一種海洋深水超低溫早強劑的研究

朱江林，石禮崗，方國偉

馮克滿，凌偉漢，宋茂林 （中海油服油田化學研究院，北京101149）

范 鵬 （中海油服油田化學事業部深圳基地，廣東 深圳518054）

海洋深水石油開發是我國未來相當一段時間內石油資源開發的重要領域，而低溫固井技術就是其中一項必不可少的重要和關鍵技術之一。海洋深水的特點是低溫、高壓，有時常常伴隨有低的地層破裂壓力、淺層流和天然氣水合物[1]。當水深達到800～1200m時，泥線溫度只有10℃左右，當水深達到1500～2000m時，泥線溫度只有3℃左右，低溫環境下存在的主要問題就是低溫延緩了油井水泥的水化，影響了水泥石抗壓強度的發展[2]，特別是在近似0℃的低溫環境下，普通 “G”級油井水泥幾乎停止了水化、固化反應，使鉆井作業無法繼續進行[3-4]，嚴重影響了在深水石油資源的開發、開采。

目前國內有較多20～40℃時使用的提高水泥石早期強度的早強劑，但仍還沒有對于海洋深水低溫15℃或接近10℃的低溫環境下所使用的低溫、超低溫早強劑。此外，普通 “G”級油井水泥在低溫10℃或更低溫環境下，一般情況下水泥水化速度緩慢或幾乎不進行水化反應，水泥石早期強度低，8h甚至24h無法形成有效強度，作業無法順利進行。為此，筆者研究了一種深水固井用低溫早強劑。

1 深水低溫早強劑基本組成及使用方法

該早強劑主要由固體PC-DA21S與液體PC-DA21L兩部分組成。當井底靜止溫度≥20℃時，推薦使用單一固體早強劑PC-A21S即可達到理想的早強效果，加量范圍在0.5%～5% （BWOC）；若3℃≤井底靜止溫度＜20℃，此時必須固液混合使用效果會更佳，液體具有在低溫環境下促使水泥成分中的硅酸三鈣迅速水化的功效。在加有固體早強劑的情況下，液體早強劑PC-DA21L加量為2%～3%（BWOC），固體成分PC-DA21L依然為0.5%～5% （BWOC）。液體PC-DA21L能起到較好的早期促凝作用，能明顯縮短稠化時間；而固體PC-DA21S能滿足早期強度發展要求，明顯提高水泥石的強度。

2 深水低溫早強劑性能評價

2.1 早強劑對漿體流動性能評價

現有的早強劑大部分有增稠嚴重現象，主要是由于大都加有CaCl2或其他含Ca2＋的無機材料，必然會影響漿體的流動性能，且氯離子的存在對鋼材腐蝕嚴重，不利于油氣井的開采。不同早強劑對漿體流變性能影響如表1所示。由表1可知，筆者研究的早強劑增稠現象不明顯，水溶性好，也不含氯離子，有利于保護油井套管。

2.2 低溫10℃性能評價

當水深達到800～1200m時，泥線溫度只有10℃左右，對于海洋深水表層固井是一個挑戰。超低溫早強劑PC-DA21S及PC-DA21L依據上述指導說明及使用方法，漿體在保持較好的流變情況下，稠化時間能隨意調整并能達到水泥石固井作業的抗壓強度要求，見表2。

表1 不同早強劑對漿體流變性能影響

表2 10℃的漿體稠化時間與抗壓強度性能

為可持續觀察水泥石在低溫10℃環境下的強度發展情況，筆者對水泥石進行了UCA （超聲波水泥強度分析儀）試驗，它能夠持續監控水泥石在低溫環境下的強度發展 （見表3）。試驗結果表明，常規漿體在低溫10℃時流變性能較好，一直保持在17～20Bc左右。超低溫早強劑PC-DA21S（L）可以滿足稠化時間的要求，其他早強劑在達到最大加量時都無法將稠化時間縮短至4h左右，故其他早強劑在24h都無法滿足支撐套管最低3.5MPa的強度要求。超低溫早強劑PC-DA21S（L）在低溫10℃情況下14h形成支撐套管的3.5MPa強度，24h達到6.9MPa，3d水泥塊強度達到19.6MPa的高強度，是其他早強劑抗壓強度的2～3倍左右。

表3 低溫10℃時UCA抗壓強度數據表

2.3 超低溫3℃性能評價

當水深達到1500～2000m時，泥線溫度只有3℃左右，低溫環境下存在的主要問題就是低溫延緩了油井水泥的水化，影響了水泥石抗壓強度的發展。表4為低溫3℃時加早強劑及未加早強劑時淡水、海水的試驗情況。

表4 早強劑低溫3℃性能評價

結果表明，在低溫3℃時，水泥漿體水化速度緩慢，8h甚至24h幾乎都無強度。加有超低溫早強劑后，24h后最高強度達到2.80MPa，48h達到10.6MPa，滿足現場施工要求。從UCA超聲波強度測定儀上研究發現 （見表5），30h后抗壓強度達到3.6MPa，120h強度發展到22.8MPa，160h強度發展到27.3MPa，結果非常理想，表明超低溫早強劑同時具有很好的后期強度發展。

2.4 溫度適用性研究

溫度環境對水泥漿性能影響很大，特別是對漿體的稠化時間及水泥石的抗壓強度有較大影響。為研究早強劑對環境溫度的適用性，筆者在不同循環溫度下進行試驗研究，試驗結果見表6。

表5 低溫3℃時UCA抗壓強度數據表

表6 早強劑在不同溫度下的稠化時間及抗壓強度

結果表明，低溫早強劑PC-DA21S（L）可以滿足不同循環溫度下的稠化時間要求，適用于循環溫度從3～40℃的溫度寬度，而且水泥石的抗壓強度較高，完全可以滿足不同環境下的固井作業要求。

3 結 論

通過以上試驗證明，對于低溫早強劑PC-DA21S（L）可以得出以下結論：

1）現有技術的早強劑大部分有增稠嚴重現象，而且含有對鋼材腐蝕嚴重的氯離子的存在；發明的低溫早強劑增稠現象不明顯，水溶性好，也不含氯離子，有利于保護油井套管。

2）該早強劑可以解決低溫10℃情況下14h形成支撐套管的3.6MPa強度，24h達到6.9MPa，3d水泥塊強度達到19.6MPa的高強度。

3）該早強劑在低溫3℃時也表現出較好的早強效果，30h后抗壓強度達到3.6MPa，60h達到10.8MPa。

4）該早強劑適用的循環溫度為3～40℃，可用于水深在2000m以內的快速鉆井中導管和表層套管固井及低溫淺井固井。

[1]Biezen E，Ravi K.Designing effective zonal isolation for high-pressure／high-temperature and low temperature wells [J].SPE／IADC，1999：57-583.

[2]White J，Moore S，Miller M，et al.Foaming cement as deterrent to compaction damage in deepwater production [J].SPE／IADC，2000：59-136.

[3]Watson P，Richard B，Thomas P，et al.An innovative approach to development drilling in the deepwater Gulf of Mexico [J].World oil，2004，225 （1）：41-48.

[4]Mohammedi N，Ferri A，Piot B.Deepwater wells benefit from cold-temperature cements [J].World Oil，2001，222 （4）：86-88.