超細“G”級油井水泥低溫低密度水泥漿研究

朱江林 李占東 韋江雄 何昱昌 謝曉庚

摘 要

針對海洋深水低溫、破裂壓力低等特點，通常要采用低密度水泥漿來封固深水表層;低溫環境下普通“G”級油井水泥水化速度緩慢或幾乎不進行水化反應，水泥石早期抗壓強度低且發展緩慢。為有效降低現場候凝時間，節約深水作業成本，開發了一套適用于深水表層固井用超細“G”級水泥用低溫低密度水泥漿。對水泥漿體系的設計原理與水泥漿組分進行了論述，并對該水泥漿體系在深水環境下的性能進行了評價，和中海油服現場在用的普通“G”級油井硅酸鹽水泥漿體系進行了對比。結果表明，超細“G”級水泥低溫低密度水泥漿體系在低溫環境下具有較高早期強度、低失水量以及良好的流變性和稠化性能，其中密度為1.40g/cm3及1.44g/cm3的水泥漿在10～13℃溫度下的稠化時間≥8hr，API失水<70mL，1.40g/cm3水泥石在10℃及13℃溫度下養護24h后的抗壓強度可達到3.9MPa及5.4MPa;1.44g/cm3水泥石在10℃及13℃溫度下養護24h后的抗壓強度可達到可達到5.8MPa及8.3MPa。同等水泥石密度及溫度下，超細”G”級水泥石24h強度較中海油服在用的普通“G”級油井硅酸鹽水泥石強度提高40%以上。

關鍵詞

深水;固井;水泥漿;低溫;低密度;抗壓強度;超細“G”級油井水泥

中圖分類號： TE256.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.001

0 引言

海洋深水石油開發是中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，有時常常伴隨較低的地層破裂壓力、淺層流和天然氣水合物[1]。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[2-3]。中國南海某區塊水深達2437.5米時，表層鉆探的循環溫度僅有13℃左右，泥線溫度只有5℃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，影響了水泥石強度的發展，若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，24h甚至48hr無法形成有效強度，作業無法順利進行。

由于海底沉積巖層形成時間較短，缺乏足夠的上覆巖層，地層結構疏松，破裂壓力較低，通常要采用低密度水泥漿來封固深水表層。不同深水地層的破裂壓力存在差異性，在固井時需針對封固地層的破裂壓力設計相應的水泥漿密度，以達到最佳封固效果。本論文針對南海深水某A區塊，使用密度為1.40g/cm3及1.44 g/cm3的水泥漿，在10～13℃溫度下對體系的稠化、API失水、抗壓強度等性能進行評價。對比同等水泥石密度及溫度下，超細G級油井水泥石強度，遠高于在用普通“G”級油井硅酸鹽水泥石強度。通過論文研究，一方面解決了我國深水表層固井中的低溫問題，保證了導管或套管水泥柱的低溫環境下的抗壓強度和固井質量;另一方面也節約了固井等待時間，提高了深水鉆井船的使用效率，節省了深水鉆井船昂貴的租金。

1 水泥漿配方設計

1.1 水泥漿設計原理

1）水泥選擇：普通G級油井水泥應用于深水環境面臨著諸多問題，最為突出的是低溫、低密度條件下水泥石強度發展緩慢，存在長時間難以固化現象[4-7]。要想最快、最大限度地提高水泥石的低溫高早強性能，主要因素還是在于水泥、配套外殘料及添加劑的選擇，但水泥是基礎和根本，優選水泥是關鍵中的關鍵。筆者最終優選了800目的超細G級油井水泥，成分與普通G級油井水泥保持一致，唯一不同點是優選了一種800目超細G級油井水泥代替了普通G級油井水泥（325目），超細材料的活性更高，早期低溫強度更優。

2）使用低密度高性能減輕劑[8]：減輕劑能有效增加水泥等凝膠材料在水泥漿中所占比例。深水表層固井水泥漿受地層破裂壓力低的限制，需要使用密度減輕劑。故在設計水泥漿時，需選用耐高壓低密度減輕劑，以增強密度減輕效果，提高水泥等凝膠材料在水泥漿中所占比例，促進水泥石強度發展，另外，耐高壓密度減輕劑能夠為水泥石貢獻有效的支撐強度，相對提高低密度水泥漿的早期強度。

3）降低水泥石滲透率，提高水泥石強度[8]：低溫低密度硅酸鹽水泥漿中存在多種固體顆粒，顆粒之間存在空隙，在水泥漿固化后，這些空隙將影響水泥石的滲透率和強度。為提高水泥石的強度，降低其滲透率，在低溫低密度硅酸鹽水泥漿體系中，需加入性能良好的增強劑。該增強劑應包括活性填充劑材料與惰性填充劑材料，活性填充材料為具有水化活性的超細顆粒，能夠促進水泥顆粒水化，有效填充顆粒間的空隙;而惰性填充材料也能夠更有效地填充顆粒間的空隙。加入由這兩種填充材料復配成的增強劑，能夠提高水泥石的致密性與早期強度。

1.2 水泥漿配方組成

不同深水地層的破裂壓力存在差異性，在固井時需針對封固地層的破裂壓力設計相應的水泥漿密度，以達到最佳封固效果。考慮到南海深水某A區塊深水表層套管固井時，水泥漿需求量較大，為保障水泥漿安全泵送，在設計水泥漿配方時，要求將低密度水泥漿13℃的稠化時間控制在8h～9h。通過調節水泥漿中減輕劑、增強劑以及鉆井水所占比例，確定密度1.40～1.44kg/L的水泥漿配方如下：

1.44g/cm3：100%超細“G”級油井水泥（800目）+72%鉆井水+13%人造漂珠輕劑+6%低溫增強劑+2%CG80s+2.5%Acc-a+2.5%Acc-b+0.4%X60L

1.40g/cm3：100%超細“G”級油井水泥+75.5%鉆井水+15.5%人工減輕劑+6%低溫增強劑+2%CG80s+2.5%Acc-a+2.5%Acc-b+0.4%X60L

2 水泥漿性能評價

2.1 常規性能評價

經過多次材料和配方優選實驗，調整各組成材料的摻量和水灰比，根據具體的實驗條件選用不同的外加劑，可配制出性能優良、成本低廉的水泥漿配方。表1中把優選的超細“G”級水泥低溫低密度水泥漿稠化性能與中海油服在用的PC-LOLET低溫低密度水泥漿及常規1.90g/cm3的性能進行對比，結果如表1-2所示，相關的漿體初始稠度及水泥石成型見圖1、圖2所示。

表1、表2實驗結果表明，超細“G”級油井水泥低溫低密度水泥漿具有較好的流變、失水、稠化和抗壓強度性能。圖1、圖2表明漿體具有較好的流態及膠凝固化后成型。依據中海油服企業標準，滿足下一開作業要求的深水表層水泥石最低強度要求為3.5MPa以上。同等密度1.40g/cm3的水泥石在10℃時，配方2和配方3水泥石達到3.5MPa相差近14小時，在13℃時兩者相差近10小時，水泥石24h強度配方2相對配方3增加了40%以上，體現了超細“G”級油井水泥低溫低密度水泥漿性能遠遠優于中海油服在用的PC-LOLET低溫低密度水泥漿體系。對比配方1與配方4，實驗結果表明，超細“G”級油井水泥低溫低密度1.44 g/cm3水泥石在同等溫度、稠化時間和養護下，水泥石的抗壓強度可以媲美1.90kg/L的普通硅酸鹽水泥石，10℃養護24hr抗壓強度都能達到800psi以上，13℃養護24hr抗壓強度都能達到8.3MPa以上，兩者達到3.5MPa水泥石強度的時間也是非常接近。實驗結果體系了超細“G”級油井水泥低溫低密度水泥漿性能非常的優良。

3 結論與建議

1）超細“G”級油井水泥低溫低密度水泥漿主要的凝膠材料為800目G級油井水泥，來源較為廣泛，應用前景廣闊。

2）超細“G”級油井水泥低溫低密度水泥漿具有較好的初始稠度和稠化性能，且具有低溫早期強度高和失水量低的特點，實驗性能能夠充分滿足深水表層固井作業需求。

3）同等水泥石密度及溫度下，超細“G”級油井水泥低密度水泥石24小時強度較中海油服在用的普通“G”級油井低密度水泥石強度提高近40%以上，達到3.5MPa最低水泥石抗壓強度可節約近10小時或以上。

4）超細“G”級油井水泥低密度水泥漿需重點監控膠凝材料水泥的質量穩定，以保證水泥漿體系的優異性，可在外摻料和添加劑方面優化有進一步的提升性能的空間。

參考文獻

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