深水表层固井低密度水泥浆体系在LW井的应用

吴村章 宋茂林 赵 琥 范 鹏 廖易波 阎许峰

(中海油田服务股份有限公司 油田化学事业部，中国 北京101149)

0 引言

随着全球能源需求的不断膨胀，陆上大型油气田日益枯竭，人们逐渐将目光投向海洋，海洋油气资源主要分布在大陆架，约占全球海洋油气资源的60%，其中深水、超深水域的油气资源潜力可观，约占30%[1-2]。低温、海底松软地层、浅层流是这类地层的普遍特点。

本文所研究的适合深水表层固井的低密度水泥浆体系可以解决深水表层固井所面临的难题，并在国内应用于大于500m水深的井，有利于提高国内深水油气井固井的整体水平。

1 深水低密度水泥浆体系的开发

1.1 技术背景

根据物探调查，本井位将钻遇断层，存在井漏的风险；另外，对于相同沉积厚度的地层来说，随着水深的增加，地层的破裂压力梯度在降低，致使破裂压力梯度和地层孔隙压力梯度之间的窗口较窄，容易发生井漏。

国内外常用的低密度水泥浆主要有漂珠、膨润上、粉煤灰等体系。从现场使用经验来看，这些低密度体系的密度都有最低的限制值，当密度低于这个限制值时，水泥浆的性能变化特别大，尤其是浆体稳定性和水泥石抗压强度。如漂珠低密度水泥浆体系的最低密度限制值是1.4g/cm3；膨润上低密度水泥浆的最低密度限制值是1.6g/cm3；粉煤灰低密度水泥浆的最低密度限制值是1.55g/cm3当各自的水泥浆密度低于该密度时，水泥浆产生分层，且抗压强度下降很快[3]。

而且，随着水深的不断增加，3000m水深就相当于将近30MPa的静液柱压力，而且随着井深的不断增加，压力还会继续增加。那么目前常用的漂珠低密度水泥浆体系是否能承受如此高的压力呢？图1就是实验室得到的常规密度的漂珠低密度水泥浆体系密度随压力的变化趋势。

图1 1.56g/cm3天然漂珠水泥浆的密度随压力变化趋势

由图1可以看出：1)随着井下压力的升高，水泥浆的密度随之增大，而目密度越低的水泥浆其密度升高的幅度越大；2)当井下压力达到30MPa时，水泥浆密度已经达到1.69g/cm3，已经失去了使用低密度水泥浆体系的意义。

试验结果表明，常用的漂珠类低密度水泥浆体系不适用于低压易漏并目多属于深水、超深水井的地层的固井施工。天然漂珠在井下压力作用下破碎之后，使低密水泥浆体系密度上升的同时，也增加了该体系的粘度，从而使泵压升高，这就进一步增加了井漏的风险。

而且漂珠作为火电厂粉煤灰沸腾燃烧方式的副产品，随着火电厂锅炉从沸腾燃烧方式向节能环保的流化床燃烧方式转变，漂珠的产量将会越来越少，因此目前急需寻找一种代替漂珠的新型减轻材料，以满足配制低密度水泥浆的需求。

1.2 新型低密度减轻材料选择

常用漂珠低密度体系承压能力差的主要原因是，使用的密度减轻材料漂珠本身为煤燃烧的副产品，粒径大小不一，形状不规则，所含成分也不一致，造成了其承压能力差。中海油服油田化学研究院的经过研发改进的中空玻璃微珠PC-P62是工厂生产的产品，具有更好的粒径分布和强度。

PC-P62人造玻璃微珠主要化学成分是碱石灰硼硅酸盐玻璃,是一颗颗透明的微米级玻璃质密闭中空正球体，有坚硬的球壳，球体内充有稀薄的气体。从在宏观上看是纯白色的粉末。其粒径大小不等，最小颗粒粒径为2mm，其平均粒径为35mm。壁厚约为其直径的10%。作为一种新型的无机填料，它具有密度小，抗压能力强，稳定性优异的特点[4]。

表1 P62人造微珠物理性能

并目研究表明，该系列空心玻璃微珠为小粒径的完美球体，易混合，易泵送；不可压缩，可以方便准确地进行测井工作；有极高的强度密度比，在井下作业时不会破碎；有相当高的密闭率，水不能进入球体，因此可以使密度保持恒定；呈化学惰性，不会与水泥浆中的其他添加剂发生反应，从而儿乎可以和所有的固井水泥浆体系兼容；微珠的各向应力一致，可以减小水泥在固化后的收缩；内部有少许气体存在，因此有很好的保温作用，这样就可以加快水泥的水化速度，从而减少候凝时间，并目使水泥在短时间内就有较高的强度[5]。

鉴于深水、超深水固井存在表层压力窗口很窄，海底水泥浆受到的水深压力高，因此选择粒径更小、密度低、抗压强度更大的PC-P62作为深水用密度减轻剂。

1.3 低密度水泥浆体系设计原则

根据颗粒级配紧密堆积理论，通过优化低密度混合物中粒度分布，提高水泥浆体系的密实程度，可以使低密度水泥浆的强度和其他性能大幅度提高。因此，要注意以下问题：

1）较好的稳定性:水泥浆在一定的条件下，浆体不发生分层离析，形成的水泥石纵向密度分布要基本一致，游离液少、体积收缩小。

2）合适的流变性和密度:选择减轻剂的类型和级别粒径，不能盲目增大用水量，用水量应严格控制在所选择减轻剂的最大允许范围内。

3）较高的早期强度:不能盲目追求水泥浆的流变性能和滤失量控制，而损害水泥浆的抗压强度和稳定性。选择不同粒径的低密度材料紧密堆积并辅以外加剂，以提高早期强度。

1.4 深水表层水泥浆体系及性能评价

根据LW的实际井况要求，结合开发的新型深水低温外加剂，使用了新型PC-LoLET深水低温低密度水泥浆体系。水泥浆主要材料为：

嘉华G级水泥，人造微珠PC-P62，增强剂PC-BT1，早强剂PCDA92S、PC-DA93L，降失水剂PC-DG72S，消泡剂PC-X61L，分散剂PC-DF41L，防窜增强剂PC-GS12L，现场钻井水。在室内做了大量的配方优化实验，得出了20”套管固井的水泥浆配方，并对水泥浆性能进行了详细的评价。其水泥浆基本性能如表2所示。

20”套管固井的水泥浆配方为：

首浆：100%G级水泥+15%PC-P62+17%PC-BT1+1%PC-X66L+1%PC-X60L+1%PC-DA92S+1%PC-DA93L+0.6%PC-DG72S+0.6%PCDH41L+12%PC-GS12L+FW

尾浆：100%G级水泥+15%PC-P60+17%PC-BT1+0.5%PCX66L+1.8%PC-DH41L+0.8%PC-DA92S+0.4%PC-DG72S+0.8%PCDA93L+0.5%PC-X60L+12%PC-GS12L FW

表2 水泥浆性能(BHCT=25℃,BHST=33℃,BHP=14MPa)

2 现场应用

LW位于香港东南约260km。流花28-4构造位于珠江口盆地南部拗陷带珠Ⅱ拗陷，白云凹陷东洼北部斜坡带。2011年在番禺低隆起的PY-LH成藏区带内勘探发现大量油气资源，证明了该地区油气成藏条件非常有利，同时也揭示了白云凹陷油气勘探的巨大潜力。预测油层位置位于珠江组下部砂岩（分布井段2996.0m～3096.0m）、珠海组T62层砂岩（分布井段3554.0m～3616.0m）。地层压力及钻井液类型如表3所示，压力预测图如图2所示，井温数据表如表4所示。水深561米，共进行3开钻井作业：一开喷射下入36”导管；二开26”井眼，进行20”固井作业；三开17-1/4”井眼，进行13-3/8”，四开无固井作业。

表3 地层压力及钻井液类型

20”套管现场施工情况：

20”浅层套管固井地层破裂压力较低，固井存在漏失的风险；地层松软，附加量难确定。根据存在的难点，套管下至设计井深后，用30 SPM排量开始循环，返出正常后逐渐增加排量到130 SPM；循环海水2周，固井泵泵显示液10bbl，固井泵泵注冲洗液60bbl；固井泵混泵密度为1.35S.G的水泥浆832bbl，需混合水489bbl，漂珠水泥98T；固井泵混泵密度为1.43S.G的水泥浆571bbl，需混合水269bbl，漂珠水泥86T；固井泵替海水92.53bbl，卸压检查无回流。

图2 LW压力预测图

表4 井温数据表

候凝时间10小时（现场连续作业，甩钻杆，下防喷器），探塞位置1078.5m，压20 klbs确认。钻套管附件及水泥塞至1100m，套管试压300psi/5min，1500psi/15min，合格，符合设计。三开钻进中未发现水泥掉块。

3 结论

3.1 油田事业部研发的人造玻璃微珠减轻剂相比天然漂珠更适合深水、超深水表层固井作业。

3.2 油田化学事业部自主研发深水低温表层固井低密度水泥浆体系综合性能良好，且体系稳定，在南海LW现场应用良好。

［1］国家能源中心石油化工行业研究组.2008-2010年全球海洋油气勘探行业发展研究与市场前景预测分析报告[R].

［2］Luiz A S R,Junqueira P,Roque J L.Overcoming deep and ultra deepwater driling challenges[R].OTC15233,5-8 May,2003.

［3］Bannerman M,Calvert J,Griffin T.New API practices for isolating potential flow zones during drilling and cementing operations[R].SPE97168,2005.

［4］Baireddy R R,Ronald J C,Bryan K W.Early-enhanced strength cement compositions and methods[P].USP:6478868,2002-11-12.

［5］廖欣,译.水泥的结构与性能[M].化学工业出版社,2009:45-62.