天然气水合物层固井低热水泥浆研究.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年 l i 月 第 3 6 卷 第 1 1 期 J o u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I N o v ． 2 0 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 1 l 天然气水合 物层 固井低 热水泥浆研 究 许 明标 周建 良 王元庆 朱荣东 ，王晓亮 长江大学石油工程学院， 湖北武汉4 3 0 1 o o ，蒋世 全 中 海油研究总院， 北京1 0 0 0 2 7 中石油华北油 田分公 司采油 工程研究 院 ，河北 任丘 0 6 2 5 5 2 中海油研究总院 ，北京 1 0 0 0 2 7 [ 摘要]海洋深水表层 固井作业环境具有低温 、低地层破 裂压力 以及存 在天然气水合 物等 突 出问题 ，开发 低热水泥浆，形成一套能够在 天然气水合物层 的低 温环境下 高效封 固表层 的硅 酸盐水 泥浆体 系，是保证 海洋深水勘 探开发有效开展的关键 。通过筛选 和研制 放热平衡 抑制 剂，使 其在低 温下 能够吸收 水泥水化 产生的热量，平衡抑制热量，控制温度上 限，可有效地 降低水 泥水化 热，从 而确 立 了一套 可适于 天然 气 水合物层 固井的低热水泥浆体系。该体系在 低温环境 下具有低 水 化热、高早 强、低滤 失 以及 良好 稠化和 防气窜等性能 ，能够满足海洋深水天然气水合物层 固井作业要求。 [ 关键词]天然 气水合物 ；放热平衡抑制剂 ；固井 ；低 热水泥 [ 中图分类号]T E 2 5 4 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 4 1 1 0 1 3 4 0 4 深水油气资源被认为是石油工业的一个重要前沿领地，深水、超深水油气资源 已成为美 、英等西方 发达国家竞相开采的热点 。深水 固井技术是深水油气资源开采 的关键环节，虽然近年来深水固井技术已 有 了长足发展 ，但是针对天然气水合物层的深水固井技术还存在许多亟待解决 的问题 ，这对天然气水合 物层 固井水 泥浆 提 出 了更 大 的挑 战 。 1 天然气水合物层 固井 问题 深水泥线下地层 中的天然气水合物是一种在一定低温高压下由水和天然气组成的类冰的、其遇火 即 可燃烧的稳定存在的沉积物。在海洋深水表层 固井过程 中，由于固井水泥水化放热的影响，井眼周围环 境温度升高 ，这样就改变 了周围水合物层的温度条件 ，造成水合物的分解。天然气水合物的分解可以产 生 1 7 0多倍体积增加的变化 ，释放 出的大量气体会侵入水泥浆内，一方面将导致本已胶结 良好的水泥环 与井壁之间出现微环空等 固井质量下降问题 ，且气体不断地向上喷发 ，最终导致严重的事故；另一方面 水合 物 的分解将 导 致该 区域地 层 的不稳 定 ，如果发 生塌 陷 的现象 ，会 破坏整 个层 位 ，形成 恶性循 环 ，使 周 围的水 合物 全部 分解 ，最终 导致 固井 的失 败等 一系 列 问题 。因此在 固井 过程 中需要 降低 水泥 浆水 化放 热量 ，控制和消除由天然气水合物 的分解对 固井质量的影响，同时水泥浆其他性能要满足或超过深水固 井的需要 ，使水泥浆具有低热 、低温早强和防气窜等特性 ，形成一套能够在水合物层的低温环境下高效 封 固表层 的低 热硅 酸盐水 泥浆 体 系 。 2 低热水泥浆室 内研究 2 ． 1 低 热水 泥 国家标 准 GB 2 0 0 --2 0 0 3将低热水泥定义为以适 当成分的硅酸盐水泥熟料，加人适量石膏，磨细制成的具有 [ 收稿日期]2 0 1 4 0 71 0 [ 基金项目]国家科 技重大 专项 2 0 1 1 Z X0 5 0 2 6 0 0 1 0 3 。 [ 作者简介]许明标 1 9 6 2一 ，男 ，1 9 8 3年大学毕业 ， 博 士，教授 ，现主要从事钻完井液及水泥浆方面的研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 1 1期 许 明标 等 天然气水合物层 固井低热水泥浆研 究 低水化热的水硬性胶凝材料 ，称为低热硅酸盐水泥 简称低热水泥 ，代号为 P LH ，低热水泥 3 d的水 化 热应 不 大于 2 3 O J ／ g 。 2 ． 2 低 热 水泥 浆设 计原 理 低热水泥浆设计原理是在水泥浆 中添加放热平衡抑制材料，通过平衡抑制放热材料吸收水泥浆水化 过程中所放 出的热量 ，使水泥浆水化过程不能形成明显的热量释放 ，以达到降低水化热的 目的 ，同时水 泥浆其他性能要满足或超过深水固井的需要 。 2 ． 3低 热 水泥 浆试 验方 法 参照深水固井试验标准 AP I 1 0 B 一 3 - 2 0 0 4制备水泥浆并测定水泥浆的性能，参照 GB ／ T 1 2 9 5 9 --2 0 0 8 水 泥水 化 热测 定方 法 直接 法测 量水 泥浆 水 化热 。 2 ． 4放热 平衡 抑 制剂 放热平衡抑制剂是一种能平衡抑制放热的水泥浆外加剂 ，它能够吸收水化放热产生的热量 ，平衡抑 制放热 ，将水泥浆温度控制在一定范围内，能尽量保证水合物层的稳定 ，保证固井质量 。目前国内还没 有在深海表层套管固井中使用放热平衡抑制剂或者类似作用的外加剂 ，但是随着我 国深海钻井深度的增 加和钻井数量的增加 ，钻遇水合物层的几率也会越来越大，所 以必须找到一种合适的放热平衡抑制剂加 入到深水表层套管的固井水泥浆体系 中，这种放热平衡抑制剂要具备以下的特性 ①吸热能力强 ，比热 大，相变热大 ；②与水泥浆体系配伍 ；③对水泥浆的强度没有影响或者能增加强度 ；④对水泥浆的其他 性 能没 有 大 的影 响 。 筛选了大量 的单独物质 ，发现都很难满足要求 ，将具有所需要特性的物质进行 了复配及合成 ，自发 研制和优选放热平衡抑制剂，表 1是放热平衡抑制剂 的筛选试验结果 。基本配方 1 0 0 G级水 泥 6 4 海水1 O P F增强剂6 超细水泥1 0 国产漂珠1 ． 6 A CC促凝剂 4 C G 8 8 L降失水剂 3 C F 4 1 5 L分散剂1 C X6 6 L消泡剂1 2 ％放热平衡抑制剂 1 0 0目 配方 中的百分数均为质量分 数 ，下 同 。 表 1 不 同放热平衡抑 制剂对水 泥浆的影响 1 4 ． 4 0 1 3 ． 5 o 1 4 ． 2 0 1 3 ． 7 0 1 3 ． 8 O 1 4 ． O 0 1 4 ． 1 O 1 4 ． 3 O 1 4 ． 5 0 1 4 ． 2 O 3 6 ． 5 O 3 3 ． 2 O 31 ． 6 O 3 3 ． 9 O 3 O ． O O 2 9 ． 5 O 2 8 ． 6 O 2 5 ． 2 O 2 6 ． 3 O 2 9 ． 5 O 3 ． 5 5 2 ． 3 O 2 ． 5 5 4 ． 3 0 2 ． 65 3 ． 65 4 ． 05 4 ． 85 3 ． 5 O 3 ．3 5 注 试验 条件 为室温 l o C2 0 MP a 。下同 。 从表 1 可 以看 出 C 1 4和 C 1 6这 2种 物质 的 吸热 能力最 强 ，能够 很好 地 吸收 水 泥浆 水 化产 生 的热 量 ， 平衡 热量 ，控 制温 度上 升速 度 和温度 上 限 ，其 3 d水 化热 小 于 2 3 O J ／ g ，但是 C1 4在低 温下 对水 泥石 的 强 度有降低 的趋势 ，C 1 6对水泥石的强度有提高的作用 ，因此 C 1 6是最理想的放热平衡抑制剂 。 表 2是对 C 1 6加入的质量分数进行试验评价。基本配方 1 0 0 G级水泥6 4 海水1 O 增强剂 P F 6 9 ／ 6 超细水泥1 0 9 ， 6 国产漂珠 1 ． 6 促凝 剂 AC C4 9 ／ 6 降失水剂 C G 8 8 L3 分散剂 C F 4 1 5 L 1 消泡 剂 C X6 6 L 放 热平衡 抑 制剂 C 1 6 。 3 5 8 8 O 4 3 8 5 9 船 肋 加 2 1 7 4 2 2 5 5 9 8 3 “ 坫 M 仨 0 0 ，6 6 4 L 空 n K 儿 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．1 3 6． 石 油 天然 气工程 2 0 1 4 年 1 1 月 注 N㈣ 。、N o 分别为六速旋转黏度计 6 0 0 、3 0 0 r ／ rai n对应的读值 。表 中 “ 一”表示没有数据 。下同。 由表 2可 以看 出 ，随着 C 1 6质量分 数 的增加 ，其 放热 平 衡抑 制 能力 越 强 ，水泥 石 的强 度 随之 增 强 ， 但是水泥浆的稠度也越来越大；当质量分数 为 1 2 的时候 ，水泥浆的稠度适 中，强度也 比较大 ，因此 推荐 C 1 6质量 分数 为 1 2 9 ／ 6 。 2 ． 5低 热水 泥浆体 系性 能 海洋深水表层固井作业环境具有低温、低地层破裂压力以及存在天然气水合物等突出问题 ，室内在 考察 低热 水泥 浆性 能时 ，需考 虑水 泥浆 在温度 范 围 3 ～2 5 C间性能 变化 情况 。为 了解深 水 水 泥浆 的 性 能 随温 度变 化规 律 ，室 内对 不 同密度 的水 泥浆 在 7 、1 0 、2 0 C的常规性 能进 行 了测试 ，试 验结果 见 表 3 。 1 密度 为 1 ． 3 0 g ／ c m。的水 泥 浆配 方 1 0 0 G级 水 泥 8 2 海 水 1 O ％P F增 强 剂 6 超 细水 泥 2 O ％国产漂珠 1 ． 6 ％AC C促凝剂4 C G8 8 L降失水剂 3 C F 4 1 5 L分散剂1 C X6 6 L消泡剂 十 1 2 放热 平衡抑 制 剂 。 2 密度 为 1 ． 4 0 g ／ c m。 的水 泥浆 配方 1 0 0 G级 水 泥7 7 海 水 1 0 P F增 强剂 6 超 细 水 泥 1 3 国产 漂珠 1 ． 6 9 ， 6 AC C促 凝 剂 4 C G8 8 L 降失 水 剂 3 C F 4 1 5 L分 散 剂 1 C X 6 6 L消 泡 剂 1 2 放 热 平衡 抑制 剂 。 3 密 度 为 1 ． 5 0 g ／ c m。 的水 泥浆 配方 1 0 0 ％G级 水泥 6 4 海水 1 0 P F增强 剂 6 oA超 细水 泥 1 0 国产 漂珠 1 ． 6 AC C促 凝 剂 4 C G8 8 L 降失 水 剂 3 C F 4 1 5 L分 散 剂 1 ％C X6 6 L消 泡 剂 1 2 放 热平 衡抑 制剂 。 4 密度 为 1 ． 6 0 g ／ c m。 的水 泥浆 配方 1 0 0 G级 水泥 5 4 海 水 l 0 P F增强 剂 十6 超 细 水 泥 1 0 国产 漂珠 1 ． 6 ％AC C促 凝 剂 4 C G8 8 L降 失 水 剂 3 C F 4 1 5 L分 散 剂 1 C X 6 6 L消 泡 剂 l 2 放热平衡抑制剂。 表 3低热水泥浆体 系性能 注 1 N 、 ～∞ 分别 为六速旋转黏度计 6 、3 r ／ mi n对应 的读值 ； V A P l 为 AP I 滤失量 。 注 2 试验压力为 2 0 MP a 。 从表 3可 以看 出 ①在 不 同低温 环境 ，不 同密度 水 泥浆 的 3 d水化 热均 小 于 2 3 O J ／ g ，水泥 浆体 系具 有 良好 的低 热性 能 ，放 热平 衡抑 制剂 能很 好地 吸收水 泥 浆水 化产 生 的热 量 ，平衡 热量 ，控 制温 度上 升速 度和温度上限，有效地控制和消除天然气水合物的分解 ，提高了天然气水合物层的固井质量 。②水泥浆 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 1 1期 许明标 等 天然 气水 合物层固井低热水泥浆研究 的密度和养护温度影响固化后水泥石 的抗压强度，水泥浆低温水浴养护 2 4 h ，水泥石抗压 强度 均大于 3 ． 5 MP a ，并且随水泥浆密度的升高和养护温度的升高均呈现出逐渐增 大的趋势 ，说 明了低热水泥浆体 系具有较好的低温强度发展性能 ，能满足深水固井作业要求。③水泥浆 的稠化过渡时间是指水泥浆在一 定 温度 与压 力下 由液 态转 变为 固态 这一 过程 通 常指 水泥 浆稠 度 由 3 0 B c过渡 到 l O O B c 所经 历 的时 间 ， 它能客观反映低温低密度水泥浆抵抗气水流体窜的能力 ，稠化过渡时间越短抗流体窜的能力就越强 。水 泥 浆在 7 、1 O 、2 O ℃均 能够 有效 地稠 化 ，稠化 过渡 时 间均在 3 9 6 0 mi n之 间 ，这说 明低 热 水 泥浆 体 系 能 一 定程度上防止 由小部分天然气水合物分解导致的气水流体侵入水泥环 ，具有抵抗气水流体窜的能力。 3 结论 1 固井过程 中如何降低 水泥浆 的水 化放热 ，保证 天然气 水合 物不分解 是天 然气水 合物层 固井 的关键 。 2 水泥浆中放热平衡抑制材料可以降低水泥浆水化热。放热平衡抑制剂 C 1 6在低温下能很好地吸 收水泥水化产生的热量 ，并能将温度控制在一定 的温度以下 ，有效地防止水合物吸热分解 ，提高在天然 气 水合 物层 的 固井质 量 。 3 确立 了一套可适于天然气水合物层 固井的低热水泥浆体系，其在低温环境 下具有低水化热 、高 早 期强 度 、低滤 失量 以及 良好 的 流变 和稠化 等特 性 ，能够 满 足海洋 深水 天然 气水 合物 层 固井作 业要 求 。 [ 参考文献] [ 1 ]许明标 ，唐海雄 ，刘正礼 ．海洋深水水泥浆体系性能室 内研究 [ J ]．石 油天然气学报 江汉石油学 院学报 ，2 0 0 5 ，2 7 5 6 1 3 ～ 6 l 6 ． [ 2 ]王晓亮 ，许明标 ，王清顺 ，等 ．深水表层固井硅酸盐水 泥浆体 系研究[ J ]．石油钻探技术 ，2 0 1 0 ，3 8 6 1 3 ～1 7 ． [ 3 ]Kr i s h n a R． D e e p wa t e r c e me n t i n g c h a l l e n g e s[ J ]．S P E 5 6 5 3 4 ，1 9 9 9 ． [ 4 ]Ke n n e t h H，Mi k e M，Do mi n i c 0，e t a 1 ．Ov e r c o mi n g d e e p wa t e r c e me n t i n g c h a l l e n g e s i n S o u t h C h i n a S e a ，E a s t Ma l a y s i a[ J ]． S PE8 8 0 1 2． 2 0 0 4 ． [ 5 ]Mi s h r a P K ． Ul t r a d e e p wa t e r c e me n t i n g Ch a l l e n g e s a n d s o l u t i o n s I- J ]． S P E1 0 2 0 4 2 ，2 0 0 5 ． [ 6 ]严海兵 ，陈大钧 ．油井水 泥水化研究 的几种常用方法 [ J ]．内蒙古石油化工 ，2 0 0 5 ，3 1 1 1 1 2 2 ～1 2 4 ． [ 7 ]王清顺 ，岳前升 ，徐绍诚 ．深水 固井水 泥浆技术研究 [ J ]．石油天然气学报 江汉石油学院学报 ，2 0 0 6 ，2 8 3 1 0 9 ～l 1 l _ [ 8 ]王成文 ，王瑞和 ， h 继勇 ，等 ．深水 固井 面临的挑 战和解决方法I- J ]．钻采工艺 ，2 0 0 6 ，2 9 3 1 l ～1 4 ． [ 9 ]张清玉 ，邹建龙 ，朱海金 ．国外 深水固井水泥浆技术进展[ J ] ．油 田化学 ，2 0 0 7 ，2 4 2 1 7 5 ～1 7 8 ． [ 1 0 ]张景富 ． G级油井水泥的水化 硬化及其 性能 [ D ]．杭州 浙江大学 ，2 0 0 1 ． [ 编辑] 帅群 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m