提升油气井长效生产寿命的穿越型水合物层固井理念及可行性

步玉环 沈晟达 柳华杰 路畅 郭胜来 刘和兴

摘要：穿越型天然氣水合物层进行深层油气生产作业时，由于井筒散热导致井周水合物受热分解，对水泥环与套管界面胶结处造成损坏，严重时会造成油气井的报废。针对这一技术难题，提出一种可以提升油气井长效生产寿命的穿越型水合物层固井理念，提出采用低水化热早强保温隔热水泥浆体系进行水合物层段的封固方法。同时对保温隔热材料提高水泥浆保温隔热性能的可行性进行研究。结果表明：在水泥浆中添加合理的中空微球材料可以使水泥浆在保持合理的水泥石强度的同时具有较低的水泥石热导性，复配材料加量为10%时水泥石的导热系数从0.8 W/（m·K）降低至0.32 W/（m·K），为解决当前深水油气井长效生产提供了新的解决思路。

关键词：保温材料； 油井水泥； 导热系数； 抗压强度

中图分类号：TE 256   文献标志码：A

引用格式：步玉环，沈晟达，柳华杰，等. 提升油气井长效生产寿命的穿越型水合物层固井理念及可行性［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2023，47（4）：93-101.

BU Yuhuan， SHEN Shengda，  LIU Huajie， et al. Concept and feasibility of crossing type hydrate layer cementing to enhance long production life of oil and gas wells［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2023，47（4）：93-101.

Concept and feasibility of crossing type hydrate layer cementing to

enhance long production life of oil and gas wells

BU Yuhuan1，2，3， SHEN Shengda1，2，3，  LIU Huajie1，2，3， LU Chang4， GUO Shenglai1，2，3， LIU Hexing5

（1.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China;

2.Key Laboratory of Oilfield Chemistry， Shandong Province， Qingdao 266580， China;

3.Key Laboratory of Unconventional Oil & Gas Development （China University of Petroleum （East China）），

Ministry of Education， Qingdao 266580， China;

4.College of New Energy in China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580，China;

5.CNOOC （China） Limited Zhanjiang Branch， Zhanjiang 524057， China）

Abstract： During deep oil and gas production， when hot fluids passing through natural gas hydrate formations， the thermal decomposition of hydrate in the formation around the wellbore due to heat dissipation can cause damage to the rock-cement ring-casing interfaces， which can lead to the failure of oil and gas wells in severe cases. To address this technical problem， a new method of cementing the hydrate layer that can enhance the long production life of oil and gas wells was proposed， using a low-hydrothermal cement slurry with early-strength and good thermal insulation property. In this study， the feasibility and performance of the thermal insulation cementing materials were investigated. The results show that addition of certain hollow microsphere materials into cement slurry can make cementite have low thermal conductivity while maintaining its strength， and the thermal conductivity of the cementite can be reduced from 0.8 W/（m·K） to 0.32 W/（m·K） at 10% addition of the compounding materials， which can provide a feasible solution for cementing hydrate bearing formations.

Keywords： insulation material; oil well cement; thermal conductivity; compressive strength

深水固井作业作为衔接深水钻井作业和完井作业的重要过程，是深水油气资源安全、经济、高效开采的重要保障。海洋油气资源储量丰富，由于深水区域的低温、高压环境使海底浅层存在天然气水合物层［1-3］。在深层油气开发过程中，固井候凝期间的水化放热会导致井周的天然气水合物受热分解产生气体，导致水泥封隔完整性的失效甚至是井喷等事故的发生［4-7］。为此固井界专家学者开发了多种类型的低温早强低水化热水泥浆体系［8-12］来解决水合物层固井候凝期间稳定的问题。但是这些体系忽略了后续生产作业过程管道中流体循环会将深部地层的热量传递至浅部的水合物层也会导致水合物分解的问题［13-15］。目前针对深层油气生产作业时，如何利用水泥环阻碍深层热流体所携带的热量传递至水合物层保证水合物稳定的研究鲜有报道，因此无法从根本上解决浅层水合物分解导致水泥环封隔失效的问题。为此，笔者提出一种可以提升油气井长效生产寿命的穿越型水合物层固井理念，即采用低水化热早强保温隔热水泥浆体系进行水合物层段封固的方法，同时对保温隔热材料提高水泥浆的保温隔热性能进行研究，为解决当前深水含穿越型水合物层的油气井长效生产提供新的解决思路和方法。

1 基于固井施工安全和长效生产的穿越型水合物层固井设计新理念

1.1 固井施工过程中的水合物分解风险

在深水油气开发过程中穿越型水合物层属于非生产层（图1）。为了实现深层油气能够长效生产和安全高效建井，一般需要对穿越型水合物层进行固井。固井水泥浆在水化过程中会放出大量热量［14］，常规水泥浆的水化放热峰值超过80 ℃［4］。经调研，水合物在海平面下2 000 m处压力条件下的稳定温度约为18 ℃［1，16］，因此常规水泥浆候凝过程中放出的热量极有可能会造成水合物层的分解，降低固井二界面的胶结质量；同时水合物分解形成的大量天然气会导致气窜的发生，甚至井喷事故或平台倾覆等危险。

1.2 深层油气生产过程中的水合物分解风险

对于已经完井的生产井，油气在生产过程中沿油管向上运移，同时在流动过程中会在径向方向上透过油管、油套环空中液体、各层套管及水泥环等向地层散发热量。为了分析深层油气生产过程中的水合物分解风险，利用微元分析法进行理想化计算，图2为油管内微元体热量传递路径。

由能量守恒可知，微元体内能的变化等于轴向传入、传出微元体的热量及径向上向地层散失的热量，在单位时间内单位长度微元体内能的变化［17］为

（Tpt+Δt-Tpt）cdρdApΔz=cdApvpρΔtTpz-

cdApvpρΔtTpz+Δz+2πrtiKp（Ta-Tp）ΔtΔz.（1）

式中，Tp为油管内壁温度，K；cd为油管中流体比热容，J/（g·K）；ρd为油管中流体密度，kg/m3;Ap为油管横截面积，m2；vp为钻井液在钻柱内的流速，m/s；rti为油管内半径，m；Kp为油管与地层间的总传热系数，W/（m2·K）；Ta为水泥环外界温度，K。

生产一定时间后井筒温度场趋于稳定，则式（1）可简化为

Tpz=2πrtiKpcdρdApvp（Tp-Ta）.（2）

以中国南海的某井为例［16］，在水合物层深度处其井身结构如图3所示。

依据热力学的热传导原理，油管与地层间总传热系数表达式为

1Kp=rtiln （rto/rti）ktub+∑roln （ri/ro）kc+∑rciln（rco/rci）kcas+rcoln（rwb/rco）kcem .（3）

式中，kc为环空流体导热系数，W/（m·K）；ktub为油管导热系数，W/（m·K）；kcas为套管导热系数，W/（m·K）；kcem为水泥环导热系数，W/（m·K）；rto为油管外半径，m；rco和rci分别为套管外半径和内半径，m；ro和ri分别为环空外半径和内半径，m；rwb为井眼半径，m。

由于油管和套管的导热系数很高，热阻很低，忽略不计，式（3）可简化为*

1Kp=∑roln（ri/ro）kc+rcoln（rwb/rco）kcem.（4）

将式（4）带入式（2），整理可得

Ta=Tp-cdρdApvpTp2πrtiz×∑roln（ri/ro）kc+rcoln（rwb/rco）kcem.（5）*

由式（5）可求得已知井况下水泥环与地层接触面处的温度。

资料显示［16］示例井的水深1 239 m、海底温度3 ℃、气藏温度99 ℃。以113.3 × 104 m3/d的产量开井生产期间，井口温度2 h内从3 ℃升高至50 ℃，最终稳定于80 ℃左右。根据热力学原理可知，水合物层处的油管内壁温度不低于井口温度，为了简化计算，假定水合物层处的油管内壁温度也为80 ℃。同时假设所涉及流体均为理想流体，性质不随温度、压力变化。根据文献［18-23］可知，油管内流体比热容为2 156 J/（kg·K），流体密度为0.7 kg/m3，水泥石的导热系数为1.1 W/（m·K），环空流体导热系数为0.6 W/（m·K）。由产量可知体积流量为10 m3/s。將以上参数带入式（5）得该工况下水泥环外表面的温度约为30 ℃，大于水合物稳定存在的温度，说明在油气生产作业中存在水合物分解的风险。

1.3 水合物层固井设计新理念

通过上述分析可知，要使穿越型水合物层在建井过程和后期油气生产过程都能具有良好的稳定性，可以在不同作业环节进行针对性的处理。即对于建井过程中固井作业后水泥候凝期间的水化放热问题，可以通过在水泥浆中加入低水化热材料降低水泥水化放热来解决［8，14］；对于生产作业时的热量扩散问题，可以通过降低环空保护液的导热系数来减缓热量扩散［20］。但针对各自对应的环节处理，还存在许多不足，如低水化热材料虽然能降低水泥水化热，但是在后续生产过程中不具有阻碍热量持续扩散的能力，因此依然有使水合物分解的可能。同时，环空保护液虽然可以一定程度上降低热量扩散，但目前使用的环空保护液存在一定的局限：水基环空保护液不能消除热对流的影响，同时过高的盐含量会加快套管腐蚀［24］；油基环空保护液中存在过高的固相含量，易在封隔器上沉积，对封隔器产生损害，而且成本较高［25］。

本文中提出海洋深水穿越型水合物层固井的新理念，即在穿越型水合物地层固井过程中采用低水化热早强保温隔热水泥浆体系进行封固。其中低水化热早强特性用来保障固井过程及水泥浆候凝期间水合物层的稳定性；保温隔热特性用来保障油气生产过程中上部穿越型水合物层的稳定。

2 水泥浆体系设计及试验方案

2.1 低水化热早强保温隔热水泥浆体系设计

本文中提出加入低热传导性的保温隔热材料解决保温隔热特性的固井新方法。保温材料是指对热流具有明显阻抗作用的材料，导热系数不大于0.23 W/（m·K）［26］，导热系数越小保温性能越好。保温材料通常具有质轻、疏松、多孔的特点［27］。目前保温材料的研究集中在水泥砂浆领域［27-29］，关于深水天然气水合物地层固井中的应用鲜有报道。

低水化放热早强特性可以借鉴目前低水化热早强水泥浆体系的研究思路。其中有采用加入低放热固化材料的方式［30］，降低水泥浆体系自身的水化放热程度；有采用相变材料降低水化热的方式［8，14］，通过相变材料对热量的吸收来降低水化热峰值及总热量。

2.2 保温隔热水泥浆体系评价试验方案设计

基于保温原理和文献资料的调研［26-29］，选择3类6种常用保温隔热材料（人工漂珠与电厂漂珠、玻璃微球Y8000&Y12000［31］、1～2和0.5～1 mm膨胀珍珠岩［32］）进行试验。水泥为嘉华G级水泥，水泥浆中保温材料稳定剂为5 g，水固比为0.44，配方见表1。

水泥浆的配制和强度性能评价参照GB/T 19139-2012。水泥浆的保温性能测试使用DRM-Ⅱ导热系数测量仪参照GB/T 32064-2015，通过测量水泥石的导热系数表征水泥浆的保温性能。水泥浆的水化热性能评价参照GB/T 12959-2008。

3 保温隔热材料对水泥浆性能的影响

3.1 保温隔热材料对水泥石导热性能的影响

3.1.1 保温隔热材料加量

按照表1的配方对掺入不同保温隔热材料的水泥石养护1 d后进行测试，养护环境为20 ℃水浴环境，试验结果如图4所示。

由图4可以看出：

（1）当保温隔热材料质量分数小于10%时，随着保温材料加量的增加，水泥石导热系数快速降低。分析认为保温隔热材料的内部存在大量空腔，随着保温隔热材料的加量逐渐增加，水泥石内部的空腔数量逐渐增多，导致水泥石内部低导热的气体总量增加，从而使水泥石整体导热系数降低，保温隔热能力提高；当保温隔热材料质量分数大于10%时，水泥石导热系数降低幅度逐渐降低，导热系数逐渐趋于平稳。保温隔热材料密度小，较大加量时材料在水泥浆中的体积分数也較大，这就导致材料在模具中相互堆积，一旦达到饱和，再增大加量模具中保温材料的含量也不会增大。

（2）膨胀珍珠岩（粒径1～2 mm）降低水泥石导热系数的能力最强，质量分数为20%时水泥石导热系数为0.32 W/（m·K）。这是由于膨胀珍珠岩的粒径较大同时内部含有大而多的空腔，在加量相同的情况下水泥石成型之后内部含有的空腔体积和数量也最多，因此膨胀珍珠岩水泥石的导热系数最小。其次是玻璃微珠类材料，质量分数为20%时水泥石导热系数可降低到0.35 W/（m·K），这类材料虽然没有类似于膨胀珍珠岩的大空腔，但其制备原理导致材料本身强度、密闭性等性能比较稳定，在混拌的过程中不易被破坏，从而整体具有较好的保温隔热效果。漂珠类材料以及小颗粒的膨胀珍珠岩容易在混拌过程中被破坏，从而导致材料的导热系数降低的不明显。

3.1.2 养护时间

按照表1的配方对掺入不同保温隔热材料的水泥石在20 ℃水浴环境下连续5 d的导热系数进行测试，结果如图5所示。

由图5可以看出：随着养护时间的延长，水泥石的导热系数在一定程度上呈现逐渐增大的趋势，水泥石的水化反应越充分，形成的水泥石的致密性越强，而固相的导热效果要高于液相和气相，因此导致水泥石的导热系数变大；加入了保温隔热材料的水泥石导热系数仍远小于基浆水泥石的，但变化幅度较大；使用的保温隔热材料主要成分均含有SiO2、Al2O3，在水浴环境中养护时这些成分会与水泥水化产物Ca（OH）2等碱性物质发生反应［32］，产生的胶凝物质C-S-H会充填水泥石中的微空隙、微裂缝，从而导致水泥石孔隙度下降，导热性能降低。

3.2 保温隔热材料对水泥石抗压强度的影响

3.2.1 保温隔热材料加量

按照表1的配方对掺入不同保温隔热材料的水泥石养护1 d后进行测试，养护环境为与深水水合物层环境相近的20 ℃水浴环境，试验结果如图6所示。图6中红色虚线为SY/T 6544-2017标准中提出的深水浅层水泥浆24 h抗压强度最低值（3.5 MPa）。

由图6可以看出：随着保温隔热材料质量分数的增加，抗压强度逐渐下降，一方面是由于保温隔热材料作为惰性材料与水泥浆混合后降低了水泥浆整体的水化活性，从而导致水泥浆水化过程减缓；另一方面，由于保温隔热材料为中空结构，加入水泥浆后导致形成的水泥石内部存在大量孔洞，从而降低了整体的堆积密实度；其中玻璃微珠在质量分数为20%时形成的水泥石抗压强度最高（5 MPa）。

3.2.2 养护时间

选用的保温隔热材料质量分数超过10%后对保温隔热能力的增强效果减弱，同时还会降低强度，因此选择保温材料质量分数为10%的配方进行试验。对掺入不同保温隔热材料的水泥石在20 ℃水浴环境下连续5 d的抗压强度进行测试，结果如图7所示。

从图7可以看出，随着养护时间的延长，掺入不同保温隔热材料的水泥石强度有不同程度的增大。这是由于水泥水化逐渐完全，强度得到充分发展。

3.3 保温隔热材料复配优化

对比不同保温隔热材料对水泥石力学性能和保温性能的影响可以发现，膨胀珍珠岩类保温材料的保温性能较好，玻璃微球类力学性能及稳定性较好。为了使水泥石既有较好的力学性能又有良好的保温隔热性能，将材料进行复配研究。

3.3.1 保温隔热材料复配对水泥石抗压强度和导热系数的影响

为了与前文试验结果进行有效对比，复配材料的总掺量保持不变，利用颗粒级配模型分析后将膨胀珍珠岩与玻璃微球的复配质量比例定为3∶7，复配试验配方为：G级水泥+3%膨胀珍珠岩+7%玻璃微球+5%稳定剂+0.44水固比，测试复配后水泥石在20 ℃水浴连续养护5 d的抗压强度和导热系数，结果如图8所示。

由图8可以看出，复配水泥石早期抗压强度有所提升，水化反应加快，说明复配后水泥石的强度性能得到了提升。但是复配后水泥石的抗压强度仍低于玻璃微球水泥石，这是由于膨胀珍珠岩的密度远小于玻璃微球，在加量为3∶7的情况下水泥石中膨胀珍珠岩的体积占比依然很高，是主要影响强度的材料组分。

复配后水泥石养护1 d的导热系数明显低于相同掺量膨胀珍珠岩水泥石和玻璃微球水泥石，而且随着养护时间的延长其导热系数增长幅度较小，这说明复配水泥石保温隔热性能持续时间较长，稳定性较好。复配后水泥石的导热系数为0.32 W/（m·K），和单独加入20%的膨胀珍珠岩水泥石导热系数相同，说明将两种材料复配提高了水泥石的保温隔热性能。

3.3.2 保温隔热材料复配对水泥浆水化热的影响

对加入复配保温隔热材料的水泥浆进行水化热测试。保温隔热水泥浆中膨胀珍珠岩、玻璃微球、G级水泥、保温材料稳定剂含量分别为3、7、90、5 g，水固比为0.44；基浆配方为G级水泥100 g、保温材料稳定剂5 g，水固比为0.44。试验结果如图9所示。

由图9可以看出，在水泥浆体系中加入保温隔热材料能够略微降低水泥浆整体水化温度峰值，但降低幅度不大，达不到水泥浆低水化放热的要求。保温隔热材料作为惰性材料加入水泥浆体系后降低了水泥浆整体的水化活性，从而使峰值温度降低。但由于加量较低，水化热降低效果并不理想。

综上研究表明，添加合理的中空微球材料可以使水泥浆在保持合理的水泥石强度的同时具有较低的水泥石热导性，证明了水泥石保温隔热的可行性。但是保温隔热材料的加入并不能起到真正有效降低水化热的功能，因此还需要进一步的研究。

4 结 论

（1）玻璃微球和漂珠作为固井常用减轻材料可以起到提高水泥浆保温隔热能力的效果，但是相比于膨胀珍珠岩这类建筑用保温材料，其保温隔热能力较差，但力学性能较好。

（2）复配材料的加入可以提升水泥石的保温性能，复配材料质量分数为10%时即可将水泥石的导热系数从0.8 W/（m·K）降低至0.32 W/（m·K），較单一加入保温材料的水泥石的保温隔热性能更好并能在较长时间内保持稳定。在水泥浆中合理添加保温材料的方法可以使水泥石在满足强度要求的前提下具有较低的热导性，为低水化热早强保温隔热水泥浆体系的研究提供了新的思路。

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（编辑 李志芬）