朱江林 李占东 韦江雄 何昱昌 谢晓庚
摘 要
针对海洋深水低温、破裂压力低等特点，通常要采用低密度水泥浆来封固深水表层;低温环境下普通“G”级油井水泥水化速度缓慢或几乎不进行水化反应，水泥石早期抗压强度低且发展缓慢。为有效降低现场候凝时间，节约深水作业成本，开发了一套适用于深水表层固井用超细“G”级水泥用低温低密度水泥浆。对水泥浆体系的设计原理与水泥浆组分进行了论述，并对该水泥浆体系在深水环境下的性能进行了评价，和中海油服现场在用的普通“G”级油井硅酸盐水泥浆体系进行了对比。结果表明，超细“G”级水泥低温低密度水泥浆体系在低温环境下具有较高早期强度、低失水量以及良好的流变性和稠化性能，其中密度为1.40g/cm3及1.44g/cm3的水泥浆在10～13℃温度下的稠化时间≥8hr，API失水<70mL，1.40g/cm3水泥石在10℃及13℃温度下养护24h后的抗压强度可达到3.9MPa及5.4MPa;1.44g/cm3水泥石在10℃及13℃温度下养护24h后的抗压强度可达到可达到5.8MPa及8.3MPa。同等水泥石密度及温度下，超细”G”级水泥石24h强度较中海油服在用的普通“G”级油井硅酸盐水泥石强度提高40%以上。
关键词
深水;固井;水泥浆;低温;低密度;抗压强度;超细“G”级油井水泥
中图分类号： TE256.6 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.001
0 引言
海洋深水石油开发是中国未来相当一段时间内石油资源开发的重要领域，而低温固井是其中一项必不可少的重要和关键技术之一。海洋深水的特点是低温、高压，有时常常伴随较低的地层破裂压力、浅层流和天然气水合物[1]。特别是在近似0℃的低温环境下，普通“G”级油井水泥几乎停止了水化、固化反应，使钻井作业无法继续进行[2-3]。中国南海某区块水深达2437.5米时，表层钻探的循环温度仅有13℃左右，泥线温度只有5℃左右，低温环境下存在的主要问题就是低温延缓了油井水泥的水化，影响了水泥石强度的发展，若水泥水化速度缓慢或几乎不进行水化反应，水泥石早期强度低，24h甚至48hr无法形成有效强度，作业无法顺利进行。
由于海底沉积岩层形成时间较短，缺乏足够的上覆岩层，地层结构疏松，破裂压力较低，通常要采用低密度水泥浆来封固深水表层。不同深水地层的破裂压力存在差异性，在固井时需针对封固地层的破裂压力设计相应的水泥浆密度，以达到最佳封固效果。本论文针对南海深水某A区块，使用密度为1.40g/cm3及1.44 g/cm3的水泥浆，在10～13℃温度下对体系的稠化、API失水、抗压强度等性能进行评价。对比同等水泥石密度及温度下，超细G级油井水泥石强度，远高于在用普通“G”级油井硅酸盐水泥石强度。通过论文研究，一方面解决了我国深水表层固井中的低温问题，保证了导管或套管水泥柱的低温环境下的抗压强度和固井质量;另一方面也节约了固井等待时间，提高了深水钻井船的使用效率，节省了深水钻井船昂贵的租金。
1 水泥浆配方设计
1.1 水泥浆设计原理
1）水泥选择：普通G级油井水泥应用于深水环境面临着诸多问题，最为突出的是低温、低密度条件下水泥石强度发展缓慢，存在长时间难以固化现象[4-7]。要想最快、最大限度地提高水泥石的低温高早强性能，主要因素还是在于水泥、配套外残料及添加剂的选择，但水泥是基础和根本，优选水泥是关键中的关键。笔者最终优选了800目的超细G级油井水泥，成分与普通G级油井水泥保持一致，唯一不同点是优选了一种800目超细G级油井水泥代替了普通G级油井水泥（325目），超细材料的活性更高，早期低温强度更优。
2）使用低密度高性能减轻剂[8]：减轻剂能有效增加水泥等凝胶材料在水泥浆中所占比例。深水表层固井水泥浆受地层破裂压力低的限制，需要使用密度减轻剂。故在设计水泥浆时，需选用耐高压低密度减轻剂，以增强密度减轻效果，提高水泥等凝胶材料在水泥浆中所占比例，促进水泥石强度发展，另外，耐高压密度减轻剂能够为水泥石贡献有效的支撑强度，相对提高低密度水泥浆的早期强度。
3）降低水泥石渗透率，提高水泥石强度[8]：低温低密度硅酸盐水泥浆中存在多种固体颗粒，颗粒之间存在空隙，在水泥浆固化后，这些空隙将影响水泥石的渗透率和强度。为提高水泥石的强度，降低其渗透率，在低温低密度硅酸盐水泥浆体系中，需加入性能良好的增强剂。该增强剂应包括活性填充剂材料与惰性填充剂材料，活性填充材料为具有水化活性的超细颗粒，能够促进水泥颗粒水化，有效填充颗粒间的空隙;而惰性填充材料也能够更有效地填充颗粒间的空隙。加入由这两种填充材料复配成的增強剂，能够提高水泥石的致密性与早期强度。
1.2 水泥浆配方组成
不同深水地层的破裂压力存在差异性，在固井时需针对封固地层的破裂压力设计相应的水泥浆密度，以达到最佳封固效果。考虑到南海深水某A区块深水表层套管固井时，水泥浆需求量较大，为保障水泥浆安全泵送，在设计水泥浆配方时，要求将低密度水泥浆13℃的稠化时间控制在8h～9h。通过调节水泥浆中减轻剂、增强剂以及钻井水所占比例，确定密度1.40～1.44kg/L的水泥浆配方如下：
1.44g/cm3：100%超细“G”级油井水泥（800目）+72%钻井水+13%人造漂珠轻剂+6%低温增强剂+2%CG80s+2.5%Acc-a+2.5%Acc-b+0.4%X60L
1.40g/cm3：100%超细“G”级油井水泥+75.5%钻井水+15.5%人工减轻剂+6%低温增强剂+2%CG80s+2.5%Acc-a+2.5%Acc-b+0.4%X60L
2 水泥浆性能评价
2.1 常规性能评价
经过多次材料和配方优选实验，调整各组成材料的掺量和水灰比，根据具体的实验条件选用不同的外加剂，可配制出性能优良、成本低廉的水泥浆配方。表1中把优选的超细“G”级水泥低温低密度水泥浆稠化性能与中海油服在用的PC-LOLET低温低密度水泥浆及常规1.90g/cm3的性能进行对比，结果如表1-2所示，相关的浆体初始稠度及水泥石成型见图1、图2所示。
表1、表2实验结果表明，超细“G”级油井水泥低温低密度水泥浆具有较好的流变、失水、稠化和抗压强度性能。图1、图2表明浆体具有较好的流态及胶凝固化后成型。依据中海油服企业标准，满足下一开作业要求的深水表层水泥石最低强度要求为3.5MPa以上。同等密度1.40g/cm3的水泥石在10℃时，配方2和配方3水泥石达到3.5MPa相差近14小時，在13℃时两者相差近10小时，水泥石24h强度配方2相对配方3增加了40%以上，体现了超细“G”级油井水泥低温低密度水泥浆性能远远优于中海油服在用的PC-LOLET低温低密度水泥浆体系。对比配方1与配方4，实验结果表明，超细“G”级油井水泥低温低密度1.44 g/cm3水泥石在同等温度、稠化时间和养护下，水泥石的抗压强度可以媲美1.90kg/L的普通硅酸盐水泥石，10℃养护24hr抗压强度都能达到800psi以上，13℃养护24hr抗压强度都能达到8.3MPa以上，两者达到3.5MPa水泥石强度的时间也是非常接近。实验结果体系了超细“G”级油井水泥低温低密度水泥浆性能非常的优良。
3 结论与建议
1）超细“G”级油井水泥低温低密度水泥浆主要的凝胶材料为800目G级油井水泥，来源较为广泛，应用前景广阔。
2）超细“G”级油井水泥低温低密度水泥浆具有较好的初始稠度和稠化性能，且具有低温早期强度高和失水量低的特点，实验性能能够充分满足深水表层固井作业需求。
3）同等水泥石密度及温度下，超细“G”级油井水泥低密度水泥石24小时强度较中海油服在用的普通“G”级油井低密度水泥石强度提高近40%以上，达到3.5MPa最低水泥石抗压强度可节约近10小时或以上。
4）超细“G”级油井水泥低密度水泥浆需重点监控胶凝材料水泥的质量稳定，以保证水泥浆体系的优异性，可在外掺料和添加剂方面优化有进一步的提升性能的空间。
参考文献
[1]BIEZENE，RAVIK.Designing effective zonal isolation for high- pressure/ high-temperature and low temperaturewells[A].SPE/IADC57583，SPE/IADC Middle East drilling technology Symposium，AbuDhabi，EMIRATS ARABES UNIS 1999：337-346.
[2]WATSON P，RICHARD B，THOMAS P，ANDYR.An innovative approach to development drilling in the deepwater Gulf of Mexico[J].Worldoil，2004，225（1）：41-48.
[3]MOHAMMEDI N，FERRI A，PIOT B.Deepwater wells benefit from cold-temperaturecements[J].WorldOil，2001，222（4）：86-88.
[4]朱江林，石礼岗，方国伟，等.一种海洋深水超低温早强剂的研究[J].长江大学学报（自然科学版），2011，8（5）：68～71.
[5]Boncan G.Methods and compositions for use in cementing incold environments：US，6626243[P].2003-09-30.
[6]Watson P，Kolstad E，Borstmayer R，etal.An innovative approach to development drilling in deepwater Gulfof Mexico[R].SPE/IADC79809，2003.
[7]Jenkins R W，Schmidt D A，Stokes D，etal.Drilling the first ultradeepwater wells offshore Malaysia[R].SPE/IADC79807，2003.
[8]王晓亮，许明标，王清顺，等.深水表层固井硅酸盐水泥浆体系研究[J].石油钻探技术，2010，38（6）：11～14.
