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深水固井液体减轻低密度水泥浆体系

文档作者：冯颖韬宋茂林张浩李厚铭文档来源：中海油田服务股份有限公司油田化学研究院		点击数：	更新时间： 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
钻 井 液 与 完 井 液
DRILLING FLUID &amp;amp; COMPLETION FLUID
doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.015
深水固井液体减轻低密度水泥浆体系
冯颖韬， 宋茂林， 张浩， 李厚铭
（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北燕郊065201）
冯颖韬，宋茂林，张浩，等. 深水固井液体减轻低密度水泥浆体系[J]. 钻井液与完井液，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 与传统的表层固井技术不同，深水表层固井由于受到深水环境和现场条件限制，对固井作业提出了新的要求。
针对深水表层固井的难点，开发了一种新型液体减轻剂PC-P81L，并以其为主体构建出了深水固井液体减轻低密度水泥浆
体系。室内实验结果表明，PC-P81L 作为减轻剂对水泥浆具有密度调节作用，可在1.30～1.70 g/cm3 之间调节水泥浆密度；
具有高悬浮性，最高可悬浮水灰比为2 的水泥浆；具有增强作用，还可以应用于常规密度水泥浆中作为增强剂；具有促凝
作用，可在深水低温环境下缩短水泥浆稠化时间。构建的深水固井用液体减轻低密度水泥浆体系，通过增大水灰比降低水
泥浆密度，提高了水泥浆的造浆率，减少现场水泥用量；且配方简单，易于调节，外加剂以全液体形式添加，减小了现场
工作人员的劳动强度；同时满足深水低温环境下的水泥浆性能要求，为下部钻进提高保障；液体减轻水泥浆体系作业成本
较漂珠体系也大幅度降低，满足深水低温条件的性能要求，可适用于深水表层固井。
关键词 深水；表层固井；低密度水泥浆；液体减轻剂
中图分类号：TE256 文献标识码：A 文章编号：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
随着中国南海水域油气资源勘探的深入，深水
油气资源的开发已经进入攻坚阶段，而由于深水环
境和浅部地层复杂情况的影响，深水固井难度也越
来越大。深水固井有别于浅水固井和陆地固井作业，
尤其在表层固井技术上有着显著区别，主要表现
在[1-2] ：①压力窗口较窄，通常需配合使用低密度
第一作者简介：冯颖韬，工程师，硕士，1986 年生，毕业于西南石油大学石油与天然气工程，现在从事固井技术研究工作。
电话15075694569 ；E-mail ：fengyt@cosl.com.cn。
万方数据
冯第 34 卷 第 4 期 颖韬等：深水固井液体减轻低密度水泥浆体系 81
水泥浆以平衡地层压力；使用低密度水泥浆体系，
虽然浆体稳定性好，作业成本低，但在深水低温环
境下水化速率低，强度发展慢，候凝时间长，很难
短时间满足下部钻进条件；漂珠低密度水泥浆体系
具有防窜性能好、强度高、候凝时间短等特点，但
体系较为复杂，且作业成本高，同时漂珠在吹灰过
程中容易损失或出现分层现象，导致上下密度不一
致，影响固井质量[3]。②固井水泥浆量大，深水表
层一次固井作业一般达到150 m3 以上，增大了现
场施工人员的劳动强度。③海上钻井平台储灰罐容
积有限，而需要的水泥量大，导致操作性受到严重
局限。针对深水表层固井的以上问题，中海油服开
发出一种新型液体减轻材料PC-P81L，并以其为主
体构建出深水固井液体减轻低密度水泥浆体系。该
体系通过增大水灰比降低水泥浆密度，提高了水泥
浆的造浆率，减少现场水泥用量；且配方简单，易
于调节，外加剂以全液体形式添加，减小了现场工
作人员的劳动强度；同时满足深水低温环境下的水
泥浆性能要求，为下部钻进提高保障；液体减轻水
泥浆体系作业成本较漂珠体系也大幅度降低[4]。
1 室内研究
1.1 液体减轻剂PC-P81L
1.1.1 特点
液体减轻剂PC-P81L 是中海油服针对膨润土
低密度水泥浆体系和漂珠低密度水泥浆体系在深水
表层固井中使用的局限性，自研的一种新型液体
减轻材料，主要具有以下特点：① PC-P81L 作为
减轻剂对水泥浆具有密度调节作用，可在1.30～
1.70 g/cm3 之间调节水泥浆的密度；② PC-P81L 具
有高悬浮性，最高可悬浮水灰比为2 的水泥浆；③
PC-P81L 具有增强作用，不但可以作为低密度水泥
浆中的减轻剂，还可以作为增强剂应用于常规密度
浆体中；④ PC-P81L 具有促凝作用，可在深水低
温环境下缩短水泥浆稠化时间。
1.1.2 作用机理
PC-P81L 是一种含有无定型SiO2 的水性分散
体，为无色透明液体，pH 值为9～10，固相含量
为35%～50%，密度为1.18～1.22 g/cm3，可迅速
与水泥反应产生交联结构，使浆体增稠，提高稳
定性；同时PC-P81L 中的无定型SiO2 与水泥水
化产物中有害成分Ca（OH）2 反应，生成有强度的
C—S—H 凝胶，即“火山灰效应”，提高了水泥石
早期强度[5]。
1.1.3 对水泥浆稳定性的影响
在室温下，使用密度为1.30 g/cm3、水灰比为
2 的空白低密度水泥浆和混配PC-P81L 的低密度水
泥浆，对比配制不同时间后的浆体稳定性，结果见
图1。由图1 可知，空白低密度水泥浆在配制5 和
30 min 后自由水明显，沉降严重；加入PC-P81L
的低密度水泥浆在配制5 和30 min 后，浆体稳定，
无自由液和沉降产生，且能够使用海水配浆，说明
PC-P81L 具有高悬浮性，最高可悬浮水灰比为2 的
水泥浆，可实现通过提高水灰比降低水泥浆密度。
5 min 30 min
注：左杯为添加了15%PC-P81L ；右杯为空白浆体。
图1 低密度水泥浆配制不同时间后的浆体稳定性
1.1.4 对水泥石强度的影响
在井底静止温度为30 ℃，密度为1.40 g/cm3、
水灰比为1.48 的空白低密度水泥浆中，对比不同
加量PC-P81L 在24 h 和48 h 水泥石强度变化，实
验结果见表1。由表1 可以看出，随着PC-P81L 加
量的增加，水泥石强度逐渐增大，说明PC-P81L
具有一定的增强作用。
表1 液体减轻剂PC-P81L 对低密度水泥石强度的影响
PC-P81L/
%
ρ/
g/cm3
BHST 为30 ℃时的抗压强度
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 对水泥浆稠化时间的影响
在BHCT 为30 ℃、密度为1.40 g/cm3、水灰
万方数据
82 钻 井 液 与 完 井 液 2017 年 7 月
比为1.48 的空白低密度水泥浆中，测得PC-P81L
加量为0、10%、15%、20%、25% 的水泥浆稠化
时间分别为728、653、591、556、613 min。可以
看出，随着PC-P81L 加量的增加，稠化时间逐渐
缩短，说明PC-P81L 具有一定的促凝作用。
1.2 液体减轻低密度水泥浆体系构建
1.2.1 降失水剂选择
目前常用的油井水泥降失水剂主要为聚合物类
和PVA 类[6]，因此选择聚合物降失水剂GA80 和
GA86（具有防窜功能），PVA 类降失水剂GA74 进
行优选，实验结果见表2。
表2 降失水剂优选
降失水剂
ρ/
g/cm3
室温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：基浆配方为山东G 级水泥+15%PC-P81L+1%
XA63+ 海水。
从表2 可以看出，使用3 种降失水剂后失水
量均能小于100 mL，满足深水表层失水要求，且
失水量也基本相当，说明自研液体减轻剂与不同种
类的降失水剂配伍性良好；而使用GA86 不但能够
有效控制失水量，水泥石抗压强度较另2 种降失
水剂也明显提高，并且具有防窜功能，因此选择
GA86。
1.2.2 早强剂选择
目前常用的早强剂种类主要为无机盐类、有机
胺类和晶种类[7]，因此选择不同类型的6 种早强剂
进行优选。通过前期实验得出不同早强剂在液体减
轻低密度体系中的最佳加量，对比每种早强剂最佳
加量的强度性能进行早强剂优选，实验结果见表3。
由表3 可以看出，不同早强剂针对液体减轻低密度
体系都能够明显提高水泥石的早期强度，说明自研
液体减轻剂与不同种类的早强剂配伍性良好；而
ZA95 的早强效果最为显著，因此选择ZA95。
1.2.3 其他外加剂选择
为进一步提高低密度水泥浆体系的早期强度，
选择DE62 作为增强剂，其主要是一种火山灰材料，
表3 在基浆中加入不同早强剂的抗压强度优选
早强剂
ρ/
g/cm3
BHST 为30 ℃时的抗压强度
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：基浆配方为山东G 级水泥+15%PC-P81L+1%
XA63+ 海水。
水化过程中的火山灰效应更为显著，同时其粒径和
比表面积更小，可很好地填充于水泥颗粒之间，提
高水泥石密实度，进一步提高强度[8]。为调节低密
度水泥浆体系的稠化时间，选择中海油服常用的中
低温缓凝剂HA21 和消泡剂XA63。
1.2.4 体系构建
根据中海油服在南海海域深水表层固井作业
中低密度水泥浆的施工条件和水泥浆性能调研，
总结得出深水表层固井作业水泥浆密度范围为：
1.40～1.60 g/cm3， 静止温度BHST 为25～50 ℃，
循环温度BHCT 为0.7×BHST，稠化时间为8～11 h，
24 h 抗压强度大于3.5 MPa，API 失水量小于100
mL，自由水小于1%。因此以液体减轻剂PC-P81L
和优选的降失水剂GA86、早强剂ZA95 为主体，
部分条件配合使用缓凝剂HA21 和增强剂DE62，
进行深水固井液体减轻低密度水泥浆体系构建。由
表4 可以看出，构建的水泥浆体系在密度1.40～1.6
g/cm3，静止温度BHST 为25～50 ℃条件下，水泥
浆的各项性能满足深水表层固井作业中低密度水泥
浆的性能要求，并且体系的配方组成简单，外加剂
种类少，全液体添加，可以很大程度地降低现场施
工人员的劳动强度。
2 现场应用
深水固井液体减轻低密度水泥浆在LS25-XX
井进行了首次应用，该井井深为1 835 m，水深
为965 m，为深水井。LS25-XX 井的施工层次为
万方数据
冯第 34 卷 第 4 期 颖韬等：深水固井液体减轻低密度水泥浆体系 83
φ508 mm 表层，套管入泥为870 m，BHST/BHCT
为31 ℃ /23 ℃。采用低密度领浆和尾浆配合使用，
低密度领浆密度1.40 g/cm3，返至泥线位置，尾浆
密度为1.85 g/cm3 返至管鞋以上150 m。低密度领
浆性能要求：可泵时间为7～8 h，24 h 抗压强度
大于3.5 MPa，API 失水量小于100 mL，自由水小
于1%。
表4 液体减轻低密度水泥浆在不同条件下的性能
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，减少了平台灰罐使用量，现
场操作方便。该水泥浆体系流变性良好，较漂珠
水泥浆容易泵送，混浆泡少，设备操作风险性低。
水泥浆性能满足现场性能要求，可泵时间为460
min（见图2），24 h 抗压强度为4.7 MPa（见图3），
API 失水为42 mL，自由水为0。
图2　LS25-XX 井液体低密度水泥浆稠化曲线
深水固井液体减轻低密度水泥浆体系在现场施
工性能良好，施工后可观察到水泥浆返到泥线；现
场在静止温度条件下养护的样品强度发展快，满足
下部钻井要求，建井中井口稳定无下沉；后期测井
结果显示一、二界面胶结良好。经过成本测算，使
用液体减轻低密度水泥浆，单方材料成本较漂珠低
密度水泥浆体系降低50%。
注：1 in=25.4 mm ；1 lb/100 ft2=0.478 Pa ；1 psi=6.895 kPa。
图3 LS25-XX 井液体低密度水泥浆UCA 强度发展
3 结论
1. 自研液体减轻剂PC-P81L 具有高悬浮性，
可实现通过增大水灰比降低水泥浆密度，且对水泥
浆有增强和促凝作用；同时与其他外加剂配伍性好，
满足深水低温环境下的水泥浆性能要求。
2. 深水固井液体减轻低密度水泥浆体系添加剂
种类少，配方简单，易于调节，同时实现了全液体
化，方便添加，降低了现场施工人员的劳动强度。
3. 深水固井液体减轻低密度水泥浆提高了造浆
率，减少水泥用量，避免平台储灰灌容积使用受限。
4. 深水固井液体减轻低密度水泥浆体系较漂珠
体系作业成本大幅度降低，提高了经济性。
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