深水固井液体减轻低密度水泥浆体系

冯颖韬， 宋茂林， 张浩， 李厚铭

（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北燕郊065201）

深水固井液体减轻低密度水泥浆体系

冯颖韬， 宋茂林， 张浩， 李厚铭

（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北燕郊065201）

与传统的表层固井技术不同，深水表层固井由于受到深水环境和现场条件限制，对固井作业提出了新的要求。针对深水表层固井的难点，开发了一种新型液体减轻剂PC-P81L，并以其为主体构建出了深水固井液体减轻低密度水泥浆体系。室内实验结果表明，PC-P81L作为减轻剂对水泥浆具有密度调节作用，可在1.30～1.70 g/cm3之间调节水泥浆密度；具有高悬浮性，最高可悬浮水灰比为2的水泥浆；具有增强作用，还可以应用于常规密度水泥浆中作为增强剂；具有促凝作用，可在深水低温环境下缩短水泥浆稠化时间。构建的深水固井用液体减轻低密度水泥浆体系，通过增大水灰比降低水泥浆密度，提高了水泥浆的造浆率，减少现场水泥用量；且配方简单，易于调节，外加剂以全液体形式添加，减小了现场工作人员的劳动强度；同时满足深水低温环境下的水泥浆性能要求，为下部钻进提高保障；液体减轻水泥浆体系作业成本较漂珠体系也大幅度降低，满足深水低温条件的性能要求，可适用于深水表层固井。

深水；表层固井；低密度水泥浆；液体减轻剂

随着中国南海水域油气资源勘探的深入，深水油气资源的开发已经进入攻坚阶段，而由于深水环境和浅部地层复杂情况的影响，深水固井难度也越来越大。深水固井有别于浅水固井和陆地固井作业，尤其在表层固井技术上有着显著区别，主要表现在[1-2]：①压力窗口较窄，通常需配合使用低密度水泥浆以平衡地层压力；使用低密度水泥浆体系，虽然浆体稳定性好，作业成本低，但在深水低温环境下水化速率低，强度发展慢，候凝时间长，很难短时间满足下部钻进条件；漂珠低密度水泥浆体系具有防窜性能好、强度高、候凝时间短等特点，但体系较为复杂，且作业成本高，同时漂珠在吹灰过程中容易损失或出现分层现象，导致上下密度不一致，影响固井质量[3]。②固井水泥浆量大，深水表层一次固井作业一般达到150 m3以上，增大了现场施工人员的劳动强度。③海上钻井平台储灰罐容积有限，而需要的水泥量大，导致操作性受到严重局限。针对深水表层固井的以上问题，中海油服开发出一种新型液体减轻材料PC-P81L，并以其为主体构建出深水固井液体减轻低密度水泥浆体系。该体系通过增大水灰比降低水泥浆密度，提高了水泥浆的造浆率，减少现场水泥用量；且配方简单，易于调节，外加剂以全液体形式添加，减小了现场工作人员的劳动强度；同时满足深水低温环境下的水泥浆性能要求，为下部钻进提高保障；液体减轻水泥浆体系作业成本较漂珠体系也大幅度降低[4]。

1 室内研究

1.1 液体减轻剂PC-P81L

液体减轻剂PC-P81L是中海油服针对膨润土低密度水泥浆体系和漂珠低密度水泥浆体系在深水表层固井中使用的局限性，自研的一种新型液体减轻材料，主要具有以下特点：①PC-P81L作为减轻剂对水泥浆具有密度调节作用，可在1.30～1.70 g/cm3之间调节水泥浆的密度；②PC-P81L具有高悬浮性，最高可悬浮水灰比为2的水泥浆；③PC-P81L具有增强作用，不但可以作为低密度水泥浆中的减轻剂，还可以作为增强剂应用于常规密度浆体中；④PC-P81L具有促凝作用，可在深水低温环境下缩短水泥浆稠化时间。

1.1.2 作用机理

PC-P81L是一种含有无定型SiO2的水性分散体，为无色透明液体，pH值为9～10，固相含量为35%～50%，密度为1.18～1.22 g/cm3，可迅速与水泥反应产生交联结构，使浆体增稠，提高稳定性；同时PC-P81L中的无定型SiO2与水泥水化产物中有害成分Ca（OH）2反应，生成有强度的C—S—H凝胶，即“火山灰效应”，提高了水泥石早期强度[5]。

1.1.3 对水泥浆稳定性的影响

在室温下，使用密度为1.30 g/cm3、水灰比为2的空白低密度水泥浆和混配PC-P81L的低密度水泥浆，对比配制不同时间后的浆体稳定性，结果见图1。由图1可知，空白低密度水泥浆在配制5和30 min后自由水明显，沉降严重；加入PC-P81L的低密度水泥浆在配制5和30 min后，浆体稳定，无自由液和沉降产生，且能够使用海水配浆，说明PC-P81L具有高悬浮性，最高可悬浮水灰比为2的水泥浆，可实现通过提高水灰比降低水泥浆密度。

图1 低密度水泥浆配制不同时间后的浆体稳定性

1.1.4 对水泥石强度的影响

在井底静止温度为30 ℃，密度为1.40 g/cm3、水灰比为1.48的空白低密度水泥浆中，对比不同加量PC-P81L在24 h和48 h水泥石强度变化，实验结果见表1。由表1可以看出，随着PC-P81L加量的增加，水泥石强度逐渐增大，说明PC-P81L具有一定的增强作用。

小周上前把笔和会见笔录递过去。杨小水并没有细看，翻到最后一页签上自己的名字。签名画押这活，杨小水这一段肯定没少做。

表1 液体减轻剂PC-P81L对低密度水泥石强度的影响

1.1.5 对水泥浆稠化时间的影响

在BHCT为30 ℃、密度为1.40 g/cm3、水灰比为1.48的空白低密度水泥浆中，测得PC-P81L加量为0、10%、15%、20%、25%的水泥浆稠化时间分别为728、653、591、556、613 min。可以看出，随着PC-P81L加量的增加，稠化时间逐渐缩短，说明PC-P81L具有一定的促凝作用。

1.2 液体减轻低密度水泥浆体系构建

1.2.1 降失水剂选择

目前常用的油井水泥降失水剂主要为聚合物类和PVA类[6]，因此选择聚合物降失水剂GA80和GA86（具有防窜功能），PVA类降失水剂GA74进行优选，实验结果见表2。

表2 降失水剂优选

从表2可以看出，使用3种降失水剂后失水量均能小于100 mL，满足深水表层失水要求，且失水量也基本相当，说明自研液体减轻剂与不同种类的降失水剂配伍性良好；而使用GA86不但能够有效控制失水量，水泥石抗压强度较另2种降失水剂也明显提高，并且具有防窜功能，因此选择GA86。

1.2.2 早强剂选择

目前常用的早强剂种类主要为无机盐类、有机胺类和晶种类[7]，因此选择不同类型的6种早强剂进行优选。通过前期实验得出不同早强剂在液体减轻低密度体系中的最佳加量，对比每种早强剂最佳加量的强度性能进行早强剂优选，实验结果见表3。由表3可以看出，不同早强剂针对液体减轻低密度体系都能够明显提高水泥石的早期强度，说明自研液体减轻剂与不同种类的早强剂配伍性良好；而ZA95的早强效果最为显著，因此选择ZA95。

1.2.3 其他外加剂选择

为进一步提高低密度水泥浆体系的早期强度，选择DE62作为增强剂，其主要是一种火山灰材料，水化过程中的火山灰效应更为显著，同时其粒径和比表面积更小，可很好地填充于水泥颗粒之间，提高水泥石密实度，进一步提高强度[8]。为调节低密度水泥浆体系的稠化时间，选择中海油服常用的中低温缓凝剂HA21和消泡剂XA63。

表3 在基浆中加入不同早强剂的抗压强度优选

1.2.4 体系构建

根据中海油服在南海海域深水表层固井作业中低密度水泥浆的施工条件和水泥浆性能调研，总结得出深水表层固井作业水泥浆密度范围为：1.40～1.60 g/cm3，静止温度BHST为 25～50 ℃，循环温度BHCT为0.7×BHST，稠化时间为8～11 h，24 h抗压强度大于3.5 MPa，API失水量小于100 mL，自由水小于1%。因此以液体减轻剂PC-P81L和优选的降失水剂GA86、早强剂ZA95为主体，部分条件配合使用缓凝剂HA21和增强剂DE62，进行深水固井液体减轻低密度水泥浆体系构建。由表4可以看出，构建的水泥浆体系在密度1.40～1.6 g/cm3，静止温度BHST为25～50 ℃条件下，水泥浆的各项性能满足深水表层固井作业中低密度水泥浆的性能要求，并且体系的配方组成简单，外加剂种类少，全液体添加，可以很大程度地降低现场施工人员的劳动强度。

2 现场应用

深水固井液体减轻低密度水泥浆在LS25-XX井进行了首次应用，该井井深为1 835 m，水深为965 m，为深水井。LS25-XX井的施工层次为φ508 mm表层，套管入泥为870 m，BHST/BHCT为31 ℃/23 ℃。采用低密度领浆和尾浆配合使用，低密度领浆密度1.40 g/cm3，返至泥线位置，尾浆密度为1.85 g/cm3返至管鞋以上150 m。低密度领浆性能要求：可泵时间为7～8 h，24 h抗压强度大于3.5 MPa，API失水量小于100 mL，自由水小于1%。

表4 液体减轻低密度水泥浆在不同条件下的性能

施工水泥用量少，减少了平台灰罐使用量，现场操作方便。该水泥浆体系流变性良好，较漂珠水泥浆容易泵送，混浆泡少，设备操作风险性低。水泥浆性能满足现场性能要求，可泵时间为460 min（见图2），24 h抗压强度为4.7 MPa（见图3），API失水为42 mL，自由水为0。

图2 LS25-XX井液体低密度水泥浆稠化曲线

深水固井液体减轻低密度水泥浆体系在现场施工性能良好，施工后可观察到水泥浆返到泥线；现场在静止温度条件下养护的样品强度发展快，满足下部钻井要求，建井中井口稳定无下沉；后期测井结果显示一、二界面胶结良好。经过成本测算，使用液体减轻低密度水泥浆，单方材料成本较漂珠低密度水泥浆体系降低50%。

图3 LS25-XX井液体低密度水泥浆UCA强度发展

3 结论

1.自研液体减轻剂PC-P81L具有高悬浮性，可实现通过增大水灰比降低水泥浆密度，且对水泥浆有增强和促凝作用；同时与其他外加剂配伍性好，满足深水低温环境下的水泥浆性能要求。

2.深水固井液体减轻低密度水泥浆体系添加剂种类少，配方简单，易于调节，同时实现了全液体化，方便添加，降低了现场施工人员的劳动强度。

3.深水固井液体减轻低密度水泥浆提高了造浆率，减少水泥用量，避免平台储灰灌容积使用受限。

4.深水固井液体减轻低密度水泥浆体系较漂珠体系作业成本大幅度降低，提高了经济性。

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Liquid Cementing Fluid Reduced Lightened Deep Water Light-weight Cement Slurry

FENG Yingtao, SONG Maolin, ZHANG Hao, LI Houming
(Oilfield Chemistry R&D Institute, COSL, Yanjiao, Sanhe, Hebei 065201)

Contrary to the surface hole cementing operation, deep water surface hole cementing imposes new requirements on well cementing operation because of the deep water environment and the operation condition. A new liquid light weight agent PC-P81L has been developed for use in cementing the surface hole in deep water drilling, and a cementing fluid was formulated with PC-P81L.Laboratory experimental results showed that PC-P81L can be used to adjust the density of cement slurry between 1.30 g/cm3and 1.70 g/cm3. PC-P81L has strong suspending capacity; it can suspend cement slurries with water/cement ratio of 2. PC-P81L is not only a light weight agent, it is also a strength enhancer in cement slurries with conventional densities. PC-P81L can accelerate the setting of cement slurry in deep water low temperature environment. By increasing the water/cement ratio, the density of the deep water low density cement slurry can be reduced, and the yield of the cement slurry increased, thereby reducing the consumption of cement in field application. The formulation of the cement slurry is simple and the properties of the cement slurry are easy to adjust. The additives used are added in liquid form, thereby lightening the field labor intensity. The use of the cement slurry has satisfied the needs for deep water low temperature operation, providing insurance for drilling the deeper formation. Compared with hollow microsphere, the operation cost of the light weight cement slurry is quite lower.

Deep water; Surface casing cementing; Low density cement slurry; Liquid light weight agent

冯颖韬，宋茂林，张浩，等.深水固井液体减轻低密度水泥浆体系[J].钻井液与完井液，2017，34（4）：80-84.

FENG Yingtao, SONG Maolin, ZHANG Hao,et al.Liquid cementing fluid reduced lightened deep water light-weight cement slurry[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（4）：80-84.

TE256

A

1001-5620（2017）04-0080-05

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.015

冯颖韬，工程师，硕士，1986年生，毕业于西南石油大学石油与天然气工程，现在从事固井技术研究工作。电话15075694569；E-mail：fengyt@cosl.com.cn。

2017-02-11；HGF=1702N1；编辑 王小娜）