海洋深水固井水泥漿的難點問題及解決方法

孫長浩（中海油田服務股份有限公司油田化學事業部深圳作業公司，廣東 深圳 518000）

現代經濟建設不斷發展態勢下，全球油氣消費量不斷增長，油氣資源開采卻逐漸呈現出了后繼乏力的趨勢，給石油開采工業帶來了巨大的挑戰。海洋深水中油氣資源豐富，比如我國的南海海域、南沙群島等區域，都蘊含著豐富的油氣資源。海洋深水處環境的復雜性，又為現代石油開采技術提出了新的挑戰。相關領域的工作人員，應當不斷改進我國現在在石油開采技術上的薄弱環節，加大對相應的技術及所需設備在人力、物力上的投入，保障我國固井在油田中的技術含量。不斷推進我國石油固井技術施工工程的精確度，助力我國石油勘探及開采技術的蓬勃發展。

1 海洋深水固井水泥漿面臨的主要問題

500m～1500m 的海域被稱為海洋深水，超過1500m 的海域被稱為超深水。固井的過程中，水泥漿的選擇十分重要。海洋深水固井面臨著極為復雜的深水環境和淺部地層情況，這也意味著海洋深水固井難度極大。與陸地上常規的固井相比，深水固井尤其是深水的表層固井，通常面臨著以下幾個問題：

1.1 低溫

海水深水中溫度的變化趨勢是，溫度自海平面起，隨著深度的增加而降低，至海底溫度接近零度，到達地層以后，溫度又逐漸升高。通常情況下，水泥漿的膠凝強度隨著水泥漿密度及溫度的升高而加快，但是海底長期的低溫狀態與破裂壓力的梯度，使水泥漿水化的溫度及密度都大打折扣，會長期使水泥漿處在膠凝失重的狀態，不利于水泥漿流變性、抗壓強度和膠凝強度的發展。水泥漿強度的發展受到影響，在很大程度上會延長侯凝時間，打亂原本的稠化曲線。淺層流、淺層水的氣竄以及其他的復雜情況，對水泥漿的稠化也帶來的不小的挑戰，若無法克服，甚至會導致固井失敗。

1.2 松軟地層

海底及近海底地層沉積都處于松軟、欠壓實的狀態，造成地層的破裂壓力達到一個較低值，最低在1.5PPG(0.18 g/cm3)左右。大范圍的軟泥固結物，造成安全作業窗口壓力和破裂壓力之間更為狹窄。目前為了在深海使鉆井達到預定深度，采用了增加套管層數、非常規井身結構、控制壓力鉆井（MPD）、雙梯度鉆井等技術措施，這些措施對于鉆井工程中遇到的難題能夠有所緩解，卻極易導致固井工程中漏失、小井眼薄水泥環等問題的出現。要想切實提高海洋深水固井的安全性與穩定性，解決漏失、環空間隙小等問題是關鍵。

1.3 淺層流

淺層流指的是在近海底地層的淺水區域，在地質沉積過程中形成的圈閉的高壓鹽水、氣等流體。在進行海洋深水表層的套管固井的過程中，若遭遇由于快速沉降而導致的地層壓實作用不平衡或上覆巖石厚度不同而形成高壓砂層時，如果這個階段水泥膠凝狀態沒有達到一定的強度，就會產生流動的流體。在鉆井時若不慎揭開這些流體的地層，一旦控制不當，就極易造成井噴等復雜狀況。淺流層的流體，在水泥尚未達到膠凝狀態的情況下，可能竄入水泥漿中，影響水泥漿的膠結，極易導致固井作業的失敗。這就要求在海洋深水固井作業中使用的水泥漿，需要具備低溫早凝、良好的流變性能、良好的防竄性能以及適宜的密度等性能。

1.4 費用高

海洋深水固井作業中低溫、低密度、淺流層以及距離、氣候等因素的影響下，造成的水泥漿侯凝時間的大大延長，也給后勤供應帶來更加嚴峻的挑戰。基于這些原因，深水鉆井、固井作業費用極高，目前已經達到了每天上百萬的巨額費用，這樣的情況下意味著每時每刻工程進度的延長，都會帶來高額費用的流失。例如下套管作業，在陸地的鉆井工程中，下套管的快慢對鉆井的費用影響較小，不用過于關注下套管的速度。但是在海洋深水進行鉆井作業時，下套管速度的提高，會節省2-3天的鉆井作業用時，這對于每日上百萬的高額支出來說，省下來的是一大筆費用。可是海洋深水作業中，由于破裂壓力梯度較低等因素的影響，若下放套管的速度太快，極易出現較高的壓力而導致地層漏失。在海洋深水進行固井作業的過程中，如何減少侯凝及下放套管時間，降低工期延長的幾率是值得思考并必須解決的難題。

2 海洋深水固井水泥漿問題的解決策略

2.1 確定水合物穩定性的特性曲線

海洋深水區域富含大量的天然氣水合物，在鉆井固井中導致氣體竄連的問題時有發生。若水合物的分解情況并不嚴重，可能隨著時間流逝氣體的流動會減慢，然而一旦情況惡化，會導致更加嚴重的后果。結合現場的基本環境，選擇適宜密度的水泥漿是保障固井質量的重要環節。海底環境復雜，若要準確找到能夠適應深水環境的固井水泥漿體系，研究并明確海底的水合物特性曲線的穩定性是關鍵。要想準確地繪制出天然氣水合物穩定性特性曲線，需要收集海洋深水區域及施工現場整體的溫度和壓力數據作為基礎，并經過比對分析，找出其中水合物分解的因素、的水泥漿體系水化熱對溫度的影響等規律，給予深水水合物層固井水泥漿設計一個更好的指導。

2.2 海洋深水固井材料體系研究

我國目前應用于海洋深水區域的較為先進的水泥漿體系有兩種種類，分別是低溫泡沫水泥漿體系和低溫低密度水泥漿體系。低溫泡沫水泥漿體系具有侯凝時間短、過渡時間短的特點，對于淺層流竄流的發生有較好的抑制作用，是現在深水材料體系中發展較迅速的一種材料。然而這種材料在應用上大大增加了施工工藝的難度，還需在施工工藝上著手，重點研究使得低溫泡沫水泥漿能夠更好地發揮其功效，提高海洋深水固井的質量。低溫低密度水泥漿能夠極好的適應海底松軟地層，緩解高壓力下漏失、環空間隙小等問題。在這兩種材料有效應用的基礎上，還應該不斷加強對適用于低溫、無緩凝副作用的降失水劑及分散劑、防止淺層竄流的外加劑之類材料的深入研究，不斷加強和優化水泥漿的密度、抗壓、膠凝等性能，相關的技術部門投入更多的人力物力，不斷完善我國海洋深水固井材料體系的研究。

2.3 優化固井設計軟件系統

信息化時代背景下，石油開發與勘探過程也逐漸信息化、智能化。一方面，通過構建系統化的海洋深水固井設計的軟件，能夠更加精確的對水泥漿泵注過程中的地層承壓情況、水泥漿溫度變化的情況進行模擬，綜合考察整體的海底環境狀況，精確地掌握油井各方面的信息，包括整體的溫度、密度、淺流層流竄狀況等，及時發現疏漏并提出對應的解決措施。另一方面，現在已經具備有成套的固井泵管控裝置，能夠自動進行漿液混合。傳統對于水泥漿的比例都是人工查驗，難以保證精確性，而現代的固井泵大部分已經智能化，可以通過智能顯示屏反饋各個時段漿液的密度，大大提高了固井工作的精確性。要切實提高我國海洋深水區域固井工程的智能化技術，通過精確的計算，設計更為科學的、具有針對性水泥漿體系，優化海底固井的設計方案。

3 結語

海洋深水石油開發技術是我國未來石油工業發展的新領域，固井水泥漿的問題是現在海洋深水作業中需要解決的重點問題，這項問題的解決大大推動我國海洋深水石油開采技術的提升，能夠有效促進我國的石油的開發與勘探，同時助推我國國民經濟社會效益的提高。在海洋深水區域的石油開采，我國的技術發展還存在極大的發展空間，必須加強海洋深水固井技術材料體系方面的研究投入及研發團隊的建設，通過完善水合物穩定性特性曲線的分析、淺層流體竄流機理和氣竄問題的解決發展我國的海洋深水固井技術，實現我國境內的油藏安全以及最大效益的開發，更好的助力我國經濟發展。