馮建建

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北三河 065201）

引言

墨西哥海上淺水固井作業(yè)，在三開以后通常使用1.90～2.15 g.cm-3密度范圍內(nèi)的高溫水泥漿體系進(jìn)行作業(yè)；墨西哥海上淺水主要區(qū)塊如Cantarell, Ku Maloob Zaap, Abkatun PoL Chuc, Litoral de Tabasco等分布范圍廣[1-4]，材料運(yùn)輸時(shí)間長(zhǎng)，通過(guò)陸路、海運(yùn)等交通運(yùn)輸工具，將水泥或混杰(水泥、微硅、硅粉等固體材料的混合物) 從卡門基地運(yùn)輸?shù)狡脚_(tái)通常需要3～5 d，因此現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)用水泥漿配方一般提前7～10 d 確認(rèn)并開始將水泥、硅粉、微硅等固體材料混配為混杰；而由于受六千萬(wàn)年前小行星撞擊影響，墨西哥灣天然裂縫發(fā)育嚴(yán)重，地層脆弱，鉆井過(guò)程中容易發(fā)生漏失、氣竄等復(fù)雜情況[5]，因此需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求臨時(shí)調(diào)整鉆井液及水泥漿密度，而由于水泥漿配方已提前確定，混杰已混配完畢，如果因?yàn)樗酀{密度調(diào)整改變配方設(shè)計(jì)，通常需要重新混配混杰，嚴(yán)重影響作業(yè)時(shí)效并提高作業(yè)成本。

因此，本研究旨在開發(fā)一套適用于1.90～2.15 g.cm-3密度范圍內(nèi)的廣密度水泥漿技術(shù)，使用同一混杰，通過(guò)調(diào)整液體添加劑類型及加量，使水泥漿在1.90～2.15 g.cm-3密度范圍內(nèi)性能可調(diào)，滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中因鉆進(jìn)中突發(fā)復(fù)雜情況產(chǎn)生的密度調(diào)整需求。

1 技術(shù)難點(diǎn)

（1） 研究的觀密度水泥漿技術(shù)要求使用同一混杰，水泥漿密度在1.90～2.15 g.cm-3范圍內(nèi)可調(diào)，而目前使用的常規(guī)水泥漿，使用同一混杰，密度可調(diào)范圍小，一般小于0.1 g.cm-3。

（2） 研究的廣密度水泥漿技術(shù)要求同時(shí)涵蓋常規(guī)密度水泥漿（1.90～2.00 g.cm-3）及高密度水泥漿（2.00～2.15 g.cm-3），常規(guī)密度水泥漿最高密度僅能達(dá)到2.00 g.cm-3，對(duì)于2.00 g.cm-3以上的高密度水泥漿需要使用鐵礦粉等加重劑才能同時(shí)兼顧水泥漿性能及密度要求；若在混杰中加入加重劑，1.90 g.cm-3的常規(guī)密度下，水泥漿會(huì)粘度低，懸浮性差，加重劑等高密度材料出現(xiàn)沉降，造成水泥漿沉降穩(wěn)定性差，且在高溫下更加明顯。

使用同一混杰，在較低密度（例如1.90 g.cm-3）時(shí)，由于水泥漿中水含量高，水泥含量低，即水杰比高，水泥漿有良好的流變性，但穩(wěn)定性差；而在較高密度（例如2.15 g.cm-3）時(shí)，由于水泥漿中水含量低，水泥含量高，即水杰比低，水泥漿一般具有良好的穩(wěn)定性，但流變性差。因此，保證混杰中各固相材料比例不變，通過(guò)調(diào)節(jié)液體添加劑及需水量，使用同一混杰在廣密度范圍（1.90～2.15 g.cm-3）內(nèi)密度可調(diào)，且滿足技術(shù)要求，主要技術(shù)難點(diǎn)在于解決較低密度水泥漿的穩(wěn)定性及較高密度水泥漿的流變性。

2 設(shè)計(jì)思路

高溫水泥漿體系的組成復(fù)雜，影響水泥漿體系性能的主要因素包括水泥、外摻料、添加劑等。

2.1 水泥的選擇

作為水泥漿中最主要組分，水泥對(duì)水泥漿的物理化學(xué)性能起決定性作用。目前固井作業(yè)中常用高抗硫酸鹽水泥主要為G 級(jí)水泥和H 級(jí)水泥，二者基本化學(xué)組成一致，區(qū)別為水泥顆粒粒徑不同，見表1。在不加添加劑、相同水杰比條件下，由于H 級(jí)水泥顆粒粗，比表面積小，因此水化需水量小，剩余自由水含量高，水泥漿稠度低，流動(dòng)能力強(qiáng)；為保證水泥漿流變性一致，H 級(jí)水泥配置的水泥漿密度需更高，詳見表2。可以發(fā)現(xiàn)，H 級(jí)水泥配置的1.98 g.cm-3的水泥漿與G 級(jí)水泥配置的1.90 g.cm-3水泥漿流變性能一致。說(shuō)明同等流變性或可泵送性能條件下，H 級(jí)水泥配置的水泥漿密度更高。因此，在不加加重劑且保證水泥漿流變性能良好條件下，為提高水泥漿最高可配密度，在本體系中選擇使用H 級(jí)水泥。

表1 H 級(jí)水泥與G 級(jí)水泥粒度對(duì)比

表2 相同流動(dòng)度下G 級(jí)與H 級(jí)水泥配置水泥漿的密度及水杰比對(duì)比

2.2 外摻料的選擇

根據(jù)墨西哥淺水地層特點(diǎn)，本水泥漿體系主要應(yīng)用于超過(guò)110 ℃的高溫地層固井作業(yè)，為防止水泥漿膠凝硬化后形成水泥石在高溫下發(fā)生強(qiáng)度衰退，需在水泥漿中加入35%～40%水泥重量百分比（BWOC）的硅粉[6]，本技術(shù)中選擇硅粉加量為40%。為保證較高密度水泥漿的流變性，選擇使用100 目及200 目?jī)煞N粗顆粒的硅粉搭配使用，且顆粒級(jí)配優(yōu)選最優(yōu)配比。同時(shí)為保證水泥漿的穩(wěn)定性及防氣竄能力，通常在水泥漿中加入少量微硅，本技術(shù)選擇加量5%。

通過(guò)表3 可以看出，在配方2 中，密度為2.15 g.cm-3的水泥漿具有良好的流動(dòng)性及穩(wěn)定性，因此選擇水泥、微硅、100 目硅粉、200 目硅粉四者的比例為100:5:30:10 作為廣密度水泥漿體系固相混杰的基本組成。

表3 100 目與200 目硅粉不同配比對(duì)水泥漿流變及穩(wěn)定性的影響（水泥漿密度2.15 g·cm-3）

2.3 液體添加劑的選擇

使用粗顆粒的H 級(jí)水泥及硅粉，可以顯著提高較高密度時(shí)水泥漿的流變性，但會(huì)降低密度較低時(shí)水泥漿的穩(wěn)定性。同時(shí)，由于H 級(jí)水泥顆粒粗，液相粘度低，導(dǎo)致水泥漿懸浮能力差，低溫下由于水泥顆粒間膠接力強(qiáng)，分子間粘滯力高，較低密度水泥漿穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)表現(xiàn)的不明顯。而在高溫下，由于水泥顆粒間膠結(jié)結(jié)構(gòu)遭到破壞，分子間粘滯力降低，導(dǎo)致水泥漿高溫穩(wěn)定性差、沉降嚴(yán)重[7]。由于液體添加的種類及加量可根據(jù)水泥漿性能要求進(jìn)行調(diào)整，因此如何選擇合適的液體添加劑，提高水泥漿穩(wěn)定性，解決H 級(jí)水泥漿高溫下穩(wěn)定性差的問題，顯得尤為重要。

液體添加劑劑中降失水劑、懸浮穩(wěn)定劑等可顯著提高水泥漿的穩(wěn)定性，但由于其化學(xué)組成一般為高分子聚合物，低溫下增粘作用顯著，但在高溫下，由于聚合物分子運(yùn)動(dòng)加劇及分子鏈?zhǔn)湛s，聚合物對(duì)水泥顆粒的吸附及聚合物分子間的相互作用力減弱，水泥漿粘度及懸浮能力下降，造成體系不穩(wěn)定加劇，見圖1。為提高水泥漿高溫穩(wěn)定性，通常方法為在水泥漿中增加聚合物材料加量，以抵消高溫下聚合物懸浮穩(wěn)定能力減弱的的缺點(diǎn)，但高濃度的聚合物會(huì)導(dǎo)致水泥漿常溫下粘度過(guò)高，產(chǎn)生較高的摩擦阻力，影響水泥漿常溫下的正常的泵送，同時(shí)增大井底靜液柱壓力，易壓漏薄弱地層，造成水泥漿漏失，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量。為解決該問題，本研究中使用以固體顆粒懸浮于油外相形式存在的降失水劑、懸浮穩(wěn)定劑等高分子聚合物材料，而非傳統(tǒng)的直接以水溶液形式存在的聚合物材料。其優(yōu)點(diǎn)是：聚合物以固相形式存在，低溫下在混配混合水過(guò)程中由于分子量大，不能迅速溶解，混合水液相粘度低，使水泥漿在低溫下保持較低的粘度，便于泵送。當(dāng)水泥漿通過(guò)井口進(jìn)入井筒后隨著地層溫度升高，固相聚合物材料逐漸溶解，水泥漿粘度相應(yīng)升高，抵消了由于溫度升高導(dǎo)致的水泥漿粘度降低、體系不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，同時(shí)保證水泥漿在低溫下的順利泵送及高溫下的穩(wěn)定性，見圖2。

圖1 水溶液聚合物類添加劑水泥漿稠度隨溫度升高的變化情況

圖2 固相油懸浮聚合物添加劑水泥漿稠度隨溫度升高的變化情況

通過(guò)圖1、圖2 對(duì)比可以看出，水溶液聚合物添加劑水泥漿，低溫下初始稠度高（20BC），隨溫度升高逐漸降至最低（7BC），體系穩(wěn)定性變差; 固相油懸浮聚合物添加劑水泥漿，低溫下初始稠度低（11BC）,但隨溫度升高稠度反而逐漸增大，說(shuō)明固體聚合物材料開始溶解，稠度增大到一定稠度時(shí)（21BC）略有下降并保持穩(wěn)定，這是由于高分子聚合物完全溶解，而溫度繼續(xù)升高，在一定程度上降低水泥漿粘度，但水泥漿最終稠度為16BC,高于水溶液聚合物添加劑水泥漿的最終稠度，說(shuō)明固相油懸浮聚合物添加劑水泥漿的低溫流動(dòng)性及高溫穩(wěn)定性均優(yōu)于水溶液聚合物添加劑水泥漿。

3 水泥漿性能和特點(diǎn)

3.1 水泥漿性能

通過(guò)大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行添加劑篩選及配方優(yōu)化，開發(fā)出了滿足要求的水泥漿體系，使用同一混杰，通過(guò)調(diào)整液體添加劑加量，配置了1.90 g.cm-3、2.00 g.cm-3、2.15 g.cm-3三種有代表性低、中、高密度的水泥漿，性能良好，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求，見表4。

表4 相同混杰配置的不同密度水泥漿的性能

1.90 g.cm-3配方：100% BWOC H 級(jí)水泥+5%BWOC 微硅+30% BWOC 硅粉100 目+10% BWOC硅粉200 目+0.4% BWOC 消泡劑+0.1% BWOC 分散劑+2.5% BWOC 降失水劑+0.7% BWOC 懸浮穩(wěn)定劑+0.8% BWOC 緩凝劑+2.0% BWOC 防氣竄劑。

2.00 g.cm-3配方：100% BWOC H 級(jí)水泥+5%BWOC 微硅+30% BWOC 硅粉100 目+10% BWOC硅粉200 目+0.5% BWOC 消泡劑+0.5% BWOC 分散劑+2.0% BWOC 降失水劑+0.02% BWOC 懸浮穩(wěn)定劑+1.0% BWOC 緩凝劑+2.0% BWOC 防氣竄劑。

2.15 g.cm-3配方：100% BWOC H 級(jí)水泥+5%BWOC 微硅+30% BWOC 硅粉100 目+10% BWOC硅粉200 目+0.4% BWOC 消泡劑+1.0% BWOC 分散劑+1.2% BWOC 降失水劑+1.8% BWOC 緩凝劑+2.0% BWOC 防氣竄劑。

3.2 水泥漿特點(diǎn)

開發(fā)的廣密度水泥漿，在不加加重劑的情況下，最高密度可達(dá)2.15 g.cm-3。該技術(shù)具有混杰簡(jiǎn)單，同一混杰可調(diào)密度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中因遇到漏失、氣竄等復(fù)雜井況時(shí)，可滿足水泥漿密度及性能實(shí)時(shí)調(diào)整的要求，見表5。

表5 廣密度水泥漿與傳統(tǒng)水泥漿對(duì)比

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在墨西哥灣1.90～2.15 g.cm-3密度范圍的水泥漿廣泛應(yīng)用于套管及尾管固井作業(yè)，目前該技術(shù)已經(jīng)在墨西哥應(yīng)用48 口井，多次解決因漏失或氣竄造成的水泥漿密度臨時(shí)調(diào)整的突發(fā)情況，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

例如ONEL-71 井9 5/8" 技術(shù)套管固井作業(yè)，設(shè)計(jì)鉆深為4 856 m，井底溫度140 ℃，作業(yè)前水泥漿的設(shè)計(jì)密度為2.10 g·cm-3，因鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生漏失，現(xiàn)場(chǎng)采取降低泥漿密度的措施來(lái)降低循環(huán)當(dāng)量密度，減少漏失。甲方要求修改固井設(shè)計(jì)，將水泥漿密度由原先設(shè)計(jì)的2.10 g·cm-3降至2.00 g·cm-3，由于已經(jīng)按照2.10 g·cm-3密度設(shè)計(jì)水泥漿，完成混杰并送至平臺(tái)，如果使用傳統(tǒng)水泥漿，需要陸地重新設(shè)計(jì)水泥漿，重新混杰并送至平臺(tái)，會(huì)耽誤4～5 d 的作業(yè)時(shí)間，產(chǎn)生幾十萬(wàn)美元損失。得益于研發(fā)的廣密度水泥漿技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室利用現(xiàn)場(chǎng)混杰及添加劑，用1 d 時(shí)間臨時(shí)更改配方并調(diào)節(jié)出滿足現(xiàn)場(chǎng)要求的性能，保證了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的順利實(shí)施，且固井質(zhì)量?jī)?yōu)良。

4 結(jié)論

針對(duì)墨西哥淺水作業(yè)因地層復(fù)雜情況頻發(fā)導(dǎo)致的水泥漿密度需臨時(shí)調(diào)整技術(shù)難點(diǎn)，通過(guò)針對(duì)性研究，開發(fā)了一套無(wú)加重劑的廣密度水泥漿技術(shù)，具有同一混杰可調(diào)密度范圍廣、無(wú)需使用加重劑、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在墨西哥海上淺水固井作業(yè)中廣泛推廣應(yīng)用，多次解決現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜情況，提高了鉆井時(shí)效，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。