淺層大位移井固井水泥漿體系研究

胡潤澤，謝 昊，路 旭，胡 潔，曾 錚，趙志宇

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

隨著陸地油氣資源的日益枯竭，勘探開發面臨著向海洋開進的趨勢。渤海油田地質儲量豐富，但含油氣圈閉呈零散分布，海洋鉆井平臺又具有空間有限且機動性差的特點，難以形成工業化規模的開發，需要探索更有效技術手段。大位移井水垂比大、水平段長，能夠達到鉆遇多套砂體的目的，增大了井筒與儲層接觸面積，極大提升了渤海油田勘探開發效率。固井能夠有效封隔易噴、漏、塌的復雜地層，是鉆完井風險管控的重要環節，但由于渤海不同區塊地質條件各異，水泥漿體系性能受環境因素影響較大，固井作業面臨一系列風險和挑戰[1-2]。

K 油田位于渤海南部，是渤海油田重點開發項目。該油田第三系地層中含油層位較多，勘探開發初期以淺層大位移井為主，淺部地層泥質膠結及壓實情況較差，具有“兩低”（地層溫度低、孔隙壓力低）特點。固井作業時，低壓疏松地層易誘使水泥漿容易向地層漏失，導致固井質量差，嚴重時甚至影響固井安全。同時在低溫條件下水泥水化作用慢，候凝時間長，水泥石強度發展慢，導致固井候凝等待時間長，增加海上作業成本[3-4]。針對這一問題，本文從優化水泥漿密度及封堵性、提高早期強度、增強體系穩定性三個角度進行了技術研究，形成了一套適用于淺部疏松地層的大位移井固井水泥漿體系，對該油田安全開發具有一定意義與價值。

1 現有水泥漿體系存在問題

渤海淺層極疏松地層大位移井對固井水泥漿體系性能提出了兩方面的要求：需要保證體系具有低密度的特點，避免水泥在套管與井筒環空中上行過程中發生井漏；需要水泥漿在海洋低溫環境下具備較好的早強性能，提高水泥膠結面抗壓強度，保證固井質量[5]。針對低溫低密度水泥漿體系的研發，目前國內外院所、油田企業都投入了巨大的資源，從固井材料（水泥和外摻料）、水泥外加劑以及相關理論等方面開展了廣泛而深入的研究，形成了以下四種性能優良的體系：

（1）DeepCRETE 水泥漿體系。Schlumberger 公司的DeepCRETE 水泥漿體系采用顆粒級配技術優化不同尺寸固相顆粒的比例，使固液最大，空隙中消耗的水更少，有效提高水泥漿性能和水泥石的機械性能。水泥漿密度范圍1.02～1.68 g/cm3，溫度適用范圍4～27 ℃，特別適用于漏失風險較高的地層固井，也適用于可能有淺層流危險的固井[6]。

（2）DeepSetTM泡沫水泥漿體系。BJ 公司的泡沫水泥漿的基漿密度為1.68～1.9 g/cm3，沖入氮氣后泡沫水泥漿密度可低于0.6 g/cm3，泡沫體系壓縮性能有效控制淺層水流和淺層氣，具有低失水、高強度、隔熱性好、壓縮性好、與多種水泥添加劑配伍等優點。

（3）DeepWater Flo-StopTM水泥漿體系。Hallyburton公司的DeepWater Flo-StopTM水泥漿體系有較寬的密度范圍，在低溫條件下的過渡時間短（小于30 min）、失水量低（小于50 mL/30min），具有較強的可壓縮性，可以維持過渡期傳遞到地層上的壓力，防止淺層流危害。低溫低密度條件下抗壓強度遠遠大于傳統水泥漿的強度，能有效支撐井壁[7]。

（4）微粒填充水泥體系。中海油服和長江大學合作研發的微粒填充水泥體系密度為1.58 g/cm3，具有過渡時間短、低溫下膠結強度高等優點。2007 年，應用于珠江口盆地東部地區的第一口深水探井LW3-1-1 井表層固井作業取得較好效果，水泥漿體系強度從30 BC到100 BC 的過渡時間為20 min，16 ℃條件下養護24 h，膠結水泥石的強度為8.88 MPa。

針對渤海K 油田淺層大位移井固井，當前水泥漿體系還存在以下問題：

（1）早強劑適用性較弱。目前深水固井水泥漿的可水溶類早強劑以氯化物為主，存在水化放熱大，腐蝕套管及水泥等副作用；而非水溶類早強劑又只能用于有干混設備的井場，存在一定的應用局限且對溫度較敏感，只能適用單一的溫度條件[8]。

（2）現場適應性差。快凝石膏水泥體系和高鋁水泥體系對溫度敏感性較差，不適用于深水固井溫度更低的情況，且水化放熱過快，對污染物敏感，后期強度衰減，不利于油氣井的長期穩定性；泡沫水泥漿體系水泥漿、PSD 水泥體系和高強水泥漿體系的性能隨著井底溫度和壓力的變化極不穩定，只是片面的追求了抗壓強度的發展，但對稠化時間等性能影響較大，容易發生固井事故，而且其技術復雜，成本過高[9-10]。

2 低密高強水泥漿體系構建

2.1 低密度材料優選

經調研發現，現有低密度水泥漿的減輕原理可總結為三類：以氣體為減輕材料的充氣泡沫水泥漿，這類水泥漿的密度受水泥漿基漿密度、充氣量和井底壓力共同影響，因淺層大位移井垂深較淺而使用受限；以膨潤土、粉煤灰、微硅、膨脹珍珠巖、火山灰等超細粉末為減輕材料，這類水泥漿由于抗壓強度較低，流變性不易調節使用受限；依靠材料本身的低密度減輕的，如硬瀝青、細小的耐壓中空微珠或陶瓷球等，經過與增強材料顆粒級配后，這類水泥漿具有較高的抗壓強度且水泥石滲透性較低，較適用于K 油田淺層大位移井固井。

選用本身密度較低的人造空心玻璃微珠和比表面積大、吸水性強、活性高的膠凝材料作為水泥漿的減輕劑。

2.1.1 降密材料 人造空心玻璃微珠具有質輕、密閉、粒細（顆粒粒徑為40～250 μm，比水泥顆粒大3～4 倍）和活性等特點，其殼體主要由硅鋁玻璃體質組成，能與水泥水化產物Ca（OH）2和礦物中的CaSO4作用，生成具有膠凝特性的產物，從而有利于水泥石強度的發展和滲透率的降低，是一種良好的減輕劑。因為漂珠密度低，且是封閉的玻璃珠，配制水泥漿時不吸水，只需少量的水潤濕漂珠的表面，使水泥漿具有一定的流動性即可，所以隨著漂珠加量的增加，可配制出一般減輕劑難以達到的低密度水泥漿。在同一密度情況下，漂珠低密度水泥的強度高于其他類型的低密度水泥的強度。

2.1.2 凝膠材料 此外，微硅、礦渣、粉煤灰等膠凝材料，其主要成分為介態的SiO2，具有以下特點：（1）粒徑小、比表面積大和強的吸水性，能降低水泥漿的游離水和減少失水量，提高漿體的穩定性；（2）大量的無定型SiO2具有很高的反應活性，水化早期和低溫條件下的促水化作用顯著，提高了水泥石的早期抗壓強度和膠結強度；（3）此類凝膠顆粒能分布于水泥顆粒之間，進一步降低水泥顆粒間的孔喉，改善水泥石的孔隙結構并降低滲透率，提高水泥強度；（4）能與Ca（OH）2快速發生火山灰效應生成低C/S 比的C-S-H（Ⅱ）的水化硅酸鈣，此種低C/S 比的C-S-H（Ⅱ）具有優越的抗腐蝕性能。同時由于水泥漿體系中Ca（OH）2含量下降，也削弱了溶蝕和降低了離子交換能力，再加上水泥石較低的滲透率，都有利于提高水泥石的抗硫酸等腐蝕能力[11]。

2.1.3 混材配比 針對K 油田固井對水泥漿的性能要求，需要將低密材料、凝膠材料與水泥顆粒混配形成減輕劑。采用Mastersize 2000 激光粒度儀，對水泥、人造玻璃微珠和常用凝膠材料的粒徑分布進行測定，由實驗可知，水泥顆粒粒徑為10～30 μm，人造空心玻璃微珠粒徑為40～60 μm，凝膠材料粒徑為8～11 μm。根據Furnas 顆粒堆積最密實級配原理，通過大量實驗進行了材料復配，最終形成了K-YK 低密材料，該材料具有材料活性高，性能穩定，與其他外加劑配伍性良好的特點。

2.2 早強劑優選

早強劑能減少水泥漿稠化時間，提高水泥石早期強度。目前，已經應用到現場作業的早強劑類型主要有無機鹽類、有機物類和復合型三大類早強劑。無機鹽類主要有氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、碳酸鹽以及鈉、鉀、銨的氫氧化物等；有機物類主要有三乙醇胺、三異丙醇胺、甲酸、乙二醇等；復合型有無機鹽與無機鹽、有機與無機鹽、有機與有機三種組合。渤海油田開發早期固井使用的早強劑為復合型，由醇胺類液體（PCDA93L）和無機鹽類固體（PC-A92S）組成，隨著鉆井技術的進一步發展，目前存在水泥漿水化程度弱、經濟實用性差等問題[12]。

針對這一問題，優選研發了一種納米子晶類早強劑C-A98L，具有性能穩定且與其他添加劑配伍性良好的特點，可極大提高水泥石在低溫條件下的早期強度。該藥劑早強機理是基于晶核效應，即納米尺寸的特定添加物摻入水泥中，可以在水泥水化過程中定向誘導各種礦物離子的遷移，并且為各類水化產物或晶體的生長提供成核中心，從而加速水化產物的生長速率并提高水泥水化程度。

2.3 納米增強劑

增強劑的選擇要與低密度體系中的常用減輕劑配套使用，以使外摻料之間能夠充分的填充和進行顆粒級配，并且能夠有效地提高水泥漿穩定性，減少游離液含量[13]。

本次優選的納米增強劑C-GS12L 主要成分為無定型二氧化硅，由于其有很高的活性，可填充在水泥顆粒間，能顯著提高水泥石早期強度，增加水泥石致密性，提高水泥漿的防竄能力和防腐能力，適用于深水防淺層流和深井防氣竄的固井作業；在淡水和海水體系中性能表現良好，具有一定懸浮功能，能夠保持水泥漿均質性并抑制過多自由水的生成，提高了低密度漿體的穩定性；能夠在水泥漿中增加“火山灰效應”，增加深水低密度水泥漿體系低溫強度。

3 體系性能評價

依據渤海K 油田淺層大位移井固井技術要求，對上述優選出的材料進行配比，構建了一套低密高強固井水泥漿體系：海水+50%低溫早強水泥顆粒+25%KYK 低密混合材料+10%納米子晶類早強劑C-A98L+5%納米增強劑C-GS12L。對于該低溫低密高早強水泥漿體系，依據現場實際應用條件，進行了水泥漿體系流變及強度性能評價。

3.1 流變性能評價

將該水泥漿體系置于低溫32 ℃、低壓8 MPa 條件下，測試體系稠化特征，經過實驗可知，在設定溫度壓力下，體系稠度前期穩定在25 BC 左右，經過335 min后稠度激增，達到水泥膠結稠度，相比常規水泥漿體系具有稠度變化速度快的優點。未達到稠化時間時可以保持較好的流動性，稠化時間到后又能保證水相迅速聚合。

3.2 水泥強度性能

通過實驗測試該體系水泥漿的強度性能，實驗條件為0～15 min，將反應釜內溫度逐漸調高至32 ℃，保持該溫度24 h，觀察水泥漿的強度變化規律。由實驗可知，該體系在573 min 時開始起強度，700 min 后強度達到3.45 MPa，12 h 后強度達到4.41 MPa，24 h 后強度達到19.4 MPa。相比常規固井水泥漿，相同時間內強度約是常規水泥漿的3 倍，能夠保證淺層低溫下的固井質量。

4 結論

（1）K 油田淺層大位移井井段具有泥質膠結及壓實情況較差、地層溫度及壓力較低的特點，固井作業時，水泥漿易向低壓疏松地層中漏失，低溫條件又會導致水泥漿水化作用慢、形成水泥石強度低，極大影響了固井質量和鉆井安全性。

（2）根據現場實際需求，從降低水泥漿密度、提高水泥石強度、強化水泥漿體系穩定性三個角度，研發優選了以人工玻璃微珠和凝膠為主體的低密度混材（KYK）、加速水化產物生長速率和水化強度的早強劑（CA98L）和提高水泥漿穩定性的納米增強劑C-GS12L。

（3）對優選材料進行配比，形成了一套適用于渤海K 油田淺層大位移井的低密高強固井水泥漿體系：海水+50%低溫早強水泥顆粒+25%K-YK 低密混合材料+10%納米子晶類早強劑C-A98L+5%納米增強劑CGS12L。通過性能評價實驗發現，該體系相比常規水泥漿具有稠度變化速度快、相同時間內水泥強度高等優點。