深水表层固井高效缓凝剂研究与应用

赵 凯，崔 策，李占东，纪 经

（1.中海油服油田化学事业部湛江作业公司，广东 湛江 524051；2.中海油服油田化学研究院，河北 三河 065201）

随着海洋深水油气田勘探开发的不断深入，我国南海深水区域逐渐成为油气田开发的主战场。深水固井作业不仅面临诸多技术挑战，也面临开发成本高昂的问题。在深水固井作业中，表层水泥浆用量较大。其间，为防止地层漏失，常采用大量低密度水泥浆来降低静液柱压力。因此，表层低密度水泥浆的成本在作业成本中占据很大的比重。

我国南海常用的低密度水泥浆体系包括漂珠水泥浆体系与液体减轻低密度水泥浆体系。由于海上平台空间受限、材料干混存在局限性以及成本高昂，漂珠水泥浆体系在深水表层固井作业中应用较少。而液体减轻低密度水泥浆体系（简称PC-ExtCEM 体系）具有全液体化、造浆率高、性价比高等优点，在深水表层固井作业中备受青睐。PC-ExtCEM 体系自2017年进行海试应用和现场推广至今，累计完成超过30 口井的现场应用。随着深水井作业井数增多，PC-ExtCEM 体系使用量逐渐增大。但由于深水表层需要较长的稠化时间（通常需要大于8 h），该体系在应用过程中表现出缓凝剂用量较大的不足。为降低深水固井成本，室内针对PC-ExtCEM 体系开发了新型高效缓凝剂C-R23L，研究的缓凝剂在扩大该体系温度适用范围的同时，显著降低了其用量，降本增效成果显著。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验材料有山东G 级油井水泥、海水、液体减轻剂P81L、降失水剂FL86L、缓凝剂C-R21L、防窜增强剂GS12L、防窜增强剂GS13L、早强剂A95L、消泡剂DF60L、新型缓凝剂C-R23L。

1.2 试验仪器

试验仪器有OWC-9360 搅拌器、OWC-118D 循环水养护箱、YJ-2001 型抗压强度试验机、OWC-9480D 高温高压稠化仪。

1.3 测试方法

本文涉及的水泥浆制备及性能测试均采用美国石油协会标准API RP 10B 中的相关方法。

2 结果与讨论

2.1 缓凝剂C-R23L 扩大水泥浆适用温度研究

室内结合海上油井开发过程中对技术套管填充浆的性能需求，构建了中高温PC-ExtCEM 体系配方：G 级水泥100%+降失水剂FL86L 6%+液体减轻剂P81L 15%+消泡剂DF60L 0.5%+缓凝剂C-R23L 3.5%+ 防窜增强剂GS12L 8%+ 海水65%（ 密度1.50 g/cm）。研究人员对其性能进行评价，该配方性能与技术套管填充浆常用性能要求对比如表1所示。该缓凝剂可良好适配于该体系的中高温配方，没有出现稠化曲线包心、鼓包等异常情况。从表1 可以看出，以C-R23L 构建的水泥浆配方可满足技术套管填充浆对于温度、稠化时间及强度发展的要求。

表1 构建配方性能与技术套管填充浆性能要求对比

2.2 缓凝剂C-R23L 作用效果研究

缓凝剂作为水泥浆的主要外加剂之一，其加量多少会直接影响固井作业的成本。C-R23L 除扩大PCExtCEM 体系温度适用范围，还发挥着降低体系缓凝剂加量、提高经济效益的重要作用。在C-R23L 研发之前，通常采用C-R21L 构建PC-ExtCEM 体系低温配方，但现场应用中存在C-R21L 加量大、经济效益低的不足。室内采用C-R23L 构建PC-ExtCEM 体系低温配方，并与已作业井进行对比，以研究C-R23L在降低体系缓凝剂加量、提高经济效益方面的作用，如表2所示。

试验过程中，XX1 井使用的配方为G 级水泥100%+消泡剂DF60L 0.5%+降失水剂FL86L 8%+液体减轻剂P81L 6%+防窜增强剂GS13L 8%+早强剂A95L 5%+缓凝剂C-R21L 3.4%+海水70%（密度1.55 g/cm）；XX2 井使用的配方为G 级水泥100%+消泡剂DF60L 0.5%+降失水剂FL86L 8%+液体减轻剂P81L 8%+防窜增强剂GS13L 4%+防窜增强剂GS12L 12%+早强剂A95L 5%+缓凝剂C-R21L 4.5%+海水64%（密度1.55 g/cm）；XX3 井使用的配方为G 级水泥100%+消泡剂DF60L 0.5%+降失水剂FL86L 6%+液体减轻剂P81L 8%+防窜增强剂GS13L 4%+早强剂A95L 5%+缓凝剂C-R21L 5%+海水80%（密度1.50 g/cm）。

由表2 可知，在低温条件下，传统PC-ExtCEM体系中C-R21L 加量通常较大，严重影响施工效率与经济效益。采用C-R23L 构建新体系，在相近的稠化时间下，其加量相较于C-R21L 可降低30%～50%，而C-R23L 的生产成本比C-R21L 更低。通过针对现场作业的三口井配方研究，其结果相一致，这表明C-R23L 有效解决了低温条件下传统PC-ExtCEM 体系中缓凝剂加量大的问题，其经济效益显著。

表2 低温下两种缓凝剂对PC-ExtCEM 体系稠化性能的影响对比

缓凝剂的加入通常会影响水泥石的强度发展，本文对上述XX1 井配方进行强度研究，其结果如表3所示。表3 的结果表明，相较C-R21L，C-R23L 未降低水泥石强度，且满足大于3.5 MPa 的现场应用要求。

表3 低温下两种缓凝剂对PC-ExtCEM 体系强度的影响对比

2.3 缓凝剂C-R23L 综合性能研究

现场工况通常较为复杂，除要求水泥浆具有稳定的性能外，还要求其能够适应复杂的工况条件。尤其是稠化时间，其要求水泥浆在微小的温度、密度、缓凝剂加量变化以及混合水老化等情况下仍能够保持良好的规律性与较小的变化。因此，针对实际工况对缓凝剂的要求，研究人员对缓凝剂C-R23L 在水泥浆中的性能进行了全面的研究。所使用的水泥浆配方为：G 级水泥100%+消泡剂DF60L 0.5%+降失水剂FL86L 8%+液体减轻剂P81L 6%+防窜增强剂GS13L 8%+早强剂A95L 5%+缓凝剂C-R23L+海水70%（密度1.55 g/cm）。

2.3.1 缓凝剂加量敏感性

实际施工过程中，水泥浆用量巨大，微小的缓凝剂加量偏差极为常见。若水泥浆对缓凝剂加量过于敏感，微小的缓凝剂加量变化会引起稠化时间的大幅改变，进而影响施工效率或引发施工事故。因此，水泥浆的稠化时间对于缓凝剂应具有良好的加量敏感性。室内研究了缓凝剂加量敏感性，试验结果如表4所示。结果表明，稠化时间与缓凝剂加量呈现良好的正相关关系，趋近于线性关系，规律性良好。同时，稠化时间对缓凝剂具有良好的加量敏感性，即稠化时间不会由于缓凝剂加量的微小变化产生过大的偏差。考虑到水泥浆的泵送问题，本文比较了不同缓凝剂加量下的水泥浆可泵时间，可泵时间与缓凝剂加量也表现出良好的正相关关系与低敏感性，如表4所示。

表4 19 ℃低温配方C-R23L 敏感性试验

2.3.2 温度敏感性

室内对水泥浆稠化时间的性能测试通常采用预测的井底循环温度，该预测温度通常与实际井况有少许差异。这就要求水泥浆拥有良好的温度敏感性，当温度产生轻微的变化时，其稠化时间不应产生过大的偏差，以保证施工效率与施工安全。针对试验配方，进行温度偏差为5 ℃的温度敏感性试验。由表5 可知，该水泥浆体系处于19 ～24 ℃时，温度规律良好，随着温度升高，稠化时间与可泵时间降低，偏差较小，且不存在稠化反转的问题，满足现场应用要求。

表5 稠化温度敏感性试验（缓凝剂C-R23L）

2.3.3 密度敏感性

固井过程通常是在固井泵中将水泥与混合水混合，之后泵入井中。在这个过程中，其密度有时会产生轻微的波动。这就要求水泥浆对密度具有良好的敏感性。针对密度为1.55 g/cm的水泥浆配方，进行密度偏差为0.02 g/cm的密度敏感性试验（混合水不变，调整水泥加量）。由表6 可知，该水泥浆体系稠化时间与密度呈现良好规律性，随着密度增大，稠化时间缩短，其敏感性良好。

表6 稠化密度敏感性试验（缓凝剂C-R23L）

2.3.4 混合水老化试验

实际施工过程中，混合水配制完成后，通常不会立刻进行固井作业。因此，混合水老化后，其水泥浆稠化时间不应缩短，这样才更符合实际工况。由表7 可知，当混合水老化24 h、48 h 后，稠化时间均有所延长，未发生缩短现象，符合现场要求。混合水老化后，稠化时间延长，这可能与缓凝剂对于液体减轻剂P81L 的吸附有关。

表7 混合水老化试验（缓凝剂C-R23L）

3 现场应用

基于上述试验结果，缓凝剂C-R23L 在南海西部某区块进行了现场应用，应用于水深为700 ～800 m的深水表层固井作业，施工段井底静止温度为28 ℃，循环温度为24 ℃，泵注首浆为230.55 m，尾浆为36.57 m，见水泥浆返出，固井质量良好。

所用水泥浆首浆密度为1.55 g/cm，具体配方如下：G 级水泥100%+ 消泡剂DF60L 0.5%+ 降失水剂FL86L 8%+液体减轻剂P81L 6%+防窜增强剂GS13L 10%+早强剂A95L 5%+缓凝剂C-R23L 1.6%+海水70%。

在稠化时间大于8 h 的性能需求下，C-R23L 加量仅为1.7%，与之前常用缓凝剂C-R21L 相比，缓凝剂加量降低约40%，大幅降低了现场作业的劳动强度与成本，降本效果显著，为降低我国南海深水油气田开发成本贡献价值。

4 结论

研制的新型缓凝剂C-R23L 可以良好适配液体减轻低密度水泥浆体系，在提高体系温度适用范围上限的同时，降低体系低温下缓凝剂加量，降本增效成果显著。缓凝剂C-R23L 加量敏感性和温度敏感性低，密度敏感性良好，混合水老化后，稠化时间延长。采用C-R23L 构建的配方在南海西部某区块进行了现场应用，降本效果显著，使得我国南海深水油气田开发成本有效降低。