胡潤(rùn)澤，謝 昊，路 旭，胡 潔，曾 錚，趙志宇

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300452）

隨著陸地油氣資源的日益枯竭，勘探開(kāi)發(fā)面臨著向海洋開(kāi)進(jìn)的趨勢(shì)。渤海油田地質(zhì)儲(chǔ)量豐富，但含油氣圈閉呈零散分布，海洋鉆井平臺(tái)又具有空間有限且機(jī)動(dòng)性差的特點(diǎn)，難以形成工業(yè)化規(guī)模的開(kāi)發(fā)，需要探索更有效技術(shù)手段。大位移井水垂比大、水平段長(zhǎng)，能夠達(dá)到鉆遇多套砂體的目的，增大了井筒與儲(chǔ)層接觸面積，極大提升了渤海油田勘探開(kāi)發(fā)效率。固井能夠有效封隔易噴、漏、塌的復(fù)雜地層，是鉆完井風(fēng)險(xiǎn)管控的重要環(huán)節(jié)，但由于渤海不同區(qū)塊地質(zhì)條件各異，水泥漿體系性能受環(huán)境因素影響較大，固井作業(yè)面臨一系列風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)[1-2]。

K 油田位于渤海南部，是渤海油田重點(diǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。該油田第三系地層中含油層位較多，勘探開(kāi)發(fā)初期以淺層大位移井為主，淺部地層泥質(zhì)膠結(jié)及壓實(shí)情況較差，具有“兩低”（地層溫度低、孔隙壓力低）特點(diǎn)。固井作業(yè)時(shí)，低壓疏松地層易誘使水泥漿容易向地層漏失，導(dǎo)致固井質(zhì)量差，嚴(yán)重時(shí)甚至影響固井安全。同時(shí)在低溫條件下水泥水化作用慢，候凝時(shí)間長(zhǎng)，水泥石強(qiáng)度發(fā)展慢，導(dǎo)致固井候凝等待時(shí)間長(zhǎng)，增加海上作業(yè)成本[3-4]。針對(duì)這一問(wèn)題，本文從優(yōu)化水泥漿密度及封堵性、提高早期強(qiáng)度、增強(qiáng)體系穩(wěn)定性三個(gè)角度進(jìn)行了技術(shù)研究，形成了一套適用于淺部疏松地層的大位移井固井水泥漿體系，對(duì)該油田安全開(kāi)發(fā)具有一定意義與價(jià)值。

1 現(xiàn)有水泥漿體系存在問(wèn)題

渤海淺層極疏松地層大位移井對(duì)固井水泥漿體系性能提出了兩方面的要求：需要保證體系具有低密度的特點(diǎn)，避免水泥在套管與井筒環(huán)空中上行過(guò)程中發(fā)生井漏；需要水泥漿在海洋低溫環(huán)境下具備較好的早強(qiáng)性能，提高水泥膠結(jié)面抗壓強(qiáng)度，保證固井質(zhì)量[5]。針對(duì)低溫低密度水泥漿體系的研發(fā)，目前國(guó)內(nèi)外院所、油田企業(yè)都投入了巨大的資源，從固井材料（水泥和外摻料）、水泥外加劑以及相關(guān)理論等方面開(kāi)展了廣泛而深入的研究，形成了以下四種性能優(yōu)良的體系：

（1）DeepCRETE 水泥漿體系。Schlumberger 公司的DeepCRETE 水泥漿體系采用顆粒級(jí)配技術(shù)優(yōu)化不同尺寸固相顆粒的比例，使固液最大，空隙中消耗的水更少，有效提高水泥漿性能和水泥石的機(jī)械性能。水泥漿密度范圍1.02～1.68 g/cm3，溫度適用范圍4～27 ℃，特別適用于漏失風(fēng)險(xiǎn)較高的地層固井，也適用于可能有淺層流危險(xiǎn)的固井[6]。

（2）DeepSetTM泡沫水泥漿體系。BJ 公司的泡沫水泥漿的基漿密度為1.68～1.9 g/cm3，沖入氮?dú)夂笈菽酀{密度可低于0.6 g/cm3，泡沫體系壓縮性能有效控制淺層水流和淺層氣，具有低失水、高強(qiáng)度、隔熱性好、壓縮性好、與多種水泥添加劑配伍等優(yōu)點(diǎn)。

（3）DeepWater Flo-StopTM水泥漿體系。Hallyburton公司的DeepWater Flo-StopTM水泥漿體系有較寬的密度范圍，在低溫條件下的過(guò)渡時(shí)間短（小于30 min）、失水量低（小于50 mL/30min），具有較強(qiáng)的可壓縮性，可以維持過(guò)渡期傳遞到地層上的壓力，防止淺層流危害。低溫低密度條件下抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)水泥漿的強(qiáng)度，能有效支撐井壁[7]。

（4）微粒填充水泥體系。中海油服和長(zhǎng)江大學(xué)合作研發(fā)的微粒填充水泥體系密度為1.58 g/cm3，具有過(guò)渡時(shí)間短、低溫下膠結(jié)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。2007 年，應(yīng)用于珠江口盆地東部地區(qū)的第一口深水探井LW3-1-1 井表層固井作業(yè)取得較好效果，水泥漿體系強(qiáng)度從30 BC到100 BC 的過(guò)渡時(shí)間為20 min，16 ℃條件下養(yǎng)護(hù)24 h，膠結(jié)水泥石的強(qiáng)度為8.88 MPa。

針對(duì)渤海K 油田淺層大位移井固井，當(dāng)前水泥漿體系還存在以下問(wèn)題：

（1）早強(qiáng)劑適用性較弱。目前深水固井水泥漿的可水溶類早強(qiáng)劑以氯化物為主，存在水化放熱大，腐蝕套管及水泥等副作用；而非水溶類早強(qiáng)劑又只能用于有干混設(shè)備的井場(chǎng)，存在一定的應(yīng)用局限且對(duì)溫度較敏感，只能適用單一的溫度條件[8]。

（2）現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性差?？炷嗨囿w系和高鋁水泥體系對(duì)溫度敏感性較差，不適用于深水固井溫度更低的情況，且水化放熱過(guò)快，對(duì)污染物敏感，后期強(qiáng)度衰減，不利于油氣井的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；泡沫水泥漿體系水泥漿、PSD 水泥體系和高強(qiáng)水泥漿體系的性能隨著井底溫度和壓力的變化極不穩(wěn)定，只是片面的追求了抗壓強(qiáng)度的發(fā)展，但對(duì)稠化時(shí)間等性能影響較大，容易發(fā)生固井事故，而且其技術(shù)復(fù)雜，成本過(guò)高[9-10]。

2 低密高強(qiáng)水泥漿體系構(gòu)建

2.1 低密度材料優(yōu)選

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有低密度水泥漿的減輕原理可總結(jié)為三類：以氣體為減輕材料的充氣泡沫水泥漿，這類水泥漿的密度受水泥漿基漿密度、充氣量和井底壓力共同影響，因淺層大位移井垂深較淺而使用受限；以膨潤(rùn)土、粉煤灰、微硅、膨脹珍珠巖、火山灰等超細(xì)粉末為減輕材料，這類水泥漿由于抗壓強(qiáng)度較低，流變性不易調(diào)節(jié)使用受限；依靠材料本身的低密度減輕的，如硬瀝青、細(xì)小的耐壓中空微珠或陶瓷球等，經(jīng)過(guò)與增強(qiáng)材料顆粒級(jí)配后，這類水泥漿具有較高的抗壓強(qiáng)度且水泥石滲透性較低，較適用于K 油田淺層大位移井固井。

選用本身密度較低的人造空心玻璃微珠和比表面積大、吸水性強(qiáng)、活性高的膠凝材料作為水泥漿的減輕劑。

2.1.1 降密材料 人造空心玻璃微珠具有質(zhì)輕、密閉、粒細(xì)（顆粒粒徑為40～250 μm，比水泥顆粒大3～4 倍）和活性等特點(diǎn)，其殼體主要由硅鋁玻璃體質(zhì)組成，能與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2和礦物中的CaSO4作用，生成具有膠凝特性的產(chǎn)物，從而有利于水泥石強(qiáng)度的發(fā)展和滲透率的降低，是一種良好的減輕劑。因?yàn)槠槊芏鹊?，且是封閉的玻璃珠，配制水泥漿時(shí)不吸水，只需少量的水潤(rùn)濕漂珠的表面，使水泥漿具有一定的流動(dòng)性即可，所以隨著漂珠加量的增加，可配制出一般減輕劑難以達(dá)到的低密度水泥漿。在同一密度情況下，漂珠低密度水泥的強(qiáng)度高于其他類型的低密度水泥的強(qiáng)度。

2.1.2 凝膠材料 此外，微硅、礦渣、粉煤灰等膠凝材料，其主要成分為介態(tài)的SiO2，具有以下特點(diǎn)：（1）粒徑小、比表面積大和強(qiáng)的吸水性，能降低水泥漿的游離水和減少失水量，提高漿體的穩(wěn)定性；（2）大量的無(wú)定型SiO2具有很高的反應(yīng)活性，水化早期和低溫條件下的促水化作用顯著，提高了水泥石的早期抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度；（3）此類凝膠顆粒能分布于水泥顆粒之間，進(jìn)一步降低水泥顆粒間的孔喉，改善水泥石的孔隙結(jié)構(gòu)并降低滲透率，提高水泥強(qiáng)度；（4）能與Ca（OH）2快速發(fā)生火山灰效應(yīng)生成低C/S 比的C-S-H（Ⅱ）的水化硅酸鈣，此種低C/S 比的C-S-H（Ⅱ）具有優(yōu)越的抗腐蝕性能。同時(shí)由于水泥漿體系中Ca（OH）2含量下降，也削弱了溶蝕和降低了離子交換能力，再加上水泥石較低的滲透率，都有利于提高水泥石的抗硫酸等腐蝕能力[11]。

2.1.3 混材配比 針對(duì)K 油田固井對(duì)水泥漿的性能要求，需要將低密材料、凝膠材料與水泥顆?；炫湫纬蓽p輕劑。采用Mastersize 2000 激光粒度儀，對(duì)水泥、人造玻璃微珠和常用凝膠材料的粒徑分布進(jìn)行測(cè)定，由實(shí)驗(yàn)可知，水泥顆粒粒徑為10～30 μm，人造空心玻璃微珠粒徑為40～60 μm，凝膠材料粒徑為8～11 μm。根據(jù)Furnas 顆粒堆積最密實(shí)級(jí)配原理，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了材料復(fù)配，最終形成了K-YK 低密材料，該材料具有材料活性高，性能穩(wěn)定，與其他外加劑配伍性良好的特點(diǎn)。

2.2 早強(qiáng)劑優(yōu)選

早強(qiáng)劑能減少水泥漿稠化時(shí)間，提高水泥石早期強(qiáng)度。目前，已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的早強(qiáng)劑類型主要有無(wú)機(jī)鹽類、有機(jī)物類和復(fù)合型三大類早強(qiáng)劑。無(wú)機(jī)鹽類主要有氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、碳酸鹽以及鈉、鉀、銨的氫氧化物等；有機(jī)物類主要有三乙醇胺、三異丙醇胺、甲酸、乙二醇等；復(fù)合型有無(wú)機(jī)鹽與無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)與無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)與有機(jī)三種組合。渤海油田開(kāi)發(fā)早期固井使用的早強(qiáng)劑為復(fù)合型，由醇胺類液體（PCDA93L）和無(wú)機(jī)鹽類固體（PC-A92S）組成，隨著鉆井技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，目前存在水泥漿水化程度弱、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性差等問(wèn)題[12]。

針對(duì)這一問(wèn)題，優(yōu)選研發(fā)了一種納米子晶類早強(qiáng)劑C-A98L，具有性能穩(wěn)定且與其他添加劑配伍性良好的特點(diǎn)，可極大提高水泥石在低溫條件下的早期強(qiáng)度。該藥劑早強(qiáng)機(jī)理是基于晶核效應(yīng)，即納米尺寸的特定添加物摻入水泥中，可以在水泥水化過(guò)程中定向誘導(dǎo)各種礦物離子的遷移，并且為各類水化產(chǎn)物或晶體的生長(zhǎng)提供成核中心，從而加速水化產(chǎn)物的生長(zhǎng)速率并提高水泥水化程度。

2.3 納米增強(qiáng)劑

增強(qiáng)劑的選擇要與低密度體系中的常用減輕劑配套使用，以使外摻料之間能夠充分的填充和進(jìn)行顆粒級(jí)配，并且能夠有效地提高水泥漿穩(wěn)定性，減少游離液含量[13]。

本次優(yōu)選的納米增強(qiáng)劑C-GS12L 主要成分為無(wú)定型二氧化硅，由于其有很高的活性，可填充在水泥顆粒間，能顯著提高水泥石早期強(qiáng)度，增加水泥石致密性，提高水泥漿的防竄能力和防腐能力，適用于深水防淺層流和深井防氣竄的固井作業(yè)；在淡水和海水體系中性能表現(xiàn)良好，具有一定懸浮功能，能夠保持水泥漿均質(zhì)性并抑制過(guò)多自由水的生成，提高了低密度漿體的穩(wěn)定性；能夠在水泥漿中增加“火山灰效應(yīng)”，增加深水低密度水泥漿體系低溫強(qiáng)度。

3 體系性能評(píng)價(jià)

依據(jù)渤海K 油田淺層大位移井固井技術(shù)要求，對(duì)上述優(yōu)選出的材料進(jìn)行配比，構(gòu)建了一套低密高強(qiáng)固井水泥漿體系：海水+50%低溫早強(qiáng)水泥顆粒+25%KYK 低密混合材料+10%納米子晶類早強(qiáng)劑C-A98L+5%納米增強(qiáng)劑C-GS12L。對(duì)于該低溫低密高早強(qiáng)水泥漿體系，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用條件，進(jìn)行了水泥漿體系流變及強(qiáng)度性能評(píng)價(jià)。

3.1 流變性能評(píng)價(jià)

將該水泥漿體系置于低溫32 ℃、低壓8 MPa 條件下，測(cè)試體系稠化特征，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，在設(shè)定溫度壓力下，體系稠度前期穩(wěn)定在25 BC 左右，經(jīng)過(guò)335 min后稠度激增，達(dá)到水泥膠結(jié)稠度，相比常規(guī)水泥漿體系具有稠度變化速度快的優(yōu)點(diǎn)。未達(dá)到稠化時(shí)間時(shí)可以保持較好的流動(dòng)性，稠化時(shí)間到后又能保證水相迅速聚合。

3.2 水泥強(qiáng)度性能

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試該體系水泥漿的強(qiáng)度性能，實(shí)驗(yàn)條件為0～15 min，將反應(yīng)釜內(nèi)溫度逐漸調(diào)高至32 ℃，保持該溫度24 h，觀察水泥漿的強(qiáng)度變化規(guī)律。由實(shí)驗(yàn)可知，該體系在573 min 時(shí)開(kāi)始起強(qiáng)度，700 min 后強(qiáng)度達(dá)到3.45 MPa，12 h 后強(qiáng)度達(dá)到4.41 MPa，24 h 后強(qiáng)度達(dá)到19.4 MPa。相比常規(guī)固井水泥漿，相同時(shí)間內(nèi)強(qiáng)度約是常規(guī)水泥漿的3 倍，能夠保證淺層低溫下的固井質(zhì)量。

4 結(jié)論

（1）K 油田淺層大位移井井段具有泥質(zhì)膠結(jié)及壓實(shí)情況較差、地層溫度及壓力較低的特點(diǎn)，固井作業(yè)時(shí)，水泥漿易向低壓疏松地層中漏失，低溫條件又會(huì)導(dǎo)致水泥漿水化作用慢、形成水泥石強(qiáng)度低，極大影響了固井質(zhì)量和鉆井安全性。

（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，從降低水泥漿密度、提高水泥石強(qiáng)度、強(qiáng)化水泥漿體系穩(wěn)定性三個(gè)角度，研發(fā)優(yōu)選了以人工玻璃微珠和凝膠為主體的低密度混材（KYK）、加速水化產(chǎn)物生長(zhǎng)速率和水化強(qiáng)度的早強(qiáng)劑（CA98L）和提高水泥漿穩(wěn)定性的納米增強(qiáng)劑C-GS12L。

（3）對(duì)優(yōu)選材料進(jìn)行配比，形成了一套適用于渤海K 油田淺層大位移井的低密高強(qiáng)固井水泥漿體系：海水+50%低溫早強(qiáng)水泥顆粒+25%K-YK 低密混合材料+10%納米子晶類早強(qiáng)劑C-A98L+5%納米增強(qiáng)劑CGS12L。通過(guò)性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該體系相比常規(guī)水泥漿具有稠度變化速度快、相同時(shí)間內(nèi)水泥強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。