一種海洋深水超低溫早強(qiáng)劑的研究

朱江林，石禮崗，方國(guó)偉

馮克滿，凌偉漢，宋茂林 （中海油服油田化學(xué)研究院，北京101149）

范 鵬 （中海油服油田化學(xué)事業(yè)部深圳基地，廣東 深圳518054）

海洋深水石油開發(fā)是我國(guó)未來(lái)相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)石油資源開發(fā)的重要領(lǐng)域，而低溫固井技術(shù)就是其中一項(xiàng)必不可少的重要和關(guān)鍵技術(shù)之一。海洋深水的特點(diǎn)是低溫、高壓，有時(shí)常常伴隨有低的地層破裂壓力、淺層流和天然氣水合物[1]。當(dāng)水深達(dá)到800～1200m時(shí)，泥線溫度只有10℃左右，當(dāng)水深達(dá)到1500～2000m時(shí)，泥線溫度只有3℃左右，低溫環(huán)境下存在的主要問(wèn)題就是低溫延緩了油井水泥的水化，影響了水泥石抗壓強(qiáng)度的發(fā)展[2]，特別是在近似0℃的低溫環(huán)境下，普通 “G”級(jí)油井水泥幾乎停止了水化、固化反應(yīng)，使鉆井作業(yè)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行[3-4]，嚴(yán)重影響了在深水石油資源的開發(fā)、開采。

目前國(guó)內(nèi)有較多20～40℃時(shí)使用的提高水泥石早期強(qiáng)度的早強(qiáng)劑，但仍還沒(méi)有對(duì)于海洋深水低溫15℃或接近10℃的低溫環(huán)境下所使用的低溫、超低溫早強(qiáng)劑。此外，普通 “G”級(jí)油井水泥在低溫10℃或更低溫環(huán)境下，一般情況下水泥水化速度緩慢或幾乎不進(jìn)行水化反應(yīng)，水泥石早期強(qiáng)度低，8h甚至24h無(wú)法形成有效強(qiáng)度，作業(yè)無(wú)法順利進(jìn)行。為此，筆者研究了一種深水固井用低溫早強(qiáng)劑。

1 深水低溫早強(qiáng)劑基本組成及使用方法

該早強(qiáng)劑主要由固體PC-DA21S與液體PC-DA21L兩部分組成。當(dāng)井底靜止溫度≥20℃時(shí)，推薦使用單一固體早強(qiáng)劑PC-A21S即可達(dá)到理想的早強(qiáng)效果，加量范圍在0.5%～5% （BWOC）；若3℃≤井底靜止溫度＜20℃，此時(shí)必須固液混合使用效果會(huì)更佳，液體具有在低溫環(huán)境下促使水泥成分中的硅酸三鈣迅速水化的功效。在加有固體早強(qiáng)劑的情況下，液體早強(qiáng)劑PC-DA21L加量為2%～3%（BWOC），固體成分PC-DA21L依然為0.5%～5% （BWOC）。液體PC-DA21L能起到較好的早期促凝作用，能明顯縮短稠化時(shí)間；而固體PC-DA21S能滿足早期強(qiáng)度發(fā)展要求，明顯提高水泥石的強(qiáng)度。

2 深水低溫早強(qiáng)劑性能評(píng)價(jià)

2.1 早強(qiáng)劑對(duì)漿體流動(dòng)性能評(píng)價(jià)

現(xiàn)有的早強(qiáng)劑大部分有增稠嚴(yán)重現(xiàn)象，主要是由于大都加有CaCl2或其他含Ca2＋的無(wú)機(jī)材料，必然會(huì)影響漿體的流動(dòng)性能，且氯離子的存在對(duì)鋼材腐蝕嚴(yán)重，不利于油氣井的開采。不同早強(qiáng)劑對(duì)漿體流變性能影響如表1所示。由表1可知，筆者研究的早強(qiáng)劑增稠現(xiàn)象不明顯，水溶性好，也不含氯離子，有利于保護(hù)油井套管。

2.2 低溫10℃性能評(píng)價(jià)

當(dāng)水深達(dá)到800～1200m時(shí)，泥線溫度只有10℃左右，對(duì)于海洋深水表層固井是一個(gè)挑戰(zhàn)。超低溫早強(qiáng)劑PC-DA21S及PC-DA21L依據(jù)上述指導(dǎo)說(shuō)明及使用方法，漿體在保持較好的流變情況下，稠化時(shí)間能隨意調(diào)整并能達(dá)到水泥石固井作業(yè)的抗壓強(qiáng)度要求，見表2。

表1 不同早強(qiáng)劑對(duì)漿體流變性能影響

表2 10℃的漿體稠化時(shí)間與抗壓強(qiáng)度性能

為可持續(xù)觀察水泥石在低溫10℃環(huán)境下的強(qiáng)度發(fā)展情況，筆者對(duì)水泥石進(jìn)行了UCA （超聲波水泥強(qiáng)度分析儀）試驗(yàn)，它能夠持續(xù)監(jiān)控水泥石在低溫環(huán)境下的強(qiáng)度發(fā)展 （見表3）。試驗(yàn)結(jié)果表明，常規(guī)漿體在低溫10℃時(shí)流變性能較好，一直保持在17～20Bc左右。超低溫早強(qiáng)劑PC-DA21S（L）可以滿足稠化時(shí)間的要求，其他早強(qiáng)劑在達(dá)到最大加量時(shí)都無(wú)法將稠化時(shí)間縮短至4h左右，故其他早強(qiáng)劑在24h都無(wú)法滿足支撐套管最低3.5MPa的強(qiáng)度要求。超低溫早強(qiáng)劑PC-DA21S（L）在低溫10℃情況下14h形成支撐套管的3.5MPa強(qiáng)度，24h達(dá)到6.9MPa，3d水泥塊強(qiáng)度達(dá)到19.6MPa的高強(qiáng)度，是其他早強(qiáng)劑抗壓強(qiáng)度的2～3倍左右。

表3 低溫10℃時(shí)UCA抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)表

2.3 超低溫3℃性能評(píng)價(jià)

當(dāng)水深達(dá)到1500～2000m時(shí)，泥線溫度只有3℃左右，低溫環(huán)境下存在的主要問(wèn)題就是低溫延緩了油井水泥的水化，影響了水泥石抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。表4為低溫3℃時(shí)加早強(qiáng)劑及未加早強(qiáng)劑時(shí)淡水、海水的試驗(yàn)情況。

表4 早強(qiáng)劑低溫3℃性能評(píng)價(jià)

結(jié)果表明，在低溫3℃時(shí)，水泥漿體水化速度緩慢，8h甚至24h幾乎都無(wú)強(qiáng)度。加有超低溫早強(qiáng)劑后，24h后最高強(qiáng)度達(dá)到2.80MPa，48h達(dá)到10.6MPa，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。從UCA超聲波強(qiáng)度測(cè)定儀上研究發(fā)現(xiàn) （見表5），30h后抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.6MPa，120h強(qiáng)度發(fā)展到22.8MPa，160h強(qiáng)度發(fā)展到27.3MPa，結(jié)果非常理想，表明超低溫早強(qiáng)劑同時(shí)具有很好的后期強(qiáng)度發(fā)展。

2.4 溫度適用性研究

溫度環(huán)境對(duì)水泥漿性能影響很大，特別是對(duì)漿體的稠化時(shí)間及水泥石的抗壓強(qiáng)度有較大影響。為研究早強(qiáng)劑對(duì)環(huán)境溫度的適用性，筆者在不同循環(huán)溫度下進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 低溫3℃時(shí)UCA抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)表

表6 早強(qiáng)劑在不同溫度下的稠化時(shí)間及抗壓強(qiáng)度

結(jié)果表明，低溫早強(qiáng)劑PC-DA21S（L）可以滿足不同循環(huán)溫度下的稠化時(shí)間要求，適用于循環(huán)溫度從3～40℃的溫度寬度，而且水泥石的抗壓強(qiáng)度較高，完全可以滿足不同環(huán)境下的固井作業(yè)要求。

3 結(jié) 論

通過(guò)以上試驗(yàn)證明，對(duì)于低溫早強(qiáng)劑PC-DA21S（L）可以得出以下結(jié)論：

1）現(xiàn)有技術(shù)的早強(qiáng)劑大部分有增稠嚴(yán)重現(xiàn)象，而且含有對(duì)鋼材腐蝕嚴(yán)重的氯離子的存在；發(fā)明的低溫早強(qiáng)劑增稠現(xiàn)象不明顯，水溶性好，也不含氯離子，有利于保護(hù)油井套管。

2）該早強(qiáng)劑可以解決低溫10℃情況下14h形成支撐套管的3.6MPa強(qiáng)度，24h達(dá)到6.9MPa，3d水泥塊強(qiáng)度達(dá)到19.6MPa的高強(qiáng)度。

3）該早強(qiáng)劑在低溫3℃時(shí)也表現(xiàn)出較好的早強(qiáng)效果，30h后抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.6MPa，60h達(dá)到10.8MPa。

4）該早強(qiáng)劑適用的循環(huán)溫度為3～40℃，可用于水深在2000m以內(nèi)的快速鉆井中導(dǎo)管和表層套管固井及低溫淺井固井。

[1]Biezen E，Ravi K.Designing effective zonal isolation for high-pressure／high-temperature and low temperature wells [J].SPE／IADC，1999：57-583.

[2]White J，Moore S，Miller M，et al.Foaming cement as deterrent to compaction damage in deepwater production [J].SPE／IADC，2000：59-136.

[3]Watson P，Richard B，Thomas P，et al.An innovative approach to development drilling in the deepwater Gulf of Mexico [J].World oil，2004，225 （1）：41-48.

[4]Mohammedi N，F(xiàn)erri A，Piot B.Deepwater wells benefit from cold-temperature cements [J].World Oil，2001，222 （4）：86-88.