一种海洋深水超低温早强剂的研究

朱江林，石礼岗，方国伟

冯克满，凌伟汉，宋茂林 （中海油服油田化学研究院，北京101149）

范 鹏 （中海油服油田化学事业部深圳基地，广东 深圳518054）

海洋深水石油开发是我国未来相当一段时间内石油资源开发的重要领域，而低温固井技术就是其中一项必不可少的重要和关键技术之一。海洋深水的特点是低温、高压，有时常常伴随有低的地层破裂压力、浅层流和天然气水合物[1]。当水深达到800～1200m时，泥线温度只有10℃左右，当水深达到1500～2000m时，泥线温度只有3℃左右，低温环境下存在的主要问题就是低温延缓了油井水泥的水化，影响了水泥石抗压强度的发展[2]，特别是在近似0℃的低温环境下，普通 “G”级油井水泥几乎停止了水化、固化反应，使钻井作业无法继续进行[3-4]，严重影响了在深水石油资源的开发、开采。

目前国内有较多20～40℃时使用的提高水泥石早期强度的早强剂，但仍还没有对于海洋深水低温15℃或接近10℃的低温环境下所使用的低温、超低温早强剂。此外，普通 “G”级油井水泥在低温10℃或更低温环境下，一般情况下水泥水化速度缓慢或几乎不进行水化反应，水泥石早期强度低，8h甚至24h无法形成有效强度，作业无法顺利进行。为此，笔者研究了一种深水固井用低温早强剂。

1 深水低温早强剂基本组成及使用方法

该早强剂主要由固体PC-DA21S与液体PC-DA21L两部分组成。当井底静止温度≥20℃时，推荐使用单一固体早强剂PC-A21S即可达到理想的早强效果，加量范围在0.5%～5% （BWOC）；若3℃≤井底静止温度＜20℃，此时必须固液混合使用效果会更佳，液体具有在低温环境下促使水泥成分中的硅酸三钙迅速水化的功效。在加有固体早强剂的情况下，液体早强剂PC-DA21L加量为2%～3%（BWOC），固体成分PC-DA21L依然为0.5%～5% （BWOC）。液体PC-DA21L能起到较好的早期促凝作用，能明显缩短稠化时间；而固体PC-DA21S能满足早期强度发展要求，明显提高水泥石的强度。

2 深水低温早强剂性能评价

2.1 早强剂对浆体流动性能评价

现有的早强剂大部分有增稠严重现象，主要是由于大都加有CaCl2或其他含Ca2＋的无机材料，必然会影响浆体的流动性能，且氯离子的存在对钢材腐蚀严重，不利于油气井的开采。不同早强剂对浆体流变性能影响如表1所示。由表1可知，笔者研究的早强剂增稠现象不明显，水溶性好，也不含氯离子，有利于保护油井套管。

2.2 低温10℃性能评价

当水深达到800～1200m时，泥线温度只有10℃左右，对于海洋深水表层固井是一个挑战。超低温早强剂PC-DA21S及PC-DA21L依据上述指导说明及使用方法，浆体在保持较好的流变情况下，稠化时间能随意调整并能达到水泥石固井作业的抗压强度要求，见表2。

表1 不同早强剂对浆体流变性能影响

表2 10℃的浆体稠化时间与抗压强度性能

为可持续观察水泥石在低温10℃环境下的强度发展情况，笔者对水泥石进行了UCA （超声波水泥强度分析仪）试验，它能够持续监控水泥石在低温环境下的强度发展 （见表3）。试验结果表明，常规浆体在低温10℃时流变性能较好，一直保持在17～20Bc左右。超低温早强剂PC-DA21S（L）可以满足稠化时间的要求，其他早强剂在达到最大加量时都无法将稠化时间缩短至4h左右，故其他早强剂在24h都无法满足支撑套管最低3.5MPa的强度要求。超低温早强剂PC-DA21S（L）在低温10℃情况下14h形成支撑套管的3.5MPa强度，24h达到6.9MPa，3d水泥块强度达到19.6MPa的高强度，是其他早强剂抗压强度的2～3倍左右。

表3 低温10℃时UCA抗压强度数据表

2.3 超低温3℃性能评价

当水深达到1500～2000m时，泥线温度只有3℃左右，低温环境下存在的主要问题就是低温延缓了油井水泥的水化，影响了水泥石抗压强度的发展。表4为低温3℃时加早强剂及未加早强剂时淡水、海水的试验情况。

表4 早强剂低温3℃性能评价

结果表明，在低温3℃时，水泥浆体水化速度缓慢，8h甚至24h几乎都无强度。加有超低温早强剂后，24h后最高强度达到2.80MPa，48h达到10.6MPa，满足现场施工要求。从UCA超声波强度测定仪上研究发现 （见表5），30h后抗压强度达到3.6MPa，120h强度发展到22.8MPa，160h强度发展到27.3MPa，结果非常理想，表明超低温早强剂同时具有很好的后期强度发展。

2.4 温度适用性研究

温度环境对水泥浆性能影响很大，特别是对浆体的稠化时间及水泥石的抗压强度有较大影响。为研究早强剂对环境温度的适用性，笔者在不同循环温度下进行试验研究，试验结果见表6。

表5 低温3℃时UCA抗压强度数据表

表6 早强剂在不同温度下的稠化时间及抗压强度

结果表明，低温早强剂PC-DA21S（L）可以满足不同循环温度下的稠化时间要求，适用于循环温度从3～40℃的温度宽度，而且水泥石的抗压强度较高，完全可以满足不同环境下的固井作业要求。

3 结 论

通过以上试验证明，对于低温早强剂PC-DA21S（L）可以得出以下结论：

1）现有技术的早强剂大部分有增稠严重现象，而且含有对钢材腐蚀严重的氯离子的存在；发明的低温早强剂增稠现象不明显，水溶性好，也不含氯离子，有利于保护油井套管。

2）该早强剂可以解决低温10℃情况下14h形成支撑套管的3.6MPa强度，24h达到6.9MPa，3d水泥块强度达到19.6MPa的高强度。

3）该早强剂在低温3℃时也表现出较好的早强效果，30h后抗压强度达到3.6MPa，60h达到10.8MPa。

4）该早强剂适用的循环温度为3～40℃，可用于水深在2000m以内的快速钻井中导管和表层套管固井及低温浅井固井。

[1]Biezen E，Ravi K.Designing effective zonal isolation for high-pressure／high-temperature and low temperature wells [J].SPE／IADC，1999：57-583.

[2]White J，Moore S，Miller M，et al.Foaming cement as deterrent to compaction damage in deepwater production [J].SPE／IADC，2000：59-136.

[3]Watson P，Richard B，Thomas P，et al.An innovative approach to development drilling in the deepwater Gulf of Mexico [J].World oil，2004，225 （1）：41-48.

[4]Mohammedi N，Ferri A，Piot B.Deepwater wells benefit from cold-temperature cements [J].World Oil，2001，222 （4）：86-88.