深水巨厚盐膏层固井水泥浆体系研究

汪 蕾，冯颖韬，王有伟

（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北燕郊 065201）

随着油气井开发理论和技术的不断创新，开采的对象由常规油气向非常规油气、由浅水、深水向超深水进军。墨西哥湾东部与北部是美国，西岸与南岸接临墨西哥，东南方为古巴，是重要的油气富集区，已有100多年的勘探历史，深水区的油气资源约为浅水区的13倍。墨西哥湾盆地内存在分布广泛的盐膏层，许多油气富集区均与盐膏层相关，深水区盐下油气藏具有有利的成藏条件。因此，墨西哥湾深水盐膏层这一非常规油气井的开发成为墨西哥湾油气储量增长的一个重要突破点[1，2]。

墨西哥湾某井条件：水深1 528 m，入泥500 m进入大段盐膏层，盐膏层段有1 000 m，表层盐膏层段BHCT=12℃，BHST=17℃。

1 深水巨厚盐膏层固井难点

1.1 冲蚀和溶解盐层

常规水泥浆与盐膏层间存在浓度差问题，致使冲蚀盐层和盐层溶解，水泥浆含盐量越来越高。水泥浆含盐量增加致使：（1）水泥浆流动性能变差，发生增稠、絮凝等现象；（2）失水量增大，稠化时间延长；（3）水泥石强度发展缓慢，抗压强度降低。

1.2 温度低、压力窗口窄

深水表层地层孔隙压力和破裂压力之间压力窗口窄，地层极被压漏，为保证固井质量，通常要求使用低密度水泥浆密度。

随着海水深度的增加，温度逐渐降低。深水低温延长了水泥浆的过渡时间，发生气窜、水窜的概率增加，尤其是低密度水泥浆。

1.3 水泥石早期强度发展缓慢

针对墨西哥湾固井用水泥为H级油井水泥，与国内所用的G级油井水泥存在差异性，采用XRF检测山东G级油井水泥（SDG）和墨西哥H级油井水泥（MH）矿物含量，通过鲍格（R.H.Bogue）法计算四种矿物和硫酸钙的矿物百分含量（见表1）。

表1 几种油井水泥矿物百分含量Tab.1 Mineral percentage content of oil well cement

由表1发现，从矿物组分方面看MH具有较高的水化活性，表现出的水泥浆稠化时间短、强度高等特点，与表2实验结果完全相反，主要原因在于MH颗粒粒径大，比表面积小，水化活性低，严重影响水泥浆性能。深水低温条件下早期强度发展缓慢，影响固井质量。

2 抗盐外加剂的选择

从盐膏层固井水泥浆的配浆水盐种类及浓度、减轻剂、降失水剂、分散剂等方面展开研究，构建一套适用于墨西哥湾深水盐膏层的固井水泥浆体系，抑制盐层溶解，具有良好的沉降稳定性、密度范围分布广、失水可控、稠化时间可调、低温水泥石强度发展快且高等特点。

2.1 盐水种类的选择

针对盐层冲蚀和溶解盐层的问题可采用抗盐水泥浆体系，本实验主要对比了不同浓度KCl和NaCl的抗盐溶解能力。实验方案为：将盐柱（预先用氯化钠压制而成）悬浮于水泥浆中，用便携式低温养护釜于17℃20.68 MPa条件下养护72 h，剖开观察盐柱的情况[3]。

实验结果表明，不同浓度KCl和NaCl配制的水泥浆均具有抗盐溶解能力，随着配浆水盐浓度的增加，对盐溶解的抑制能力增强，水泥石强度呈现降低趋势，稠化时间明显延长甚至出现超缓凝现象，NaCl尤为明显（见图1、图2和表3）。结合水泥石的SEM（见图3）发现，含有18%NaCl（Ⅰ）的水泥石结构较Ⅱ、Ⅲ组松散，片状单硫型钙矾石广泛分布，致使结构松散；Ⅱ与Ⅲ号的水泥石结构差异性不大，针状钙矾石多水泥石致密，前者水泥石强度明显高于后者。综合考虑抗盐性以及浓度对水泥浆性能的影响，5%KCl可用于配制全液体低密度水泥浆体系，10%NaCl+5%KCl适用于聚合物常规密度增强水泥体系。

2.2 抗盐降失水剂的优选

深水低温条件下，部分降失水剂表现出低温缓凝现象，严重影响水泥浆的稠化时间。优选聚合物类降失水剂，PC-G86L/S是一种高分子聚合物类降失水剂，以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）为主要单体，具有独特的空间结构，通过吸附、交联等作用，提高水泥浆液相黏度，起到控制失水和防止气窜的作用；具有耐盐性，适合淡水、海水等配水泥浆；低温下对稠化时间影响小。

表2 流变、失水、强度和稠化时间规律Tab.2 The law of rheology,fluid loss,thicken time and pressure strength of cement

图1 不同浓度KCl和NaCl的水泥石抗压强度Fig.1 The pressure strength of cement with different concentrations of KCl and NaCl

图2 盐柱溶解现象Fig.2 Phenomena of salt bath

表3 盐水种类和浓度对稠化时间作用规律Tab.3 The effect of saltwater species and concentration on thickening time

图3 不同浓度KCl和NaCl的水泥石扫描电镜图Fig.3 Different concentrations of KCl and NaCl were used to SEM

2.3 防触变分散剂F45L的优选

深水低温条件下，常用分散剂会延长水泥浆稠化时间甚至出现超缓凝现象，或者分散效果、防触变效果不显著。优选的聚醚类聚羧酸分散剂F45L，具有加量小（0～0.5%BWOC）；对稠化时间影响小；分散效果显著；能有效的降低水泥浆静胶凝值，降低水泥浆的触变性；且耐盐。

2.4 减轻剂的优选

传统型的漂珠减轻体系价格昂贵，不利于迈向国际化市场。液体减轻剂PC-P81L是一种含有无定型SiO2水性分散体，可迅速与水泥反应产生交联结构，使浆体增稠提高稳定性；同时PC-P81L中的无定型SiO2与水泥水化产物中有害成分Ca（OH）2反应，生成有强度的CSH凝胶，即“火山灰效应”，提高了水泥石的早期强度。

2.5 悬浮稳定剂

MH水泥浆浆体不稳定，需要引入悬浮稳定剂。悬浮稳定剂PC-GS12L主要成分为无定型二氧化硅，由于有很高的活性，可填充在水泥颗粒间，能显著提高水泥石早期强度，增加水泥石致密性，显著提高水泥浆的防窜能力和防腐能力，适用于深水防浅层流和深井防气窜的固井作业。

3 深水巨厚盐膏层固井水泥浆体系性能评价

在分析墨西哥湾某井盐膏层特点和固井难点，采用单级首尾浆封固技术。根据上述研究结果发现，10%NaCl+5%KCl水泥浆稠化时间长、抗盐能力强；5%KCl水泥浆稠化时间短、具有一定的抗盐能力。因此，抗盐水泥浆组合为首浆5%KCl低密度水泥浆体系+尾浆10%NaCl+5%KCl聚合物常规密度水泥浆体系。

3.1 5%KCl低密度水泥浆体系性能评价

通过不同抗盐外加剂和盐水种类的选择，构建1.40 g/cm3～1.70 g/cm35%KCl全液体低密度水泥浆体系，并对其综合性能进行了评价，结果（见表4、图4）。

由图4可知，抗盐水泥石结构致密，硅酸三钙凝胶结构分布广泛，存在大量的针状钙矾石。

由表4可知，构建的抗盐1.40 g/cm3～1.70 g/cm35%KCl全液体低密度水泥浆性能具有良好的流变性、失水可控、稠化时间可调、抗压强度高、有一定的抗盐能力等，满足深水盐膏层固井需求。

3.2 半饱和盐水水泥浆体系性能评价

通过前面抗盐外加剂、盐种类和浓度的优选，建立了一套适合深水盐膏层固井用抗盐低滤失聚合物盐水水泥浆体系—18%NaCl聚合物常规密度水泥浆体系，并对其综合性能进行了评价，结果（见表5）。

表4 不同密度水泥浆基本性能Tab.4 Basic properties of different density slurry

图4 水泥石内部结构Fig.4 Internal structure of cement stone

表5 水泥浆基本性能Tab.5 Basic properties of cement slurry

由表5可知，构建的18%NaCl聚合物常规密度水泥浆体系具有良好的流变性；失水可控；稠化时间可调；抗压强度高；过渡时间短、防窜；抗盐能力强等特点，能较好的封固盐膏层段。

4 结论

墨西哥湾某井深水表层存在盐膏层，由于深水表层温度低、盐层蠕变致使井径缩小、冲蚀和溶解盐层导致水泥浆含盐量越来越高、盐膏层的夹层孔隙压力高/压力窗口窄等难点，给固井质量带来挑战。在分析墨西哥湾某井盐膏层特点和固井难点的基础上，进行了大量的研究工作，采用单级首尾浆封固技术。具体结论如下：

（1）随着配浆水盐浓度的增加，对盐溶解的抑制能力增强，水泥石强度呈现降低趋势，NaCl尤为明显。综合考虑抗盐性以及浓度对水泥浆性能的影响，5%KCl可用于配制全液体低密度水泥浆体系，18%NaCl适用于聚合物常规密度增强水泥体系。

（2）通过抗盐外加剂的优选，构建的抗盐1.40 g/cm3～1.70 g/cm35%KCl全液体低密度水泥浆性能具有良好的流变性、失水可控、稠化时间可调、抗压强度高、有一定的抗盐能力等，满足深水盐膏层固井需求。

（3）构建的18%NaCl聚合物常规密度水泥浆体系具有良好的流变性；失水可控；温度适用范围广，稠化时间可调；抗压强度高；过渡时间短、防窜；抗盐能力强等特点，能较好的封固盐膏层段。