深水表层固井水泥浆技术

崔 策，张 浩，冯颖韬，陈 宇

（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北廊坊 065201）

海洋储存着丰富的油气资源，随着石油的勘探开发不断推进，深水油气发现量在全球油气发现总量的占比不断升高，深水开发已逐渐成为国际油气勘探开发的重要战场[1-3]。深水固井技术是深水油气资源开发的重要前提与保障，其中，深水表层固井是深水固井程序中较为特殊的一环。与陆地固井和浅海固井相比，深水表层环境更为复杂，主要表现为由于水深造成的低温高压环境。在该环境条件的影响下，深水表层在地质沉积过程中极易形成含有浅层流/气、水合物的特殊地层，因此深水表层固井作业对水泥浆的性能要求更为苛刻[4-6]。同时，深水表层还存在地层破裂压力与孔隙压力间“安全压力窗口窄”的问题，这使得深水表层固井作业过程中必须使用低密度水泥浆体系（密度为1.3～1.6 g/cm3）。与常规密度水泥浆相比，低密度水泥浆在悬浮稳定性、抗压强度和防窜性能等方面存在明显不足，这进一步加大了深水表层固井作业难度。

针对南海区域深水表层固井施工中遇到的实际问题，中海油服进行了大量的水泥浆室内研究，形成了以全液体化低温水泥浆技术（PC-ExtCEM 体系）[6，7]、深水低温防窜水泥浆技术（PC-LoLET 体系）[5，8，9]和深水低水化热水泥浆技术（PC-LoHEAT 体系）[10]为代表的深水表层固井技术，并在南海东西部广泛应用。本文仅就深水表层固井技术存在的难点进行简要概括并对中海油服现有的几种深水表层固井技术进行介绍，希望能够为推动我国深水表层固井技术研究提供借鉴价值。

1 深水表层固井技术难点

与常规固井相比，深水表层固井面临低温、水合物地层、浅层流/气、圈闭流体、压力窗口窄等问题。在固井作业中，需综合考虑水泥浆的稠化时间、水泥石强度、过渡时间等性能。针对南海区域最常见的深水表层固井难题，本文仅就低温、浅层流危害、水合物地层进行概述。

1.1 低温

深水表层固井的一个重要特点是由于水深而造成的低温难题。海洋泥线温度随着海水深度的增加而降低，在海水深度达到2 km 时，泥线温度就已降至2 ℃以下。低温延缓了水泥浆的水化速率，使水泥浆的强度发展缓慢，从而无法满足继续钻进的要求。同时，长时间的候凝会增加深水作业成本，特别是在深水平台日租金较高的情况下，将大幅度增加钻井作业费用。除此之外，较慢的强度发展速度，会大幅度增加水泥浆的过渡时间，增加固井作业气窜的风险。

1.2 浅层流/气危害

由于深水环境特点，浅层流/气在深水表层较为常见，这使深水表层固井更加困难。环空气窜的发生使套管与地层间无法封隔，对后续钻井作业造成不良影响，严重影响油气的开采与生产。因此，如何有效地防止气窜的发生是实现安全高效固井作业必须要考虑的问题。通常认为，气窜的发生与水泥浆的失重有较大关联。顶替过程结束后，水泥浆处于静止状态，随着水泥的凝结，静液柱压力不断减少。当气窜阻力的增加无法抵消静液柱压力的减少时，静液柱压力与气窜阻力的加和极有可能小于地层压力，从而造成气窜。

1.3 水合物地层

由于深水环境高压低温的特点，深水表层存在大量的水合物地层。在固井作业中，水泥水化进程伴随着大量的热量释放，易造成水合物地层温度升高，从而导致水合物分解。1 m3的水合物分解会产生170 m3的天然气，当释放气体产生过大压力时，会导致井眼扩大、气窜等问题，使固井作业失败。水合物分解情况严重时，还会导致海底地质灾害，如滑坡、海啸等。因此，如何在固井作业中减少水泥浆水化对水合物地层的扰动则显得尤为重要。

2 中海油服深水表层固井技术

2.1 全液体化低温水泥浆技术（PC-ExtCEM 体系）

在深水表层固井作业中，尤其在深水开发井固井作业中，需要大量填充浆。因此，在水泥浆体系设计时必须充分考虑水泥浆成本与施工作业强度。全液体化外加剂体系可适用于液体加料系统（LAS 系统），显著降低由于干混造成的现场施工作业负担，从而节约施工成本。然而，对于低密度水泥浆体系而言，全液体化外加剂体系无骨架支撑，存在悬浮稳定性差、低温下强度发展慢等问题。针对该难题，中海油服自主研发了以液体悬浮减轻剂C-P81L 为核心的PC-ExtCEM 体系。

2.1.1 PC-ExtCEM 体系作用机理 C-P81L 是一种以纳米二氧化硅为主要成分的液体悬浮减轻剂，其具有纳米级粒径，可悬浮在水泥颗粒空隙间；同时，C-P81L在水泥浆中可与水泥颗粒快速形成化学交联网状结构；在物理与化学的双重作用下，PC-ExtCEM 体系具有良好的悬浮稳定性。

C-P81L 在水泥浆中可与游离的Ca2+反应，快速形成水化硅酸钙晶核，促进水泥水化进程，从而促进水泥石在深水低温条件下早期强度的发展，解决全液体化外加剂体系无法在深水低温表层应用的难题。

2.1.2 PC-ExtCEM 体系性能表征 C-P81L 的加量对PC-ExtCEM 体系水泥石抗压强度的影响规律（见表1），随着C-P81L 加量的增加，水泥石的抗压强度逐渐增大，这表明C-P81L 在低温下对水泥石具有增强作用。

表1 C-P81L 对抗压强度的影响Tab.1 Effect of C-P81L on compressive strength

大水灰比配浆往往伴随着浆体不稳定、沉降等问题。对于PC-ExtCEM 体系而言，C-P81L 可为水泥浆体系提供骨架支撑，从而有效解决这一难题。以C-P81L为主剂构建密度为1.30 g/cm3、1.50 g/cm3的PCExtCEM 体系，其浆体悬浮稳定性（见表2），通过调节C-P81L 加量，可构建浆体上下密度一致、自由液为0的低密度水泥浆体系。

表2 C-P81L 对浆体悬浮稳定性的影响Tab.2 Effect of C-P81L on slurry suspension stability

2.1.3 PC-ExtCEM 体系技术特点

（1）有效解决了全液体化外加剂体系低温强度发展慢、悬浮稳定差的难题，成功将全液体化外加剂体系应用于深水表层低温固井作业中。

（2）降低水泥浆成本。以密度为1.40 g/cm3的水泥浆为例，PC-ExtCEM 体系造浆率高达1.98，成本与以漂珠构建的低密度水泥浆体系相比，降低50%以上。

（3）适用于液体加料系统（LAS 系统），可大幅度降低现场施工作业强度，从而有效降低施工成本。

2.2 深水低温防窜水泥浆技术（PC-LoLET 体系）

当钻遇浅层流/气时，表层水泥浆防窜性能显得尤为重要。若处理不当，极易引发井喷等重大安全事故。针对深水表层固井中的浅层流/气难题，中海油服自主研发了具有良好防窜性能的PC-LoLET 体系。

2.2.1 PC-LoLET 体系作用机理 PC-LoLET 体系是以人造空心微珠为减轻剂，以颗粒级配和紧密堆积为理论基础，通过加入多种粒径不同且具有高化学活性的火山灰材料的方式，提高水泥浆中固相含量，增加水泥浆候凝期间的流动阻力，从而达到降低气窜风险和提高早期强度的目的。PC-LoLET 体系核心外加剂构成如下，其颗粒尺寸（见表3）。

表3 PC-LoLET 体系构成Tab.3 PC-LoLET system composition

2.2.1.1 减轻剂 C-P62S 是一种以碱石灰硼硅酸盐玻璃为主要基质材料的国产化空心微球，可有效降低水泥浆密度，最低可调节至0.9 g/cm3。与天然漂珠相比，C-P62S 具有抗压强度高、不易破碎，储存稳定性高、不易结块等优点。

2.2.1.2 防气窜剂 C-GS12S 是微硅类防窜增强剂，具有微米级尺寸，表面活性大，可加快水泥水化速率，并与水泥水化产物发生二次凝胶反应，从而促进早期强度的发展，缩短过渡时间，降低气窜发生的可能。除此之外，C-GS12S 具有较强吸附能力，在与C-P62S 共用时，可防止C-P62S 上浮。

2.2.1.3 增强剂 BT-3 是含有多种火山灰材料的矿物混合物。具有高化学活性，可有效提高低密度水泥浆的抗压强度。

2.2.2 PC-LoLET 体系性能表征 静凝胶过渡时间是表征水泥浆体系防气窜性能的重要指标之一，通常认为静凝胶过渡时间小于30 min，即具有良好的防窜特性。以PC-LoLET 体系为基础构建密度为1.45 g/cm3的水泥浆体系，在30 ℃条件下，该体系静凝胶过渡时间（100～500 lb/100ft2）为28 min，表明PC-LoLET 体系具有良好的防窜性能。

水泥石初期强度发展快慢也是防止气窜发生的重要评价方式之一。在20 ℃条件下，PC-LoLET 体系与PC-ExtCEM 体系的强度对比（见图1），PC-LoLET 体系比PC-ExtCEM 体系拥有更高的早期强度，能够更有效地避免气窜现象的发生。

图1 PC-LoLET 体系低温下强度高Fig.1 PC-LoLET system has high strength at low temperature

2.2.3 PC-LoLET 体系技术特点

（1）PC-LoLET 体系具有低温下强度高、防窜性能好的性能优势。在地层中存在浅层流/气时，采用PCLoLET 体系进行固井作业可更好地避免气窜风险的发生。

（2）密度可调节范围广，可制备密度为0.9 g/cm3的超低密度水泥浆且形成的水泥石结构完整，无破损。

2.3 深水低水化热水泥浆技术（PC-LoHEAT 体系）

在水合物地层进行固井作业时，若处理不当，易导致井眼扩大、气窜等问题；严重时，还会导致严重的地质灾害。因此，在水泥浆体系设计中，降低水泥水化对水合物地层的扰动尤为重要。针对水合物地层固井难题，中海油服自主研发了PC-LoHEAT 体系。

2.3.1 PC-LoHEAT 体系作用机理 PC-LoHEAT 体系是以低水化热增强剂C-BT5 为主剂构建的深水低水化热水泥浆体系。水泥的水化反应是水化热的主要来源，降低水泥的用量是构建低水化热水泥浆体系的有效手段之一。PC-LoHEAT 体系以C-BT5 取代部分水泥，在不显著降低水泥石强度的基础上，有效避免了水泥浆的集中放热现象。

C-BT5 是一种具有火山灰活性的低水化热胶凝材料，其主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、硅酸盐等。在CBT5 的作用下，PC-LoHEAT 体系可实现水泥浆的水化热分段式释放。在水泥浆配制完成后，水泥颗粒先进行水化反应，形成第1 个放热峰；之后，C-BT5 与水泥水化产物中的副产物Ca（OH）2反应，生成C-S-H 凝胶（火山灰效应），形成第2 个放热峰。在这个过程中，既可有效降低水泥浆的集中放热现象，又可通过“火山灰效应”弥补由于水泥减少造成强度损失。

2.3.2 PC-LoHEAT 体系性能表征 水化热低且呈分段式释放是PC-LoHEAT 体系的主要特点。采用相同密度的常规水泥浆与PC-LoHEAT 体系进行水化热对比实验，结果（见图2），PC-LoHEAT 体系呈现明显的双放热峰（见图2（a）），且峰值较低，较好地避免了由于水化反应造成的集中放热；同时，PC-LoHEAT 体系累计放热量也相对较低（见图2（b））。与常规水泥浆体系相比，PC-LoHEAT 体系的抗压强度无明显降低（见表4），可较好地满足现场需求。

图2 水化热对比实验Fig.2 Hydration heat contrast test

表4 两种体系的抗压强度对比Tab.4 Comparison of compressive strength of the two systems

2.3.3 PC-LoHEAT 体系技术特点

（1）水化热低且呈分段式释放，有效降低了对水合物地层的扰动，减小了水合物分解的风险。

（2）可通过“火山灰效应”弥补由于水泥减少造成强度损失。

3 应用效果

自2013 年实现现场推广以来，中海油服表层固井水泥浆技术在我国南海东西部累计完成64 口深水井的现场应用，作业成功率100%，其中作业水深最深达2 619 m（目前为亚洲水深最深的超深水井），最低作业温度1.9 ℃，成功解决了深水低温、浅层流/气、水合物地层等诸多深水固井技术难题，打破了国际竞争对手在深水表层固井市场的技术垄断，提高了中国深水固井技术的国际竞争力和影响力。

4 结论

针对南海区域最常见的低温、浅层流/气和水合物地层难题，中海油服形成了以PC-ExtCEM、PC-LoLET和PC-LoHEAT 为代表的深水表层固井技术，在现场中表现良好。PC-ExtCEM 体系具有悬浮稳定性好、低温强度高的性能优点，性价比高、作业强度低的实际应用价值，在低温表层固井作业中，具有明显的优势。PC-LoLET 体系具有低温防窜性能好、强度发展快的优点，在可能存在气窜风险的固井作业中，表现更加优异。PC-LoHEAT 体系具有低水化热、对水合物地层扰动小的优点，在水合物地层固井作业中，该体系固井效果更加良好。