深水低温固井作业对水泥浆提出了更高的要求，不仅需要更优秀的常规性能，而且要满足深水低温固井所需的特殊性能，以有效解决深水低温固井遇到的复杂问题。深水低温表层固井对水泥浆提出了以下要求：

①水泥浆要有良好的低温水化性能，满足低温强度的要求。

②严格控制水泥浆密度，破裂压力低的地层要用低密度水泥浆。

③优良的控制失水能力，API失水量＜50 ml。

④水泥浆稳定，无自由液，无沉降。

⑤候凝时间短，低温下能快速凝固。

⑥水化过渡期短，降低流体侵入机会。

⑦水泥石收缩率和渗透率低、韧性好。

值得注意的是，在深水低温固井中，高抗压强度不是必需的。在满足支撑套管需求的情况下（比如1 000psi），最重要的是液态向固态的转化期要短、水泥石的渗透率要低、韧性要强。这些性能对于建井过程和油井的长久整体性至关重要。

传统深水低温水泥浆采用超细G级、高铝和A级水泥等作为基础配浆材料，并结合充氮泡沫或高强漂珠达到低密度配浆；但在浅水流和低温并存情况下，这些水泥材料难以满足深水固井的要求；同时，水泥浆的低温稠化、低温稠化转化、早期强度、低温稳定性以及强度发展亦难以满足深水作业苛刻的要求。

目前，用于现场的深水固井水泥浆体系可以较为轻松地以常规固井水泥和水泥外加剂为基础，通过加入低温早强剂和胶凝强度促进剂获得。常规固井水泥在低温下水化和硬化能力很弱，常规水泥外加剂本身对水泥的缓凝副作用使得固井水泥浆体系存在早期强度低、强度发展缓慢、防窜能力弱等严重不足，因此研究具有优异低温水化和硬化能力的固井水泥材料、无缓凝副作用的水泥外加剂和低温防窜剂是低温深水固井水泥浆体系研究的重点。深水固井水泥浆体系分为低密度填料水泥浆体系、低温快凝水泥浆体系、泡沫水泥浆体系、最优粒径分布（optimised particle size distribution，OPSD）水泥浆体系、超低密度水泥浆体系。随着水深的增加，温度越来越低，浅水流风险越来越大，泡沫水泥浆体系和OPSD水泥浆体系也成为深水固井的重要选择。

5.5.1.1　泡沫水泥

充氮泡沫水泥浆体系是由水泥、含有泡沫分散剂和泡沫稳定剂等外加剂及氮气共同形成的三相可压缩流体，具有良好的防窜能力和顶替效率。泡沫水泥石塑性比常规水泥石好，能有效防止水泥石破裂，保证水泥环的整体性。从1994年在墨西哥海湾地区第一次采用泡沫水泥浆解决浅层水流动问题以来，其已在墨西哥湾、尼罗河三角洲和安哥拉等地区成功大量作业。成功的现场应用促进了泡沫水泥浆的发展，目前，除采用充氮方法制备的泡沫水泥浆体系外，具有泡沫低密度特征的水泥浆体系得到了较多的研究和应用。

泡沫水泥是在传统水泥浆中按比例充入一定量的氮气或空气，形成带有稳定泡沫的低密度水泥浆。用性能优良的基浆配制泡沫水泥浆，保证了水泥浆良好的凝结性能和水泥石机械性能。泡沫水泥浆用于深水固井中有许多优点：

①具有可压缩性，可压缩性补偿了因漏失和水泥水化引起的体积变化，减弱了注水泥后、候凝过程中，由于胶凝强度的发展引起的液柱压力的损失。

②泡沫有很强的黏滞性，有抵抗地层流体侵入的能力。这些特点有利于防气窜和抑制浅层水流。

③泡沫水泥比常规水泥有较强的韧性，可减缓将来采油时热应力的影响，保持水泥黏接力和水泥环完整性，延长油井的使用寿命。泡沫水泥的不足之处就是对施工要求很高，不仅要有常规的注水泥装备，而且要有供氮设备。施工中需要精确控制以保证气体和基浆混合均匀。目前，已经研制出自动泡沫混浆系统，在没有人工介入的情况下实现自动计量和自动控制。

5.5.1.2　微珠水泥

微珠水泥是在水泥中混入空心微珠配制而成。空心微珠由二氧化硅或飞灰壳构成，常压下内含N2或CO2，可使水泥浆密度降到1.14g／cm3。这种低密度材料与水泥干混后所占体积较大，在运输过程中易分离，空心微珠会浮在水泥上面，因此会导致混浆不均匀。有一种解决方法是把微珠加到混合水中。

5.5.1.3　颗粒级配水泥浆

颗粒级配（particle size distribution，PSD）水泥浆体系是指在水泥浆中添加的固相颗粒与胶凝材料水泥形成一定颗粒级配，提高堆积密度，即提高单位体积内固相的含量，使固液比最大化。由于其具有较少液含量，因此有利于缩短水泥浆的凝固时间，提高抗压强度，减少水泥浆渗透率，从而提高水泥浆的整体性能。这种水泥浆可以适用于海水含盐度较大的低破裂剃度深水固井，也适合于配制密度较低的水泥浆，其特点如下：(www.daowen.com)

①水泥浆适用温度低。

②适用于低破裂剃度地层。

③该水泥浆与常规石膏水泥浆相比，具有更加灵活的可操作性。

④该水泥浆体系外加剂用量少，浓度低。

5.5.1.4　颗粒级配优化水泥浆

OPSD水泥浆体系是在PSD水泥浆体系基础上研制的，是一种最优化颗粒级配水泥浆体系。该水泥浆以传统方式混合，性能优于常规泡沫水泥浆，可以防止浅水流，通过添加外加剂还可以防止气窜，有助于胶凝强度的发展。

OPSD水泥浆将水泥与特定密度和最优化尺寸的惰性粒子干混，其生产中还加入一些韧性粒子，可以减少微环空的产生和生产层挤压造成的损失。该水泥浆含有60%的固相，具有良好的流变性能、较小的滤失量和渗透率、较高的抗压强度，可以与大多数水泥外加剂进行复配，OPSD水泥浆体系是通过优化材料粒径分布实现颗粒紧密堆积的高性能水泥浆体系，强度发展快、强度高、渗透率和孔隙度低、施工简单。OPSD低温低密度水泥浆体系由Schlumberger开发提供，即Deep-CRET水泥浆体系，于1998年首次应用于非洲刚果1 300 m深水井固井作业中，目前已在墨西哥海湾、特立尼达岛、委内瑞拉、黑海和西非等地区成功固井作业很多次，该体系特别适合于后勤供应困难、浅水流风险低的地区。2002年4月，DeepCRET水泥浆体系首次在亚洲的马来西亚东部南中国海1 700 m深水井固井作业中应用，目前采用该体系在该区域已成功地进行了14井次深水固井作业。该水泥在墨西哥湾绿色峡谷608区块1 310.6 m的深海开发井中应用也取得了良好的固井效果，该水泥浆与泡沫水泥相比，更加方便和经济。

这种水泥通过精心优选特定尺寸的低密度填充材料，对填充材料和水泥进行颗粒级配使混合灰的固相绝对体积达到最大，颗粒间的孔隙降到最低，实现颗粒紧密堆积。用颗粒级配技术配制的水泥浆含水量小，凝固后水泥石孔隙度小，渗透率低，强度高。再加上专用外加剂，加快了低温胶凝强度的发展，缩短了水化过渡期，很好地满足了防止浅水流危害的需求。

5.5.1.5　活性减轻剂填充水泥

一般普通的减轻剂是惰性材料，不参与水泥水化反应。但有一些减轻剂可以与水泥浆中的水和某些离子发生反应，生成胶结物质，如活性火山灰、C型飞灰、偏高岭土等。活性减轻剂填充水泥就是利用这种活性材料配制而成，在低温下其水化速度较快，机械性能明显提高。

5.5.1.6　液态胶体填充水泥

与普通化学反应类似，反应物质充分接触能大大提高反应效率和反应速率。胶体是一种特殊的分散系，分散质颗粒很小，尺寸在2～1 000 mμm间，比表面积从几平方米每克到几百平方米每克。因此，使用胶体是实现反应介质充分接触的理想方法。

氧化硅或氧化铝本身就能参与水泥的水化反应，用比表面积比水泥颗粒大三个数量级的胶体氧化硅或胶体氧化铝作为水泥填充材料，会产生更强的反应活性。即使在低温下，这些胶体也能与氢氧化钙反应胶结加速水泥凝固，从而缩短过渡时间、降低凝固水泥的渗透率。这种水泥浆性能优良、体系稳定、有一定的弹性，且设计密度范围宽、不需要进行干混。

5.5.1.7　高铝水泥浆体系

高铝水泥浆是一种由高铝酸盐水泥配制得到的水泥浆，可以采用高铝酸盐水泥配制得到常规密度和低密度的水泥浆。高铝酸盐具有良好的抗高温性能和良好的低温水泥水化性能。由于其抗温性能，高铝水泥可用于蒸汽吞吐井的固井使用。高铝水泥在短时间内水化放出大量的热量，因此，原则上来说它并不适用于深水井的固井。但通过井场调查结果显示，地层没有天然气水合物，这高铝酸盐水泥浆可以通过配方调整得到一种在具有浅水流灾害情况下使用的深水水泥浆体系。高铝水泥浆体系具有无可比拟的早期强度和强度发展。高铝水泥1 d后的强度达到最终强度的80%，而波特兰水泥则需要几天甚至更长的时间。但是高铝水泥应用相对较少，一方面高铝水泥浆对于污染比较敏感，另一方面高铝水泥浆中水泥的价格比常规水泥要高7～8倍，因此，成本较高，也限制了其使用。

5.5.1.8　硅酸铝水泥浆体系

硅酸铝水泥适用于深海或寒冷环境中的井眼和易于发生流体侵入情况的井眼。这种水泥由活性硅酸铝和水硬水泥组成，可以与一种或几种外加剂复配。其中硅酸铝可以是高岭土、埃洛石、地开石或珍珠陶土等，高活性的高岭土具有更好的效果。该水泥与传统的石膏水泥相比，具有过渡时间短、胶凝强度发展快、抗压强度高等特点。

5.5.1.9　快硬水泥

快凝石膏水泥浆是一种可以在低温下实现快速凝固的水泥浆体系，其实际上是一种油井水泥和半水石膏的混合物。加入半水石膏的目的就是促进水泥早期强度的发展，这在水泥浆密度较高、井底温度较高的情况下比较容易实现。

反应物质的比表面积增大，能增加反应物间的接触程度，加快反应速度，在低温下这种效应更加明显。利用比表面积大、细度高的快硬水泥设计低温低密度水泥浆就是基于这一原理。快硬水泥浆凝固快、过渡期短、早期强度高，适合于深水低温固井。实践证明，经过磨细的油井水泥和土木建筑行业的低温快硬水泥很适合这样的应用。