深水固井水泥漿技術難點分析及其防治措施研究

張俊，潘宏霖，張詩航，趙強，胡順，楊曉榕

油氣田開發

深水固井水泥漿技術難點分析及其防治措施研究

張俊1，潘宏霖2，張詩航3，趙強4，胡順4，楊曉榕4

（1. 中國石化江漢石油工程有限公司鉆井一公司固井工程公司， 潛江 湖北 433100； 2.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，湛江 廣東 524000；3. 中石化江漢石油工程有限公司井下測試公司，武漢 湖北 430100； 4. 荊州嘉華科技有限公司，荊州 湖北 434000）

深水固井有著不同于陸上油田特有的儲層環境，也存在著不同于以往的作業難點及防治方案。綜述了近些年來深水固井領域所體現出的重難點及相對應的防治措施，分析了當下海洋油氣深水開發上的諸多問題，旨在為深水油氣資源開采技術上的進步提供一定的參考和借鑒。

深水； 固井； 防治措施； 綜述

在對海洋油氣資源的鉆完井作業上，由于海底深水區域的低溫條件和作業條件的限制，以及淺層流、天然氣水合物等易影響地層穩定的因素存在，致使針對海洋深水儲層的固井作業難度遠高于陸上油田。例如：在位于南中國海的馬來西亞海域的深水油田，由Murphy Sabah石油有限公司于2002年成功完成的5口深水井也都顯示出存在淺層水流或淺層氣流、天然氣水合物和脆弱非固結地層的影響，這些井的水深在1 300~3 000 m范圍，海底溫度約為1.7 ℃，給鉆井及后續作業造成了極大困難[1-5]。

也正是在這一背景之下，本文著力于從深水固井作業技術難點、固井技術方案等角度對之進行系統性綜述和分析，旨在為深水固井作業提供一定的指導和借鑒。

1 深水固井難點及挑戰

1.1 淺層流

淺層流是深水固井作業中所遇到的最主要的問題之一（圖1），淺層流動即是在鉆至深水上部地層砂時，由于超壓含水帶的侵入而形成不受控制的流動，繼而在井口周圍沉積大量的沉積物，這些沉積物削弱了井眼側向支撐力，使得套管下入變得異常困難。這一問題在海底以下90~2 100 m深度區間內都有可能發生，在深水低溫條件下，該情況所造成的危害更為嚴重，甚至一口井可能包含多個流動層，在固井環節中，淺層流噴發可能使井眼被過度沖刷，造成井徑不規則，泥餅清除困難，固井界面膠結質量差，并使固井作業產生微間隙[6-7]；在固井水泥漿體系使用不當的情況下，淺層流還會在候凝時侵入環空水泥漿中產生竄流現象，出現微竄槽。微間隙和微竄槽會使固井水泥環封隔作用效果降低甚至喪失，危及防噴器和隔水管甚至整口井的安全。

圖1 淺水層淺層流危害示意圖

1.2 天然氣水合物的分解

深水固井作業中另一項重要難點即是天然氣水合物的存在，該產物形成于高壓低溫環境下，通常呈球粒狀散布于細粒巖石中、或以固體形式填充在裂縫中，亦或是直接以大塊固態水合物并伴隨少量沉積物的形式存在。天然氣水合物在不受干擾的環境中通常是穩定的，然而在鉆井和固井過程中產生的熱量會造成天然氣水合物不穩定，從而產生淺層氣體，淺層氣除可能會造成井噴外，還會導致防噴器阻塞和壓井管線形成天然氣水合物塞、鉆井液脫水、水泥完整性損失以及氣體分離設備過載[8]。在井下深水環境中，海底較高的靜水壓力和較低的環境溫度增加了生成氣體水合物的可能性，鉆井作業會導致井下溫度和壓力（圖2所示）發生改變從而使得天然氣水合物發生分解，進而導致地層膠結變弱，井壁支撐力下降，井徑擴大或井眼堵塞，重則造成固井失敗。

圖2 氣體水合物的相平衡溫度及相平衡壓力[9]

1.3 深水溫度的變化

溫度對水泥的水化產生較大的影響，溫度越低，水泥的水化越慢，在海水深度達到2 000 m的情況下，海洋泥線的溫度可能低到3 ℃以下，常規的G級硅酸鹽水泥漿此時水化過程受到抑制，也就無法在一定的時間內釋放和支撐套管并使鉆井作業繼續進行；低溫下所引起的水泥漿的長期候凝將增加深水作業成本，特別是在目前深水平臺日租金奇高的情況下，候凝時間的縮短可以相對降低整個作業費用。除此而外，即使水泥漿在低溫下的凝固可以出現，但是在低溫下的強度發展也極其緩慢，因此，海洋泥線的低溫對水泥漿水化的影響，是深水固井作業中應該首先要解決的問題。

1.4 窄壓力窗口

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不斷下降。同時，泥線下地層的孔隙壓力相對較高，致使破裂壓力梯度和地層孔隙壓力梯度之間的窗口較窄，這種工況下調整鉆井液和水泥漿的密度和設計鉆井液和水泥漿的施工泵送參數都遇到了較大的挑戰，若是流體密度略高，地層可能被壓漏，流體密度略低，地層孔隙流體將進入井眼環空，影響正常作業。

2 深水水泥漿性能要求

設計水泥系統來緩解各種條件是一項具有挑戰性的任務。水泥系統必須通過幾個設計標準才能滿足深水標準。深水水泥泥漿最關鍵的工程參數是：

（1）稠化轉化時間短

海洋深水固井水泥漿體系必須保持較短的稠化過渡時間以最大化減輕深水淺層危害所帶來的影響。通常可以采用輕質材料、失液添加劑、硅酸鈉、鋁酸鈉、微硅、硅灰和專門的多用途添加劑這類縮短稠化過渡時間的外摻劑，用以促進幫助稠化轉化時間的發展。

（2）低濾失量

深水固井水泥漿的漿體濾失量應小于50 mL·30 min-1，且無游離液。過高的濾失量會導致水泥漿在前期混漿中出現脫水，過多的游離液會導致水泥漿中的流體竄流，導致套管/水泥和套管/地層界面脫粘，導致局部出現封隔失效。

（3）足夠的強度

適用于深水固井的水泥漿體系必須在非常低的溫度(低至0 ℃)下迅速凝固，并在井底低溫環境下24 h內達到至少500 psi的抗壓強度，以確保井下惡劣環境下水泥石具有足夠的封固強度。

3 深水固井水泥漿體系

3.1 充氮泡沫水泥漿

為應對淺海或深水淺層流固井作業中所出現的氣侵和水侵現象，較為普遍且熱門的一項舉措便是使用充氮泡沫水泥漿體系，該體系由水泥、含有泡沫分散劑和泡沫穩定劑等外加劑及氮氣共同形成的三相可壓縮流體。在基礎性能方面，與常規水泥相比，泡沫水泥漿通常有著更高的黏度和屈服應力，這有助于改善水泥漿的驅替效果，使其具有良好的防竄能力和頂替效率，且由于其楊氏模量較低，泊松比較高，從而提高了對井筒內循環壓力和溫度的抵抗能力，表現出一定的彈塑性。而就泡沫水泥漿特性而言，泡沫水泥漿還具備較強的可壓縮性和膨脹性，能有效補償濾液損失和壓力變化帶來的影響。此外，泡沫水泥漿還具有強度發展迅速，添加劑用量少等優勢。

Angela Doan[10]等對比研究了新型液體泡沫穩定劑和干式穩定劑的性能表現，研究發現干式泡沫穩定劑在混合過程中就易產生大量泡沫，若不使用消泡劑進行及時控制，會導致泵汽蝕的發生。而與之對應的新型穩定劑，在水泥漿中更易于分散，則能有效改善泡沫水泥的穩定性和均質性（密度均勻分布）。此外，現場應用實例表明，新型液體添加劑能有效改善與水泥漿的混漿性能，且無任何泵汽蝕問題的發生。與傳統的干式穩定劑相比，新型液體泡沫穩定劑具有更好的穩定性和可靠性。

3.2 PSD水泥漿體系

PSD(particle size distribution)水泥漿體系是一種顆粒級配水泥漿體系，在水泥漿中，添加的固相顆粒與膠凝材料水泥形成一定顆粒級配，提高堆積密度，即提高單位體積內固相的含量，使固液比最大化。由于其具有較少液含量，因此有利于縮短水泥漿的凝固時間，提高抗壓強度，減少水泥漿滲透率，從而提高水泥漿的整體性能。這種水泥漿可以適用于海水含鹽度較大的低破裂梯度深水固井，也適合于配制密度較低的水泥漿。

陳英[11]等采用微細水泥作為低溫低密度水泥漿外摻劑，在一定程度上增強了水泥石原生強度，經測試發現可使早期強度增加50%～100%以上，這為低密度，超低密度在低溫情況下的使用提供了有力的保障，且微細水泥在低溫，低密度體系中對水泥體系的沉降穩定性有很大的改善。

3.3 OPSD水泥漿體系

OPSD(Optimized Particle Size Distribution) 水泥漿體系是在PSD水泥漿體系基礎上研制的，是一種最優化顆粒級配水泥漿體系，該水泥漿以傳統方式混合，性能優于常規泡沫水泥漿，可以防止淺水流，通過添加外加劑還可以防止氣竄、有助于膠凝強度的發展。

Fangzhu Xi[12]等基于高填料理論，在此基礎上正確選擇干混合料的組分，并優化顆粒混合料，使其具有良好的粒度分布。水泥漿與海水混合，由速凝劑、輕質材料和一系列助劑組成。該水泥漿可以滿足深水井套管柱固井的一般要求。料漿密度可調節在1.2 g·cm-3和1.7 g·cm-3之間。該水泥漿具有4 ℃(4 MPa·16 h-1)抗壓強度發展快、流變性好、抗遷移能力強、無沉淀等優良性能。

4 結束語

就系統性對深水水泥漿固井領域所面臨的技術難點及解決措施的歸納總結上可知，目前針對海洋深水固井環境中所面臨的問題主要體現在淺層流、天然氣水合物的分解、深水溫度的變化、壓力窗口窄這四大方面，而對應的解決措施上，則主要體現在以提高水泥石早期強度、強化最終固化強度、縮短稠化過渡時間等一系列針對水泥漿配方進行調整的設計方案，這之中包括泡沫水泥、顆粒級配水泥、最優化級配關系水泥等能大大提高深水固井質量的水泥漿配方體系。

本文通過對深水固井難點及防治措施上進行系統性綜述，旨在為未來深水固井領域的發展提供一定的參考和借鑒。

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Technical Difficulties Analysis and Prevention Measures of Deep Water Cementing Slurry

1,PAN Hong-lin ,3,4,4,4

（1. Well Cementing Engineering Company of Sinopec Jianghan Petroleum Engineering Co., Ltd., Qianjiang Hubei 433100, China; 2. Zhanjiang Branch of CNOOC (China) Co., Ltd., Zhanjiang Guangdong 524000, China;3. Downhole Testing Company of Sinopec Jianghan Petroleum Engineering Co., Ltd., Wuhan Hubei 430000, China; 4.Jingzhou Jiahua Technology Co.,Ltd., Jingzhou Hubei 434000, China）

Deep water cementing has a unique reservoir environment, so it is different from onshore oilfield, andthere are also different operation difficulties and prevention schemes. In this paper, the key difficulties and corresponding prevention measures in the field of deepwater cementing in recent years were summarized, and many problems in the development of offshore oil and gas in deep water were analyzed, so as to provide some reference for the development of deepwater oil and gas resources.

Deep water; Cementing; Preventive measures; Review

國家科技重大專項（項目編號：2016ZX05028-001-009）。

2020-10-10

張俊，男，工程師，2012年畢業于常州大學油氣井工程專業，從事鉆井液與完井液工程研究。

TQ 256

A

1004-0935（2020）11-1427-04