冯建建

（中海油田服务股份有限公司，河北三河 065201）

引言

墨西哥海上浅水固井作业，在三开以后通常使用1.90～2.15 g.cm-3密度范围内的高温水泥浆体系进行作业；墨西哥海上浅水主要区块如Cantarell, Ku Maloob Zaap, Abkatun PoL Chuc, Litoral de Tabasco等分布范围广[1-4]，材料运输时间长，通过陆路、海运等交通运输工具，将水泥或混杰(水泥、微硅、硅粉等固体材料的混合物) 从卡门基地运输到平台通常需要3～5 d，因此现场作业用水泥浆配方一般提前7～10 d 确认并开始将水泥、硅粉、微硅等固体材料混配为混杰；而由于受六千万年前小行星撞击影响，墨西哥湾天然裂缝发育严重，地层脆弱，钻井过程中容易发生漏失、气窜等复杂情况[5]，因此需要根据现场作业需求临时调整钻井液及水泥浆密度，而由于水泥浆配方已提前确定，混杰已混配完毕，如果因为水泥浆密度调整改变配方设计，通常需要重新混配混杰，严重影响作业时效并提高作业成本。

因此，本研究旨在开发一套适用于1.90～2.15 g.cm-3密度范围内的广密度水泥浆技术，使用同一混杰，通过调整液体添加剂类型及加量，使水泥浆在1.90～2.15 g.cm-3密度范围内性能可调，满足现场作业中因钻进中突发复杂情况产生的密度调整需求。

1 技术难点

（1） 研究的观密度水泥浆技术要求使用同一混杰，水泥浆密度在1.90～2.15 g.cm-3范围内可调，而目前使用的常规水泥浆，使用同一混杰，密度可调范围小，一般小于0.1 g.cm-3。

（2） 研究的广密度水泥浆技术要求同时涵盖常规密度水泥浆（1.90～2.00 g.cm-3）及高密度水泥浆（2.00～2.15 g.cm-3），常规密度水泥浆最高密度仅能达到2.00 g.cm-3，对于2.00 g.cm-3以上的高密度水泥浆需要使用铁矿粉等加重剂才能同时兼顾水泥浆性能及密度要求；若在混杰中加入加重剂，1.90 g.cm-3的常规密度下，水泥浆会粘度低，悬浮性差，加重剂等高密度材料出现沉降，造成水泥浆沉降稳定性差，且在高温下更加明显。

使用同一混杰，在较低密度（例如1.90 g.cm-3）时，由于水泥浆中水含量高，水泥含量低，即水杰比高，水泥浆有良好的流变性，但稳定性差；而在较高密度（例如2.15 g.cm-3）时，由于水泥浆中水含量低，水泥含量高，即水杰比低，水泥浆一般具有良好的稳定性，但流变性差。因此，保证混杰中各固相材料比例不变，通过调节液体添加剂及需水量，使用同一混杰在广密度范围（1.90～2.15 g.cm-3）内密度可调，且满足技术要求，主要技术难点在于解决较低密度水泥浆的稳定性及较高密度水泥浆的流变性。

2 设计思路

高温水泥浆体系的组成复杂，影响水泥浆体系性能的主要因素包括水泥、外掺料、添加剂等。

2.1 水泥的选择

作为水泥浆中最主要组分，水泥对水泥浆的物理化学性能起决定性作用。目前固井作业中常用高抗硫酸盐水泥主要为G 级水泥和H 级水泥，二者基本化学组成一致，区别为水泥颗粒粒径不同，见表1。在不加添加剂、相同水杰比条件下，由于H 级水泥颗粒粗，比表面积小，因此水化需水量小，剩余自由水含量高，水泥浆稠度低，流动能力强；为保证水泥浆流变性一致，H 级水泥配置的水泥浆密度需更高，详见表2。可以发现，H 级水泥配置的1.98 g.cm-3的水泥浆与G 级水泥配置的1.90 g.cm-3水泥浆流变性能一致。说明同等流变性或可泵送性能条件下，H 级水泥配置的水泥浆密度更高。因此，在不加加重剂且保证水泥浆流变性能良好条件下，为提高水泥浆最高可配密度，在本体系中选择使用H 级水泥。

表1 H 级水泥与G 级水泥粒度对比

表2 相同流动度下G 级与H 级水泥配置水泥浆的密度及水杰比对比

2.2 外掺料的选择

根据墨西哥浅水地层特点，本水泥浆体系主要应用于超过110 ℃的高温地层固井作业，为防止水泥浆胶凝硬化后形成水泥石在高温下发生强度衰退，需在水泥浆中加入35%～40%水泥重量百分比（BWOC）的硅粉[6]，本技术中选择硅粉加量为40%。为保证较高密度水泥浆的流变性，选择使用100 目及200 目两种粗颗粒的硅粉搭配使用，且颗粒级配优选最优配比。同时为保证水泥浆的稳定性及防气窜能力，通常在水泥浆中加入少量微硅，本技术选择加量5%。

通过表3 可以看出，在配方2 中，密度为2.15 g.cm-3的水泥浆具有良好的流动性及稳定性，因此选择水泥、微硅、100 目硅粉、200 目硅粉四者的比例为100:5:30:10 作为广密度水泥浆体系固相混杰的基本组成。

表3 100 目与200 目硅粉不同配比对水泥浆流变及稳定性的影响（水泥浆密度2.15 g·cm-3）

2.3 液体添加剂的选择

使用粗颗粒的H 级水泥及硅粉，可以显著提高较高密度时水泥浆的流变性，但会降低密度较低时水泥浆的稳定性。同时，由于H 级水泥颗粒粗，液相粘度低，导致水泥浆悬浮能力差，低温下由于水泥颗粒间胶接力强，分子间粘滞力高，较低密度水泥浆稳定性差的缺点表现的不明显。而在高温下，由于水泥颗粒间胶结结构遭到破坏，分子间粘滞力降低，导致水泥浆高温稳定性差、沉降严重[7]。由于液体添加的种类及加量可根据水泥浆性能要求进行调整，因此如何选择合适的液体添加剂，提高水泥浆稳定性，解决H 级水泥浆高温下稳定性差的问题，显得尤为重要。

液体添加剂剂中降失水剂、悬浮稳定剂等可显著提高水泥浆的稳定性，但由于其化学组成一般为高分子聚合物，低温下增粘作用显著，但在高温下，由于聚合物分子运动加剧及分子链收缩，聚合物对水泥颗粒的吸附及聚合物分子间的相互作用力减弱，水泥浆粘度及悬浮能力下降，造成体系不稳定加剧，见图1。为提高水泥浆高温稳定性，通常方法为在水泥浆中增加聚合物材料加量，以抵消高温下聚合物悬浮稳定能力减弱的的缺点，但高浓度的聚合物会导致水泥浆常温下粘度过高，产生较高的摩擦阻力，影响水泥浆常温下的正常的泵送，同时增大井底静液柱压力，易压漏薄弱地层，造成水泥浆漏失，严重影响固井质量。为解决该问题，本研究中使用以固体颗粒悬浮于油外相形式存在的降失水剂、悬浮稳定剂等高分子聚合物材料，而非传统的直接以水溶液形式存在的聚合物材料。其优点是：聚合物以固相形式存在，低温下在混配混合水过程中由于分子量大，不能迅速溶解，混合水液相粘度低，使水泥浆在低温下保持较低的粘度，便于泵送。当水泥浆通过井口进入井筒后随着地层温度升高，固相聚合物材料逐渐溶解，水泥浆粘度相应升高，抵消了由于温度升高导致的水泥浆粘度降低、体系不稳定的缺点，同时保证水泥浆在低温下的顺利泵送及高温下的稳定性，见图2。

图1 水溶液聚合物类添加剂水泥浆稠度随温度升高的变化情况

图2 固相油悬浮聚合物添加剂水泥浆稠度随温度升高的变化情况

通过图1、图2 对比可以看出，水溶液聚合物添加剂水泥浆，低温下初始稠度高（20BC），随温度升高逐渐降至最低（7BC），体系稳定性变差; 固相油悬浮聚合物添加剂水泥浆，低温下初始稠度低（11BC）,但随温度升高稠度反而逐渐增大，说明固体聚合物材料开始溶解，稠度增大到一定稠度时（21BC）略有下降并保持稳定，这是由于高分子聚合物完全溶解，而温度继续升高，在一定程度上降低水泥浆粘度，但水泥浆最终稠度为16BC,高于水溶液聚合物添加剂水泥浆的最终稠度，说明固相油悬浮聚合物添加剂水泥浆的低温流动性及高温稳定性均优于水溶液聚合物添加剂水泥浆。

3 水泥浆性能和特点

3.1 水泥浆性能

通过大量室内实验进行添加剂筛选及配方优化，开发出了满足要求的水泥浆体系，使用同一混杰，通过调整液体添加剂加量，配置了1.90 g.cm-3、2.00 g.cm-3、2.15 g.cm-3三种有代表性低、中、高密度的水泥浆，性能良好，能够满足现场作业要求，见表4。

表4 相同混杰配置的不同密度水泥浆的性能

1.90 g.cm-3配方：100% BWOC H 级水泥+5%BWOC 微硅+30% BWOC 硅粉100 目+10% BWOC硅粉200 目+0.4% BWOC 消泡剂+0.1% BWOC 分散剂+2.5% BWOC 降失水剂+0.7% BWOC 悬浮稳定剂+0.8% BWOC 缓凝剂+2.0% BWOC 防气窜剂。

2.00 g.cm-3配方：100% BWOC H 级水泥+5%BWOC 微硅+30% BWOC 硅粉100 目+10% BWOC硅粉200 目+0.5% BWOC 消泡剂+0.5% BWOC 分散剂+2.0% BWOC 降失水剂+0.02% BWOC 悬浮稳定剂+1.0% BWOC 缓凝剂+2.0% BWOC 防气窜剂。

2.15 g.cm-3配方：100% BWOC H 级水泥+5%BWOC 微硅+30% BWOC 硅粉100 目+10% BWOC硅粉200 目+0.4% BWOC 消泡剂+1.0% BWOC 分散剂+1.2% BWOC 降失水剂+1.8% BWOC 缓凝剂+2.0% BWOC 防气窜剂。

3.2 水泥浆特点

开发的广密度水泥浆，在不加加重剂的情况下，最高密度可达2.15 g.cm-3。该技术具有混杰简单，同一混杰可调密度范围广等优点，在现场施工过程中因遇到漏失、气窜等复杂井况时，可满足水泥浆密度及性能实时调整的要求，见表5。

表5 广密度水泥浆与传统水泥浆对比

3.3 现场应用

在墨西哥湾1.90～2.15 g.cm-3密度范围的水泥浆广泛应用于套管及尾管固井作业，目前该技术已经在墨西哥应用48 口井，多次解决因漏失或气窜造成的水泥浆密度临时调整的突发情况，现场应用效果良好。

例如ONEL-71 井9 5/8" 技术套管固井作业，设计钻深为4 856 m，井底温度140 ℃，作业前水泥浆的设计密度为2.10 g·cm-3，因钻进过程中发生漏失，现场采取降低泥浆密度的措施来降低循环当量密度，减少漏失。甲方要求修改固井设计，将水泥浆密度由原先设计的2.10 g·cm-3降至2.00 g·cm-3，由于已经按照2.10 g·cm-3密度设计水泥浆，完成混杰并送至平台，如果使用传统水泥浆，需要陆地重新设计水泥浆，重新混杰并送至平台，会耽误4～5 d 的作业时间，产生几十万美元损失。得益于研发的广密度水泥浆技术，实验室利用现场混杰及添加剂，用1 d 时间临时更改配方并调节出满足现场要求的性能，保证了现场作业的顺利实施，且固井质量优良。

4 结论

针对墨西哥浅水作业因地层复杂情况频发导致的水泥浆密度需临时调整技术难点，通过针对性研究，开发了一套无加重剂的广密度水泥浆技术，具有同一混杰可调密度范围广、无需使用加重剂、成本低等优点，在墨西哥海上浅水固井作业中广泛推广应用，多次解决现场复杂情况，提高了钻井时效，取得了良好的经济效益。