深水表層固井低密度水泥漿體系在LW井的應用

吳村章 宋茂林 趙 琥 范 鵬 廖易波 閻許峰

(中海油田服務股份有限公司 油田化學事業部，中國 北京101149)

0 引言

隨著全球能源需求的不斷膨脹，陸上大型油氣田日益枯竭，人們逐漸將目光投向海洋，海洋油氣資源主要分布在大陸架，約占全球海洋油氣資源的60%，其中深水、超深水域的油氣資源潛力可觀，約占30%[1-2]。低溫、海底松軟地層、淺層流是這類地層的普遍特點。

本文所研究的適合深水表層固井的低密度水泥漿體系可以解決深水表層固井所面臨的難題，并在國內應用于大于500m水深的井，有利于提高國內深水油氣井固井的整體水平。

1 深水低密度水泥漿體系的開發

1.1 技術背景

根據物探調查，本井位將鉆遇斷層，存在井漏的風險；另外，對于相同沉積厚度的地層來說，隨著水深的增加，地層的破裂壓力梯度在降低，致使破裂壓力梯度和地層孔隙壓力梯度之間的窗口較窄，容易發生井漏。

國內外常用的低密度水泥漿主要有漂珠、膨潤上、粉煤灰等體系。從現場使用經驗來看，這些低密度體系的密度都有最低的限制值，當密度低于這個限制值時，水泥漿的性能變化特別大，尤其是漿體穩定性和水泥石抗壓強度。如漂珠低密度水泥漿體系的最低密度限制值是1.4g/cm3；膨潤上低密度水泥漿的最低密度限制值是1.6g/cm3；粉煤灰低密度水泥漿的最低密度限制值是1.55g/cm3當各自的水泥漿密度低于該密度時，水泥漿產生分層，且抗壓強度下降很快[3]。

而且，隨著水深的不斷增加，3000m水深就相當于將近30MPa的靜液柱壓力，而且隨著井深的不斷增加，壓力還會繼續增加。那么目前常用的漂珠低密度水泥漿體系是否能承受如此高的壓力呢？圖1就是實驗室得到的常規密度的漂珠低密度水泥漿體系密度隨壓力的變化趨勢。

圖1 1.56g/cm3天然漂珠水泥漿的密度隨壓力變化趨勢

由圖1可以看出：1)隨著井下壓力的升高，水泥漿的密度隨之增大，而目密度越低的水泥漿其密度升高的幅度越大；2)當井下壓力達到30MPa時，水泥漿密度已經達到1.69g/cm3，已經失去了使用低密度水泥漿體系的意義。

試驗結果表明，常用的漂珠類低密度水泥漿體系不適用于低壓易漏并目多屬于深水、超深水井的地層的固井施工。天然漂珠在井下壓力作用下破碎之后，使低密水泥漿體系密度上升的同時，也增加了該體系的粘度，從而使泵壓升高，這就進一步增加了井漏的風險。

而且漂珠作為火電廠粉煤灰沸騰燃燒方式的副產品，隨著火電廠鍋爐從沸騰燃燒方式向節能環保的流化床燃燒方式轉變，漂珠的產量將會越來越少，因此目前急需尋找一種代替漂珠的新型減輕材料，以滿足配制低密度水泥漿的需求。

1.2 新型低密度減輕材料選擇

常用漂珠低密度體系承壓能力差的主要原因是，使用的密度減輕材料漂珠本身為煤燃燒的副產品，粒徑大小不一，形狀不規則，所含成分也不一致，造成了其承壓能力差。中海油服油田化學研究院的經過研發改進的中空玻璃微珠PC-P62是工廠生產的產品，具有更好的粒徑分布和強度。

PC-P62人造玻璃微珠主要化學成分是堿石灰硼硅酸鹽玻璃,是一顆顆透明的微米級玻璃質密閉中空正球體，有堅硬的球殼，球體內充有稀薄的氣體。從在宏觀上看是純白色的粉末。其粒徑大小不等，最小顆粒粒徑為2mm，其平均粒徑為35mm。壁厚約為其直徑的10%。作為一種新型的無機填料，它具有密度小，抗壓能力強，穩定性優異的特點[4]。

表1 P62人造微珠物理性能

并目研究表明，該系列空心玻璃微珠為小粒徑的完美球體，易混合，易泵送；不可壓縮，可以方便準確地進行測井工作；有極高的強度密度比，在井下作業時不會破碎；有相當高的密閉率，水不能進入球體，因此可以使密度保持恒定；呈化學惰性，不會與水泥漿中的其他添加劑發生反應，從而兒乎可以和所有的固井水泥漿體系兼容；微珠的各向應力一致，可以減小水泥在固化后的收縮；內部有少許氣體存在，因此有很好的保溫作用，這樣就可以加快水泥的水化速度，從而減少候凝時間，并目使水泥在短時間內就有較高的強度[5]。

鑒于深水、超深水固井存在表層壓力窗口很窄，海底水泥漿受到的水深壓力高，因此選擇粒徑更小、密度低、抗壓強度更大的PC-P62作為深水用密度減輕劑。

1.3 低密度水泥漿體系設計原則

根據顆粒級配緊密堆積理論，通過優化低密度混合物中粒度分布，提高水泥漿體系的密實程度，可以使低密度水泥漿的強度和其他性能大幅度提高。因此，要注意以下問題：

1）較好的穩定性:水泥漿在一定的條件下，漿體不發生分層離析，形成的水泥石縱向密度分布要基本一致，游離液少、體積收縮小。

2）合適的流變性和密度:選擇減輕劑的類型和級別粒徑，不能盲目增大用水量，用水量應嚴格控制在所選擇減輕劑的最大允許范圍內。

3）較高的早期強度:不能盲目追求水泥漿的流變性能和濾失量控制，而損害水泥漿的抗壓強度和穩定性。選擇不同粒徑的低密度材料緊密堆積并輔以外加劑，以提高早期強度。

1.4 深水表層水泥漿體系及性能評價

根據LW的實際井況要求，結合開發的新型深水低溫外加劑，使用了新型PC-LoLET深水低溫低密度水泥漿體系。水泥漿主要材料為：

嘉華G級水泥，人造微珠PC-P62，增強劑PC-BT1，早強劑PCDA92S、PC-DA93L，降失水劑PC-DG72S，消泡劑PC-X61L，分散劑PC-DF41L，防竄增強劑PC-GS12L，現場鉆井水。在室內做了大量的配方優化實驗，得出了20”套管固井的水泥漿配方，并對水泥漿性能進行了詳細的評價。其水泥漿基本性能如表2所示。

20”套管固井的水泥漿配方為：

首漿：100%G級水泥+15%PC-P62+17%PC-BT1+1%PC-X66L+1%PC-X60L+1%PC-DA92S+1%PC-DA93L+0.6%PC-DG72S+0.6%PCDH41L+12%PC-GS12L+FW

尾漿：100%G級水泥+15%PC-P60+17%PC-BT1+0.5%PCX66L+1.8%PC-DH41L+0.8%PC-DA92S+0.4%PC-DG72S+0.8%PCDA93L+0.5%PC-X60L+12%PC-GS12L FW

表2 水泥漿性能(BHCT=25℃,BHST=33℃,BHP=14MPa)

2 現場應用

LW位于香港東南約260km。流花28-4構造位于珠江口盆地南部拗陷帶珠Ⅱ拗陷，白云凹陷東洼北部斜坡帶。2011年在番禺低隆起的PY-LH成藏區帶內勘探發現大量油氣資源，證明了該地區油氣成藏條件非常有利，同時也揭示了白云凹陷油氣勘探的巨大潛力。預測油層位置位于珠江組下部砂巖（分布井段2996.0m～3096.0m）、珠海組T62層砂巖（分布井段3554.0m～3616.0m）。地層壓力及鉆井液類型如表3所示，壓力預測圖如圖2所示，井溫數據表如表4所示。水深561米，共進行3開鉆井作業：一開噴射下入36”導管；二開26”井眼，進行20”固井作業；三開17-1/4”井眼，進行13-3/8”，四開無固井作業。

表3 地層壓力及鉆井液類型

20”套管現場施工情況：

20”淺層套管固井地層破裂壓力較低，固井存在漏失的風險；地層松軟，附加量難確定。根據存在的難點，套管下至設計井深后，用30 SPM排量開始循環，返出正常后逐漸增加排量到130 SPM；循環海水2周，固井泵泵顯示液10bbl，固井泵泵注沖洗液60bbl；固井泵混泵密度為1.35S.G的水泥漿832bbl，需混合水489bbl，漂珠水泥98T；固井泵混泵密度為1.43S.G的水泥漿571bbl，需混合水269bbl，漂珠水泥86T；固井泵替海水92.53bbl，卸壓檢查無回流。

圖2 LW壓力預測圖

表4 井溫數據表

候凝時間10小時（現場連續作業，甩鉆桿，下防噴器），探塞位置1078.5m，壓20 klbs確認。鉆套管附件及水泥塞至1100m，套管試壓300psi/5min，1500psi/15min，合格，符合設計。三開鉆進中未發現水泥掉塊。

3 結論

3.1 油田事業部研發的人造玻璃微珠減輕劑相比天然漂珠更適合深水、超深水表層固井作業。

3.2 油田化學事業部自主研發深水低溫表層固井低密度水泥漿體系綜合性能良好，且體系穩定，在南海LW現場應用良好。

［1］國家能源中心石油化工行業研究組.2008-2010年全球海洋油氣勘探行業發展研究與市場前景預測分析報告[R].

［2］Luiz A S R,Junqueira P,Roque J L.Overcoming deep and ultra deepwater driling challenges[R].OTC15233,5-8 May,2003.

［3］Bannerman M,Calvert J,Griffin T.New API practices for isolating potential flow zones during drilling and cementing operations[R].SPE97168,2005.

［4］Baireddy R R,Ronald J C,Bryan K W.Early-enhanced strength cement compositions and methods[P].USP:6478868,2002-11-12.

［5］廖欣,譯.水泥的結構與性能[M].化學工業出版社,2009:45-62.