深水PC—LoCEM水泥浆体系在LH16—1—1井的应用
【摘 要】随着陆地油气资源的日益枯竭，加之浅水水域的油气资源储量有限，勘探开发面临着向海洋深水挺进的趋势，低温、海底松软地层、浅层流是这类深水地层的普遍特点。针对深水固井的技术难题，开发了新型深水固井低温早强剂PC-DA92S与PC-DA93L，并根据南海海域钻探的实际井况，最终研制出了适合现场应用的低温早强水泥浆体系PC-LoCEM。室内测试评价结果表明，这种水泥浆体系具有良好的低温早强效果、稠化时间易于调整，水泥浆体系稳定等优点，可用于海洋深水表层套管固井。南海LH16-1-1井的现场固井试验结果表明，上述水泥浆体系满足现场施工要求，浆体流变性、水泥石低温强度良好。
【关键词】深水；低温；早强剂；固井
0 引言
随着陆地油气资源的不断减少，油气勘探、开采的重心逐步由陆地转向海洋，其中深水蕴藏着丰富的油气资源，所以对深水油气开采技术的研究开发尤显重要。从20世纪90年代以来，国外有关机构和知名固井服务公司SCHLUMBERGER、HALLIBURTON、BJ已经对深水固井及其工艺进行了一系列研究和现场运用，研制出与深水固井配套的水泥浆体系和工艺，基本满足了深水钻井能源的开发，并且占据了全球绝大多数深水固井市场。
为满足我国未来海洋深水勘探的需要，解决海洋深水固井中面临低温缓凝、安全作业窗口窄、浅层水气流、高昂钻井日费等问题，开发适用于我国海域深水地区温度环境使用的固井水泥浆体系及其工艺技术，本文就目前国内开发出的一套深水表层固井PC-LoCEM水泥浆体系实验室研究及现场的成功运用展开介绍。
1 知识背景
1.1 低温缓凝
由于海水温度变化成反地温梯度变化趋势，所以海水深度的增加，海水温度随之下降。当水深达到800～1200米时，泥线温度在10℃左右，当水深达到1500～2000米时，泥线温度在3℃左右，低温环境下存在的主要问题是低温延缓了油井水泥的水化，影响了水泥石抗压强度发展，特别是在近似0℃的低温环境下，普通“G”级油井水泥中的主要成分硅酸二钙（图1）和硅酸三钙（图2）几乎停止了水化、固化反应，使钻井作业无法继续进行。
1.2 浅层水气流
浅层水气流是在地质沉积过程中，圈闭于地层中的高压盐水、气等流体，通常在水深400米以上，泥线下面300～1000米处，大约3-15米厚，1-10达西，>40%孔隙度的高渗透、低剪切地层里。当钻遇到欠压实的高压水气层，高压流气体得到释放，控制不当，严重可造成井喷等复杂情况。再者，在水泥候凝过程中浅层水气流窜入水泥浆中，侵蚀水泥石，从而影响水泥的胶结强度，致使固井作业失败（图3）。因此要求水泥浆具备一定的防窜能力。
1.3 昂贵的钻井日费
以目前第五代深水钻井船为例，深水钻井日费已经到达百万美元/天。通常在浅水区表层套管固井候凝8-12小时后即可以进行下步作业，但是对于深水表层固井低温带来水泥浆的缓凝，无疑需要增加水泥的候凝时间，如何在保证固井质量安全的前提下，缩短深水表层固井的候凝时间，为高昂的深水钻井节约宝贵的时间也是必须考虑的问题之一。
2 深水表层固井PC-LoCEM水泥浆体系早强机理
PC-LoCEM水泥浆体系主要添加剂是两种低温早强剂PC-DA92S及PC-DA93L，主要由有机材料及无机材料复配而成，在满足稠化时间的同时，在低温10℃情况下14小时形成支撑套管的3.5MPa强度，24小时达到6.9MPa，三天水泥块强度达到19.6MPa的高强度，甚至在低温3℃时也表现出较好的早强效果。因此PC-LoCEM水泥浆体系可以满足未来500米至2000米水深的表层固井作业需求。
其作用机理主要表现在以下三个方面：①离子效应。无机盐在水泥浆体系中可发生盐效应和同离子效应，从而改变胶凝材料的溶解度，加快水泥水化反应的进程，若水泥浆中没有同类离子的电解质，早强剂在盐效应的作用下增大水泥浆溶液的离子浓度，改变水泥颗粒表面的吸附层，从而提高水化矿物的溶解度，加速水泥水化进程；若水泥浆中有同类离子的电解质，早强剂可在同离子效应的作用下：一方面，减小一些水泥水化矿物的溶解度；另一方面，却促使水泥水化产物AFt晶体更快地结晶析出，并且水化产物C-S-H凝胶填充于AFt晶体穿插、搭接后形成的空隙中，使浆体孔隙度减小、密实度提高，从而提高水泥石的早期强度；②生成复盐、络合物或难溶化合物。一些早强剂可通过与水泥胶体矿物发生化学作用，生成复盐、络合物或难溶化合物，由于复盐、络合物或难溶化合物的溶度积比相应单盐更小，从而加速了水泥水化进程。如亚硝酸盐和硝酸盐能与C3A生成络盐-亚硝酸铝酸盐和硝酸铝酸盐，加速水泥水化并促进水泥石早期强度的发展；三乙醇胺在水泥浆中可生成易溶解络合物，可加快C3A、C4AF的溶解速度，从而生成更多的硫铝酸钙以提高早期强度；③形成结晶中心加速水泥的凝结与硬化。
3 PC-LoCEM水泥浆体系及性能评价
3.1 水泥浆设计
在国内外在深水固井中，常以A级、G级和H级水泥为基础，加入早强剂提高水泥石抗压强度。但是无论是API水泥还是超细油井水泥，它们都属于硅酸盐水泥，其在低温条件下水化反应速度非常缓慢，温度低至5℃时，硅酸三钙、硅酸二钙在12小时内基本无水化反应发生，水化反应速度基本保持不变。所以就需要良好的低温早强剂来调节水泥浆的整体性能。根据LH16-1-1井的实际井况要求，结合开发的新型深水低温外加剂，开发出了PC-LoCEM深水低温水泥浆体系。水泥浆主要材料为：
山东G级水泥，早强剂PC-DA92S、PC-DA93L，降失水剂PC-DG72S，消泡剂PC-X61L，南海海水SW。
3.2 深水低温早强剂PC-DA92、PC-DA93
常规G级油井水泥在5℃以下，一天内几乎不水化，而常规的早强剂在此温度下也难以达到理想的早强效果，且绝大多数含有氯离子，对套管有很强的腐蚀性。PC-DA92和PC-DA93L分别为无氯离子型的无机物和有机物的混合物，对套管无腐蚀作用，并且在3℃～30℃温度范围内能起到明显的早强作用。适用于深水表层套管固井。表1为早强剂PC-DA92S和PC-DA93L的理化性能指标。