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深水固井液體減輕低密度水泥漿體系

文檔作者：馮穎韜宋茂林張浩李厚銘文檔來源：中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月27日
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第34 卷 第4 期
2017 年7 月
Vol. 34 No. 4
July 2017
鉆 井 液 與 完 井 液
DRILLING FLUID &amp;amp; COMPLETION FLUID
doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.015
深水固井液體減輕低密度水泥漿體系
馮穎韜， 宋茂林， 張浩， 李厚銘
（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北燕郊065201）
馮穎韜，宋茂林，張浩，等. 深水固井液體減輕低密度水泥漿體系[J]. 鉆井液與完井液，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 &amp;amp; Completion Fluid，2017，34（4）：80-84.
摘要 與傳統(tǒng)的表層固井技術(shù)不同，深水表層固井由于受到深水環(huán)境和現(xiàn)場條件限制，對固井作業(yè)提出了新的要求。
針對深水表層固井的難點，開發(fā)了一種新型液體減輕劑PC-P81L，并以其為主體構(gòu)建出了深水固井液體減輕低密度水泥漿
體系。室內(nèi)實驗結(jié)果表明，PC-P81L 作為減輕劑對水泥漿具有密度調(diào)節(jié)作用，可在1.30～1.70 g/cm3 之間調(diào)節(jié)水泥漿密度；
具有高懸浮性，最高可懸浮水灰比為2 的水泥漿；具有增強(qiáng)作用，還可以應(yīng)用于常規(guī)密度水泥漿中作為增強(qiáng)劑；具有促凝
作用，可在深水低溫環(huán)境下縮短水泥漿稠化時間。構(gòu)建的深水固井用液體減輕低密度水泥漿體系，通過增大水灰比降低水
泥漿密度，提高了水泥漿的造漿率，減少現(xiàn)場水泥用量；且配方簡單，易于調(diào)節(jié)，外加劑以全液體形式添加，減小了現(xiàn)場
工作人員的勞動強(qiáng)度；同時滿足深水低溫環(huán)境下的水泥漿性能要求，為下部鉆進(jìn)提高保障；液體減輕水泥漿體系作業(yè)成本
較漂珠體系也大幅度降低，滿足深水低溫條件的性能要求，可適用于深水表層固井。
關(guān)鍵詞 深水；表層固井；低密度水泥漿；液體減輕劑
中圖分類號：TE256 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5620（2017）04-0080-05
Liquid Cementing Fluid Reduced Lightened Deep Water Light-weight Cement Slurry
FENG Yingtao, SONG Maolin, ZHANG Hao, LI Houming
(Oilfield Chemistry R&amp;amp;D Institute, COSL, Yanjiao, Sanhe, Hebei 065201)
Abstract 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/cm3 and
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.
Key words Deep water; Surface casing cementing; Low density cement slurry; Liquid light weight agent
隨著中國南海水域油氣資源勘探的深入，深水
油氣資源的開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入攻堅階段，而由于深水環(huán)
境和淺部地層復(fù)雜情況的影響，深水固井難度也越
來越大。深水固井有別于淺水固井和陸地固井作業(yè)，
尤其在表層固井技術(shù)上有著顯著區(qū)別，主要表現(xiàn)
在[1-2] ：①壓力窗口較窄，通常需配合使用低密度
第一作者簡介：馮穎韜，工程師，碩士，1986 年生，畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油與天然氣工程，現(xiàn)在從事固井技術(shù)研究工作。
電話15075694569 ；E-mail ：fengyt@cosl.com.cn。
萬方數(shù)據(jù)
馮第 34 卷 第 4 期 穎韜等：深水固井液體減輕低密度水泥漿體系 81
水泥漿以平衡地層壓力；使用低密度水泥漿體系，
雖然漿體穩(wěn)定性好，作業(yè)成本低，但在深水低溫環(huán)
境下水化速率低，強(qiáng)度發(fā)展慢，候凝時間長，很難
短時間滿足下部鉆進(jìn)條件；漂珠低密度水泥漿體系
具有防竄性能好、強(qiáng)度高、候凝時間短等特點，但
體系較為復(fù)雜，且作業(yè)成本高，同時漂珠在吹灰過
程中容易損失或出現(xiàn)分層現(xiàn)象，導(dǎo)致上下密度不一
致，影響固井質(zhì)量[3]。②固井水泥漿量大，深水表
層一次固井作業(yè)一般達(dá)到150 m3 以上，增大了現(xiàn)
場施工人員的勞動強(qiáng)度。③海上鉆井平臺儲灰罐容
積有限，而需要的水泥量大，導(dǎo)致操作性受到嚴(yán)重
局限。針對深水表層固井的以上問題，中海油服開
發(fā)出一種新型液體減輕材料PC-P81L，并以其為主
體構(gòu)建出深水固井液體減輕低密度水泥漿體系。該
體系通過增大水灰比降低水泥漿密度，提高了水泥
漿的造漿率，減少現(xiàn)場水泥用量；且配方簡單，易
于調(diào)節(jié)，外加劑以全液體形式添加，減小了現(xiàn)場工
作人員的勞動強(qiáng)度；同時滿足深水低溫環(huán)境下的水
泥漿性能要求，為下部鉆進(jìn)提高保障；液體減輕水
泥漿體系作業(yè)成本較漂珠體系也大幅度降低[4]。
1 室內(nèi)研究
1.1 液體減輕劑PC-P81L
1.1.1 特點
液體減輕劑PC-P81L 是中海油服針對膨潤土
低密度水泥漿體系和漂珠低密度水泥漿體系在深水
表層固井中使用的局限性，自研的一種新型液體
減輕材料，主要具有以下特點：① PC-P81L 作為
減輕劑對水泥漿具有密度調(diào)節(jié)作用，可在1.30～
1.70 g/cm3 之間調(diào)節(jié)水泥漿的密度；② PC-P81L 具
有高懸浮性，最高可懸浮水灰比為2 的水泥漿；③
PC-P81L 具有增強(qiáng)作用，不但可以作為低密度水泥
漿中的減輕劑，還可以作為增強(qiáng)劑應(yīng)用于常規(guī)密度
漿體中；④ PC-P81L 具有促凝作用，可在深水低
溫環(huán)境下縮短水泥漿稠化時間。
1.1.2 作用機(jī)理
PC-P81L 是一種含有無定型SiO2 的水性分散
體，為無色透明液體，pH 值為9～10，固相含量
為35%～50%，密度為1.18～1.22 g/cm3，可迅速
與水泥反應(yīng)產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使?jié){體增稠，提高穩(wěn)
定性；同時PC-P81L 中的無定型SiO2 與水泥水
化產(chǎn)物中有害成分Ca（OH）2 反應(yīng)，生成有強(qiáng)度的
C—S—H 凝膠，即“火山灰效應(yīng)”，提高了水泥石
早期強(qiáng)度[5]。
1.1.3 對水泥漿穩(wěn)定性的影響
在室溫下，使用密度為1.30 g/cm3、水灰比為
2 的空白低密度水泥漿和混配PC-P81L 的低密度水
泥漿，對比配制不同時間后的漿體穩(wěn)定性，結(jié)果見
圖1。由圖1 可知，空白低密度水泥漿在配制5 和
30 min 后自由水明顯，沉降嚴(yán)重；加入PC-P81L
的低密度水泥漿在配制5 和30 min 后，漿體穩(wěn)定，
無自由液和沉降產(chǎn)生，且能夠使用海水配漿，說明
PC-P81L 具有高懸浮性，最高可懸浮水灰比為2 的
水泥漿，可實現(xiàn)通過提高水灰比降低水泥漿密度。
5 min 30 min
注：左杯為添加了15%PC-P81L ；右杯為空白漿體。
圖1 低密度水泥漿配制不同時間后的漿體穩(wěn)定性
1.1.4 對水泥石強(qiáng)度的影響
在井底靜止溫度為30 ℃，密度為1.40 g/cm3、
水灰比為1.48 的空白低密度水泥漿中，對比不同
加量PC-P81L 在24 h 和48 h 水泥石強(qiáng)度變化，實
驗結(jié)果見表1。由表1 可以看出，隨著PC-P81L 加
量的增加，水泥石強(qiáng)度逐漸增大，說明PC-P81L
具有一定的增強(qiáng)作用。
表1 液體減輕劑PC-P81L 對低密度水泥石強(qiáng)度的影響
PC-P81L/
%
ρ/
g/cm3
BHST 為30 ℃時的抗壓強(qiáng)度
p24 h/MPa p48 h/MPa
空白1.40 0.9 1.4
10 1.40 1.2 1.8
15 1.40 1.5 2.3
20 1.40 1.9 3.1
25 1.40 2.6 3.9
1.1.5 對水泥漿稠化時間的影響
在BHCT 為30 ℃、密度為1.40 g/cm3、水灰
萬方數(shù)據(jù)
82 鉆 井 液 與 完 井 液 2017 年 7 月
比為1.48 的空白低密度水泥漿中，測得PC-P81L
加量為0、10%、15%、20%、25% 的水泥漿稠化
時間分別為728、653、591、556、613 min?？梢?
看出，隨著PC-P81L 加量的增加，稠化時間逐漸
縮短，說明PC-P81L 具有一定的促凝作用。
1.2 液體減輕低密度水泥漿體系構(gòu)建
1.2.1 降失水劑選擇
目前常用的油井水泥降失水劑主要為聚合物類
和PVA 類[6]，因此選擇聚合物降失水劑GA80 和
GA86（具有防竄功能），PVA 類降失水劑GA74 進(jìn)
行優(yōu)選，實驗結(jié)果見表2。
表2 降失水劑優(yōu)選
降失水劑
ρ/
g/cm3
室溫BHST=30 ℃
FLAPI/mL p24 h/MPa p48 h/MPa
5%GA74 1.40 64 1.5 2.4
8%GA80 1.40 62 1.8 3.1
8%GA86 1.40 63 2.4 3.7
注：基漿配方為山東G 級水泥+15%PC-P81L+1%
XA63+ 海水。
從表2 可以看出，使用3 種降失水劑后失水
量均能小于100 mL，滿足深水表層失水要求，且
失水量也基本相當(dāng)，說明自研液體減輕劑與不同種
類的降失水劑配伍性良好；而使用GA86 不但能夠
有效控制失水量，水泥石抗壓強(qiáng)度較另2 種降失
水劑也明顯提高，并且具有防竄功能，因此選擇
GA86。
1.2.2 早強(qiáng)劑選擇
目前常用的早強(qiáng)劑種類主要為無機(jī)鹽類、有機(jī)
胺類和晶種類[7]，因此選擇不同類型的6 種早強(qiáng)劑
進(jìn)行優(yōu)選。通過前期實驗得出不同早強(qiáng)劑在液體減
輕低密度體系中的最佳加量，對比每種早強(qiáng)劑最佳
加量的強(qiáng)度性能進(jìn)行早強(qiáng)劑優(yōu)選，實驗結(jié)果見表3。
由表3 可以看出，不同早強(qiáng)劑針對液體減輕低密度
體系都能夠明顯提高水泥石的早期強(qiáng)度，說明自研
液體減輕劑與不同種類的早強(qiáng)劑配伍性良好；而
ZA95 的早強(qiáng)效果最為顯著，因此選擇ZA95。
1.2.3 其他外加劑選擇
為進(jìn)一步提高低密度水泥漿體系的早期強(qiáng)度，
選擇DE62 作為增強(qiáng)劑，其主要是一種火山灰材料，
表3 在基漿中加入不同早強(qiáng)劑的抗壓強(qiáng)度優(yōu)選
早強(qiáng)劑
ρ/
g/cm3
BHST 為30 ℃時的抗壓強(qiáng)度
p24 h/MPa p48 h/MPa
0 1.40 1.5 2.3
2%ZA93 1.40 3.3 5.4
8%ZA95 1.40 4.2 6.8
6%FU-ACC 1.40 2.5 4.4
6%YU-ACC 1.40 2.7 4.6
8%ZJ-1 1.40 3.1 5.1
8%ZJ-2 1.40 3.0 5.0
注：基漿配方為山東G 級水泥+15%PC-P81L+1%
XA63+ 海水。
水化過程中的火山灰效應(yīng)更為顯著，同時其粒徑和
比表面積更小，可很好地填充于水泥顆粒之間，提
高水泥石密實度，進(jìn)一步提高強(qiáng)度[8]。為調(diào)節(jié)低密
度水泥漿體系的稠化時間，選擇中海油服常用的中
低溫緩凝劑HA21 和消泡劑XA63。
1.2.4 體系構(gòu)建
根據(jù)中海油服在南海海域深水表層固井作業(yè)
中低密度水泥漿的施工條件和水泥漿性能調(diào)研，
總結(jié)得出深水表層固井作業(yè)水泥漿密度范圍為：
1.40～1.60 g/cm3， 靜止溫度BHST 為25～50 ℃，
循環(huán)溫度BHCT 為0.7×BHST，稠化時間為8～11 h，
24 h 抗壓強(qiáng)度大于3.5 MPa，API 失水量小于100
mL，自由水小于1%。因此以液體減輕劑PC-P81L
和優(yōu)選的降失水劑GA86、早強(qiáng)劑ZA95 為主體，
部分條件配合使用緩凝劑HA21 和增強(qiáng)劑DE62，
進(jìn)行深水固井液體減輕低密度水泥漿體系構(gòu)建。由
表4 可以看出，構(gòu)建的水泥漿體系在密度1.40～1.6
g/cm3，靜止溫度BHST 為25～50 ℃條件下，水泥
漿的各項性能滿足深水表層固井作業(yè)中低密度水泥
漿的性能要求，并且體系的配方組成簡單，外加劑
種類少，全液體添加，可以很大程度地降低現(xiàn)場施
工人員的勞動強(qiáng)度。
2 現(xiàn)場應(yīng)用
深水固井液體減輕低密度水泥漿在LS25-XX
井進(jìn)行了首次應(yīng)用，該井井深為1 835 m，水深
為965 m，為深水井。LS25-XX 井的施工層次為
萬方數(shù)據(jù)
馮第 34 卷 第 4 期 穎韜等：深水固井液體減輕低密度水泥漿體系 83
φ508 mm 表層，套管入泥為870 m，BHST/BHCT
為31 ℃ /23 ℃。采用低密度領(lǐng)漿和尾漿配合使用，
低密度領(lǐng)漿密度1.40 g/cm3，返至泥線位置，尾漿
密度為1.85 g/cm3 返至管鞋以上150 m。低密度領(lǐng)
漿性能要求：可泵時間為7～8 h，24 h 抗壓強(qiáng)度
大于3.5 MPa，API 失水量小于100 mL，自由水小
于1%。
表4 液體減輕低密度水泥漿在不同條件下的性能
BHST/
℃
BHCT/
℃
ρ/
g/cm3
p24 h/
MPa
t 稠化/
min
FLAPI/
mL
自由水/
%
50 35
1.40 6.4 497 65 0
1.50 7.7 490 52 0
1.60 8.6 493 40 0
40 28
1.40 6.8 515 64 0
1.50 8.2 504 55 0
1.60 9.6 499 44 0
30 21
1.40 5.5 528 66 0
1.50 6.3 516 54 0
1.60 7.1 505 45 0
25 17.5
1.40 3.7 564 68 0
1.50 4.3 533 56 0
1.60 5.2 522 45 0
施工水泥用量少，減少了平臺灰罐使用量，現(xiàn)
場操作方便。該水泥漿體系流變性良好，較漂珠
水泥漿容易泵送，混漿泡少，設(shè)備操作風(fēng)險性低。
水泥漿性能滿足現(xiàn)場性能要求，可泵時間為460
min（見圖2），24 h 抗壓強(qiáng)度為4.7 MPa（見圖3），
API 失水為42 mL，自由水為0。
圖2　LS25-XX 井液體低密度水泥漿稠化曲線
深水固井液體減輕低密度水泥漿體系在現(xiàn)場施
工性能良好，施工后可觀察到水泥漿返到泥線；現(xiàn)
場在靜止溫度條件下養(yǎng)護(hù)的樣品強(qiáng)度發(fā)展快，滿足
下部鉆井要求，建井中井口穩(wěn)定無下沉；后期測井
結(jié)果顯示一、二界面膠結(jié)良好。經(jīng)過成本測算，使
用液體減輕低密度水泥漿，單方材料成本較漂珠低
密度水泥漿體系降低50%。
注：1 in=25.4 mm ；1 lb/100 ft2=0.478 Pa ；1 psi=6.895 kPa。
圖3 LS25-XX 井液體低密度水泥漿UCA 強(qiáng)度發(fā)展
3 結(jié)論
1. 自研液體減輕劑PC-P81L 具有高懸浮性，
可實現(xiàn)通過增大水灰比降低水泥漿密度，且對水泥
漿有增強(qiáng)和促凝作用；同時與其他外加劑配伍性好，
滿足深水低溫環(huán)境下的水泥漿性能要求。
2. 深水固井液體減輕低密度水泥漿體系添加劑
種類少，配方簡單，易于調(diào)節(jié)，同時實現(xiàn)了全液體
化，方便添加，降低了現(xiàn)場施工人員的勞動強(qiáng)度。
3. 深水固井液體減輕低密度水泥漿提高了造漿
率，減少水泥用量，避免平臺儲灰灌容積使用受限。
4. 深水固井液體減輕低密度水泥漿體系較漂珠
體系作業(yè)成本大幅度降低，提高了經(jīng)濟(jì)性。
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（收稿日期2017-5-5；HGF=1704N11；編輯 王超）
（上接第79頁）

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