崔 策，張 浩，馮穎韜，陳 宇

（中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北廊坊 065201）

海洋儲存著豐富的油氣資源，隨著石油的勘探開發(fā)不斷推進，深水油氣發(fā)現量在全球油氣發(fā)現總量的占比不斷升高，深水開發(fā)已逐漸成為國際油氣勘探開發(fā)的重要戰(zhàn)場[1-3]。深水固井技術是深水油氣資源開發(fā)的重要前提與保障，其中，深水表層固井是深水固井程序中較為特殊的一環(huán)。與陸地固井和淺海固井相比，深水表層環(huán)境更為復雜，主要表現為由于水深造成的低溫高壓環(huán)境。在該環(huán)境條件的影響下，深水表層在地質沉積過程中極易形成含有淺層流/氣、水合物的特殊地層，因此深水表層固井作業(yè)對水泥漿的性能要求更為苛刻[4-6]。同時，深水表層還存在地層破裂壓力與孔隙壓力間“安全壓力窗口窄”的問題，這使得深水表層固井作業(yè)過程中必須使用低密度水泥漿體系（密度為1.3～1.6 g/cm3）。與常規(guī)密度水泥漿相比，低密度水泥漿在懸浮穩(wěn)定性、抗壓強度和防竄性能等方面存在明顯不足，這進一步加大了深水表層固井作業(yè)難度。

針對南海區(qū)域深水表層固井施工中遇到的實際問題，中海油服進行了大量的水泥漿室內研究，形成了以全液體化低溫水泥漿技術（PC-ExtCEM 體系）[6，7]、深水低溫防竄水泥漿技術（PC-LoLET 體系）[5，8，9]和深水低水化熱水泥漿技術（PC-LoHEAT 體系）[10]為代表的深水表層固井技術，并在南海東西部廣泛應用。本文僅就深水表層固井技術存在的難點進行簡要概括并對中海油服現有的幾種深水表層固井技術進行介紹，希望能夠為推動我國深水表層固井技術研究提供借鑒價值。

1 深水表層固井技術難點

與常規(guī)固井相比，深水表層固井面臨低溫、水合物地層、淺層流/氣、圈閉流體、壓力窗口窄等問題。在固井作業(yè)中，需綜合考慮水泥漿的稠化時間、水泥石強度、過渡時間等性能。針對南海區(qū)域最常見的深水表層固井難題，本文僅就低溫、淺層流危害、水合物地層進行概述。

1.1 低溫

深水表層固井的一個重要特點是由于水深而造成的低溫難題。海洋泥線溫度隨著海水深度的增加而降低，在海水深度達到2 km 時，泥線溫度就已降至2 ℃以下。低溫延緩了水泥漿的水化速率，使水泥漿的強度發(fā)展緩慢，從而無法滿足繼續(xù)鉆進的要求。同時，長時間的候凝會增加深水作業(yè)成本，特別是在深水平臺日租金較高的情況下，將大幅度增加鉆井作業(yè)費用。除此之外，較慢的強度發(fā)展速度，會大幅度增加水泥漿的過渡時間，增加固井作業(yè)氣竄的風險。

1.2 淺層流/氣危害

由于深水環(huán)境特點，淺層流/氣在深水表層較為常見，這使深水表層固井更加困難。環(huán)空氣竄的發(fā)生使套管與地層間無法封隔，對后續(xù)鉆井作業(yè)造成不良影響，嚴重影響油氣的開采與生產。因此，如何有效地防止氣竄的發(fā)生是實現安全高效固井作業(yè)必須要考慮的問題。通常認為，氣竄的發(fā)生與水泥漿的失重有較大關聯。頂替過程結束后，水泥漿處于靜止狀態(tài)，隨著水泥的凝結，靜液柱壓力不斷減少。當氣竄阻力的增加無法抵消靜液柱壓力的減少時，靜液柱壓力與氣竄阻力的加和極有可能小于地層壓力，從而造成氣竄。

1.3 水合物地層

由于深水環(huán)境高壓低溫的特點，深水表層存在大量的水合物地層。在固井作業(yè)中，水泥水化進程伴隨著大量的熱量釋放，易造成水合物地層溫度升高，從而導致水合物分解。1 m3的水合物分解會產生170 m3的天然氣，當釋放氣體產生過大壓力時，會導致井眼擴大、氣竄等問題，使固井作業(yè)失敗。水合物分解情況嚴重時，還會導致海底地質災害，如滑坡、海嘯等。因此，如何在固井作業(yè)中減少水泥漿水化對水合物地層的擾動則顯得尤為重要。

2 中海油服深水表層固井技術

2.1 全液體化低溫水泥漿技術（PC-ExtCEM 體系）

在深水表層固井作業(yè)中，尤其在深水開發(fā)井固井作業(yè)中，需要大量填充漿。因此，在水泥漿體系設計時必須充分考慮水泥漿成本與施工作業(yè)強度。全液體化外加劑體系可適用于液體加料系統(tǒng)（LAS 系統(tǒng)），顯著降低由于干混造成的現場施工作業(yè)負擔，從而節(jié)約施工成本。然而，對于低密度水泥漿體系而言，全液體化外加劑體系無骨架支撐，存在懸浮穩(wěn)定性差、低溫下強度發(fā)展慢等問題。針對該難題，中海油服自主研發(fā)了以液體懸浮減輕劑C-P81L 為核心的PC-ExtCEM 體系。

2.1.1 PC-ExtCEM 體系作用機理 C-P81L 是一種以納米二氧化硅為主要成分的液體懸浮減輕劑，其具有納米級粒徑，可懸浮在水泥顆?？障堕g；同時，C-P81L在水泥漿中可與水泥顆?？焖傩纬苫瘜W交聯網狀結構；在物理與化學的雙重作用下，PC-ExtCEM 體系具有良好的懸浮穩(wěn)定性。

C-P81L 在水泥漿中可與游離的Ca2+反應，快速形成水化硅酸鈣晶核，促進水泥水化進程，從而促進水泥石在深水低溫條件下早期強度的發(fā)展，解決全液體化外加劑體系無法在深水低溫表層應用的難題。

2.1.2 PC-ExtCEM 體系性能表征 C-P81L 的加量對PC-ExtCEM 體系水泥石抗壓強度的影響規(guī)律（見表1），隨著C-P81L 加量的增加，水泥石的抗壓強度逐漸增大，這表明C-P81L 在低溫下對水泥石具有增強作用。

表1 C-P81L 對抗壓強度的影響Tab.1 Effect of C-P81L on compressive strength

大水灰比配漿往往伴隨著漿體不穩(wěn)定、沉降等問題。對于PC-ExtCEM 體系而言，C-P81L 可為水泥漿體系提供骨架支撐，從而有效解決這一難題。以C-P81L為主劑構建密度為1.30 g/cm3、1.50 g/cm3的PCExtCEM 體系，其漿體懸浮穩(wěn)定性（見表2），通過調節(jié)C-P81L 加量，可構建漿體上下密度一致、自由液為0的低密度水泥漿體系。

表2 C-P81L 對漿體懸浮穩(wěn)定性的影響Tab.2 Effect of C-P81L on slurry suspension stability

2.1.3 PC-ExtCEM 體系技術特點

（1）有效解決了全液體化外加劑體系低溫強度發(fā)展慢、懸浮穩(wěn)定差的難題，成功將全液體化外加劑體系應用于深水表層低溫固井作業(yè)中。

（2）降低水泥漿成本。以密度為1.40 g/cm3的水泥漿為例，PC-ExtCEM 體系造漿率高達1.98，成本與以漂珠構建的低密度水泥漿體系相比，降低50%以上。

（3）適用于液體加料系統(tǒng)（LAS 系統(tǒng)），可大幅度降低現場施工作業(yè)強度，從而有效降低施工成本。

2.2 深水低溫防竄水泥漿技術（PC-LoLET 體系）

當鉆遇淺層流/氣時，表層水泥漿防竄性能顯得尤為重要。若處理不當，極易引發(fā)井噴等重大安全事故。針對深水表層固井中的淺層流/氣難題，中海油服自主研發(fā)了具有良好防竄性能的PC-LoLET 體系。

2.2.1 PC-LoLET 體系作用機理 PC-LoLET 體系是以人造空心微珠為減輕劑，以顆粒級配和緊密堆積為理論基礎，通過加入多種粒徑不同且具有高化學活性的火山灰材料的方式，提高水泥漿中固相含量，增加水泥漿候凝期間的流動阻力，從而達到降低氣竄風險和提高早期強度的目的。PC-LoLET 體系核心外加劑構成如下，其顆粒尺寸（見表3）。

表3 PC-LoLET 體系構成Tab.3 PC-LoLET system composition

2.2.1.1 減輕劑 C-P62S 是一種以堿石灰硼硅酸鹽玻璃為主要基質材料的國產化空心微球，可有效降低水泥漿密度，最低可調節(jié)至0.9 g/cm3。與天然漂珠相比，C-P62S 具有抗壓強度高、不易破碎，儲存穩(wěn)定性高、不易結塊等優(yōu)點。

2.2.1.2 防氣竄劑 C-GS12S 是微硅類防竄增強劑，具有微米級尺寸，表面活性大，可加快水泥水化速率，并與水泥水化產物發(fā)生二次凝膠反應，從而促進早期強度的發(fā)展，縮短過渡時間，降低氣竄發(fā)生的可能。除此之外，C-GS12S 具有較強吸附能力，在與C-P62S 共用時，可防止C-P62S 上浮。

2.2.1.3 增強劑 BT-3 是含有多種火山灰材料的礦物混合物。具有高化學活性，可有效提高低密度水泥漿的抗壓強度。

2.2.2 PC-LoLET 體系性能表征 靜凝膠過渡時間是表征水泥漿體系防氣竄性能的重要指標之一，通常認為靜凝膠過渡時間小于30 min，即具有良好的防竄特性。以PC-LoLET 體系為基礎構建密度為1.45 g/cm3的水泥漿體系，在30 ℃條件下，該體系靜凝膠過渡時間（100～500 lb/100ft2）為28 min，表明PC-LoLET 體系具有良好的防竄性能。

水泥石初期強度發(fā)展快慢也是防止氣竄發(fā)生的重要評價方式之一。在20 ℃條件下，PC-LoLET 體系與PC-ExtCEM 體系的強度對比（見圖1），PC-LoLET 體系比PC-ExtCEM 體系擁有更高的早期強度，能夠更有效地避免氣竄現象的發(fā)生。

圖1 PC-LoLET 體系低溫下強度高Fig.1 PC-LoLET system has high strength at low temperature

2.2.3 PC-LoLET 體系技術特點

（1）PC-LoLET 體系具有低溫下強度高、防竄性能好的性能優(yōu)勢。在地層中存在淺層流/氣時，采用PCLoLET 體系進行固井作業(yè)可更好地避免氣竄風險的發(fā)生。

（2）密度可調節(jié)范圍廣，可制備密度為0.9 g/cm3的超低密度水泥漿且形成的水泥石結構完整，無破損。

2.3 深水低水化熱水泥漿技術（PC-LoHEAT 體系）

在水合物地層進行固井作業(yè)時，若處理不當，易導致井眼擴大、氣竄等問題；嚴重時，還會導致嚴重的地質災害。因此，在水泥漿體系設計中，降低水泥水化對水合物地層的擾動尤為重要。針對水合物地層固井難題，中海油服自主研發(fā)了PC-LoHEAT 體系。

2.3.1 PC-LoHEAT 體系作用機理 PC-LoHEAT 體系是以低水化熱增強劑C-BT5 為主劑構建的深水低水化熱水泥漿體系。水泥的水化反應是水化熱的主要來源，降低水泥的用量是構建低水化熱水泥漿體系的有效手段之一。PC-LoHEAT 體系以C-BT5 取代部分水泥，在不顯著降低水泥石強度的基礎上，有效避免了水泥漿的集中放熱現象。

C-BT5 是一種具有火山灰活性的低水化熱膠凝材料，其主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、硅酸鹽等。在CBT5 的作用下，PC-LoHEAT 體系可實現水泥漿的水化熱分段式釋放。在水泥漿配制完成后，水泥顆粒先進行水化反應，形成第1 個放熱峰；之后，C-BT5 與水泥水化產物中的副產物Ca（OH）2反應，生成C-S-H 凝膠（火山灰效應），形成第2 個放熱峰。在這個過程中，既可有效降低水泥漿的集中放熱現象，又可通過“火山灰效應”彌補由于水泥減少造成強度損失。

2.3.2 PC-LoHEAT 體系性能表征 水化熱低且呈分段式釋放是PC-LoHEAT 體系的主要特點。采用相同密度的常規(guī)水泥漿與PC-LoHEAT 體系進行水化熱對比實驗，結果（見圖2），PC-LoHEAT 體系呈現明顯的雙放熱峰（見圖2（a）），且峰值較低，較好地避免了由于水化反應造成的集中放熱；同時，PC-LoHEAT 體系累計放熱量也相對較低（見圖2（b））。與常規(guī)水泥漿體系相比，PC-LoHEAT 體系的抗壓強度無明顯降低（見表4），可較好地滿足現場需求。

圖2 水化熱對比實驗Fig.2 Hydration heat contrast test

表4 兩種體系的抗壓強度對比Tab.4 Comparison of compressive strength of the two systems

2.3.3 PC-LoHEAT 體系技術特點

（1）水化熱低且呈分段式釋放，有效降低了對水合物地層的擾動，減小了水合物分解的風險。

（2）可通過“火山灰效應”彌補由于水泥減少造成強度損失。

3 應用效果

自2013 年實現現場推廣以來，中海油服表層固井水泥漿技術在我國南海東西部累計完成64 口深水井的現場應用，作業(yè)成功率100%，其中作業(yè)水深最深達2 619 m（目前為亞洲水深最深的超深水井），最低作業(yè)溫度1.9 ℃，成功解決了深水低溫、淺層流/氣、水合物地層等諸多深水固井技術難題，打破了國際競爭對手在深水表層固井市場的技術壟斷，提高了中國深水固井技術的國際競爭力和影響力。

4 結論

針對南海區(qū)域最常見的低溫、淺層流/氣和水合物地層難題，中海油服形成了以PC-ExtCEM、PC-LoLET和PC-LoHEAT 為代表的深水表層固井技術，在現場中表現良好。PC-ExtCEM 體系具有懸浮穩(wěn)定性好、低溫強度高的性能優(yōu)點，性價比高、作業(yè)強度低的實際應用價值，在低溫表層固井作業(yè)中，具有明顯的優(yōu)勢。PC-LoLET 體系具有低溫防竄性能好、強度發(fā)展快的優(yōu)點，在可能存在氣竄風險的固井作業(yè)中，表現更加優(yōu)異。PC-LoHEAT 體系具有低水化熱、對水合物地層擾動小的優(yōu)點，在水合物地層固井作業(yè)中，該體系固井效果更加良好。