ℃條件下，該體系靜凝膠過(guò)渡時(shí)間（100～500 lb/100ft2）為28 min，表明PC-LoLET 體系具有良好的防竄性能。

水泥石初期強(qiáng)度發(fā)展快慢也是防止氣竄發(fā)生的重要評(píng)價(jià)方式之一。在20 ℃條件下，PC-LoLET 體系與PC-ExtCEM 體系的強(qiáng)度對(duì)比（見(jiàn)圖1），PC-LoLET 體系比PC-ExtCEM 體系擁有更高的早期強(qiáng)度，能夠更有效地避免氣竄現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 PC-LoLET 體系低溫下強(qiáng)度高Fig.1 PC-LoLET system has high strength at low temperature

2.2.3 PC-LoLET 體系技術(shù)特點(diǎn)

（1）PC-LoLET 體系具有低溫下強(qiáng)度高、防竄性能好的性能優(yōu)勢(shì)。在地層中存在淺層流/氣時(shí)，采用PCLoLET 體系進(jìn)行固井作業(yè)可更好地避免氣竄風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

（2）密度可調(diào)節(jié)范圍廣，可制備密度為0.9 g/cm3的超低密度水泥漿且形成的水泥石結(jié)構(gòu)完整，無(wú)破損。

2.3 深水低水化熱水泥漿技術(shù)（PC-LoHEAT 體系）

在水合物地層進(jìn)行固井作業(yè)時(shí)，若處理不當(dāng)，易導(dǎo)致井眼擴(kuò)大、氣竄等問(wèn)題；嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。因此，在水泥漿體系設(shè)計(jì)中，降低水泥水化對(duì)水合物地層的擾動(dòng)尤為重要。針對(duì)水合物地層固井難題，中海油服自主研發(fā)了PC-LoHEAT 體系。

2.3.1 PC-LoHEAT 體系作用機(jī)理 PC-LoHEAT 體系是以低水化熱增強(qiáng)劑C-BT5 為主劑構(gòu)建的深水低水化熱水泥漿體系。水泥的水化反應(yīng)是水化熱的主要來(lái)源，降低水泥的用量是構(gòu)建低水化熱水泥漿體系的有效手段之一。PC-LoHEAT 體系以C-BT5 取代部分水泥，在不顯著降低水泥石強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，有效避免了水泥漿的集中放熱現(xiàn)象。

C-BT5 是一種具有火山灰活性的低水化熱膠凝材料，其主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、硅酸鹽等。在CBT5 的作用下，PC-LoHEAT 體系可實(shí)現(xiàn)水泥漿的水化熱分段式釋放。在水泥漿配制完成后，水泥顆粒先進(jìn)行水化反應(yīng)，形成第1 個(gè)放熱峰；之后，C-BT5 與水泥水化產(chǎn)物中的副產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)，生成C-S-H 凝膠（火山灰效應(yīng)），形成第2 個(gè)放熱峰。在這個(gè)過(guò)程中，既可有效降低水泥漿的集中放熱現(xiàn)象，又可通過(guò)“火山灰效應(yīng)”彌補(bǔ)由于水泥減少造成強(qiáng)度損失。

2.3.2 PC-LoHEAT 體系性能表征 水化熱低且呈分段式釋放是PC-LoHEAT 體系的主要特點(diǎn)。采用相同密度的常規(guī)水泥漿與PC-LoHEAT 體系進(jìn)行水化熱對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果（見(jiàn)圖2），PC-LoHEAT 體系呈現(xiàn)明顯的雙放熱峰（見(jiàn)圖2（a）），且峰值較低，較好地避免了由于水化反應(yīng)造成的集中放熱；同時(shí)，PC-LoHEAT 體系累計(jì)放熱量也相對(duì)較低（見(jiàn)圖2（b））。與常規(guī)水泥漿體系相比，PC-LoHEAT 體系的抗壓強(qiáng)度無(wú)明顯降低（見(jiàn)表4），可較好地滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

圖2 水化熱對(duì)比實(shí)驗(yàn)Fig.2 Hydration heat contrast test

表4 兩種體系的抗壓強(qiáng)度對(duì)比Tab.4 Comparison of compressive strength of the two systems

2.3.3 PC-LoHEAT 體系技術(shù)特點(diǎn)

（1）水化熱低且呈分段式釋放，有效降低了對(duì)水合物地層的擾動(dòng)，減小了水合物分解的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）可通過(guò)“火山灰效應(yīng)”彌補(bǔ)由于水泥減少造成強(qiáng)度損失。

3 應(yīng)用效果

自2013 年實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)推廣以來(lái)，中海油服表層固井水泥漿技術(shù)在我國(guó)南海東西部累計(jì)完成64 口深水井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，作業(yè)成功率100%，其中作業(yè)水深最深達(dá)2 619 m（目前為亞洲水深最深的超深水井），最低作業(yè)溫度1.9 ℃，成功解決了深水低溫、淺層流/氣、水合物地層等諸多深水固井技術(shù)難題，打破了國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在深水表層固井市場(chǎng)的技術(shù)壟斷，提高了中國(guó)深水固井技術(shù)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和影響力。

4 結(jié)論

針對(duì)南海區(qū)域最常見(jiàn)的低溫、淺層流/氣和水合物地層難題，中海油服形成了以PC-ExtCEM、PC-LoLET和PC-LoHEAT 為代表的深水表層固井技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)中表現(xiàn)良好。PC-ExtCEM 體系具有懸浮穩(wěn)定性好、低溫強(qiáng)度高的性能優(yōu)點(diǎn)，性價(jià)比高、作業(yè)強(qiáng)度低的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在低溫表層固井作業(yè)中，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。PC-LoLET 體系具有低溫防竄性能好、強(qiáng)度發(fā)展快的優(yōu)點(diǎn)，在可能存在氣竄風(fēng)險(xiǎn)的固井作業(yè)中，表現(xiàn)更加優(yōu)異。PC-LoHEAT 體系具有低水化熱、對(duì)水合物地層擾動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)，在水合物地層固井作業(yè)中，該體系固井效果更加良好。