5.5.2.1　防浅水流水泥浆体系

1）浅水流的危害及在固井中发生的原因分析

浅水流的产生与深水海底附近地层高压盐水和高压气体的存在密切相关，要抑制浅水流的危害，除了要对井场情况有充分了解并采取针对性的预防措施外，现场水泥浆的密度及在整个候凝期间的压力传递性能是关键。无论是浅水流的高压还是浅层水可能产生的涌动，都与水泥浆的压力传递性能有关。与油气水的窜流一样，浅水流的抑制首先需要低密度水泥浆液柱将高压流体封闭在地层中；其次，在水泥浆的候凝期间，要保证水泥浆液柱压力的传递一直持续进行，直到水泥浆完全凝固。水泥浆凝固为坚硬的水泥以前，有两个过程可能导致水泥浆丧失传递液柱压力的能力：一个是水泥浆向地层的滤失，另一个是水泥浆静凝胶强度的发展。凝胶强度的发展最终导致水泥浆的凝固，而这个过程也伴随着水泥浆的失重，只有在水泥浆的失重足够小而水泥浆凝胶强度达到足够抑制地层高压流体的进入时，浅水流的危害才能得到解除。因此要求水泥浆体系具有更好的直角凝固特征，即一旦凝胶强度开始发展即迅速达到抑制浅水流的水平。

浅层高压气水层，一般处于深水泥线下250～1 200 m。海洋深水具有不同的沉积环境，在深水区域，由于快速沉积所圈闭的疏松砂岩孔隙中的海水或者盐水，在深的海水所产生的液柱压力作用之下，将以高压地层和高压透镜体类的形式存在，这种海底特殊的地质条件使得许多深水地层中都潜伏着大量的高压浅层盐水，压实作用将浅层水气圈闭在这种结构中，上部过重的承压使这种浊流砂层变成一个过压载体，当钻井作业打开这高压砂层时，就相当于为这个高压力的包含盐水的砂层提供了一个释放的通道，如果钻井作业没有预先采取措施，则将产生严重的浅水流喷发事故。而在固井作业中，水泥浆的密度在液态时可以有效地压住高压流体，但是，水泥浆在稠化过程中，可能由于稠化转化时间过长，导致水泥浆失重而产生严重的浅水流喷发，进而危及平台及作业人员的安全。

浅层水流的成因包括四个方面：a.人为引起的地层破裂；b.人为引起的地层能量积累；c.异常压力砂体；d.通过固井窜槽传递的异常压力。

在固井过程中，这种高压浅水流同样需要1.08～1.32g／cm3流体密度进行平衡，使固井过程顺利进行。固井过程所维持的水泥浆比重大小与浅水流压力大小成比例，另外固井水泥浆应该具有良好的低温强度发展以及良好的防浅水流气窜的能力。采用水泥浆封固深水地层的突出问题是水泥浆的水化凝固和对高压浅水流的抑制，水泥浆在所封固井眼穿过高压流体层时，在井筒中可能产生流体运移或漏失。流体在水泥浆中的运移，是在井眼环空水泥浆中发生了较为复杂的物理化学过程。流体窜可能在地层、水泥浆界面产生，也可能在水泥浆、套管界面和水泥石微缝隙中产生，大多数的流体窜会在水泥浆替换到地层环空的几小时内发生。这种窜漏可能由于下面一系列因素导致：

①不良的钻井液顶替。

②在套管周围存在不完整的水泥鞋。

③在套管水泥界面由于收缩（contraction）产生的微孔道。

④水泥浆本体在水化固化过程中产生的水泥收缩。

⑤钻井液滤饼的去水化。

⑥在水泥浆固化过程中游离液的存在。

⑦由于气体在水泥浆中运移并伴随着水泥浆的固化而留下通道。

海洋深水由于低温环境的存在，使得水泥浆的稠化凝固等性能变得更加复杂，固井质量及流体窜的控制变得更为困难。在深水情况下，水泥浆的低温性能和防止窜流产生的能力是水泥浆体系主要的性能要求。水泥浆是一种反应性的悬浮液或者说水泥颗粒在水中的分散体，水泥颗粒的水化导致液体水泥浆向固体的转化，水泥浆的固化提供了对环空的水泥密封和对套管及地层的支撑。水泥的水化随时间不断进行，并由于在初始稠化阶段的大量放热或明显的凝胶强度发展来完成并得到加强。水泥水化贯穿整个水泥浆固化过程，水泥与水一接触，水化过程就立即开始，水泥颗粒经过初期快速水化并放热，颗粒表面吸附一层初始水化产物，游离水向水泥颗粒未水化部分进一步接近渗透变得困难，整个反应速度开始下降，反应速度下降标志着静止期（dormant）或诱导期（induction）的开始，这个过程基本上没有其他的水化反应发生，在固井作业中，就是在这个时期将水泥浆顶替进入环空，水泥浆的凝胶化作用在这个时期得到发展，水泥颗粒和添加剂之间的静电或化学作用也不断产生和对水泥浆体系产生进一步的影响。

水泥浆的水化固化过程常常伴随着明显的体积收缩，体积收缩是由于水泥水化产生的新物质的体积小于未水化水泥颗粒的体积而产生的。收缩对固化水泥的机械特性有明显影响，并可能产生流体窜。水泥浆固化收缩有两种形式，体积或外观收缩以及内部收缩：外观收缩是水泥外观整体体积的降低，例如尺寸降低；内部收缩是在水泥水化过程中，在水泥母体或基质（cement matrix）中水泥黏结的体积降低，外观收缩可能大到7%。水泥收缩是固体沉降、水泥浆滤失、水泥水化以及内部收缩的结果。内部收缩和体积收缩都在水泥稠化和早期凝固过程发生，内部收缩在稠化期开始，体积收缩在静止（dormant）期产生，在稠化期间收缩速率上升，有些收缩可能在水泥丧失传递液柱压力的能力后产生，这使得固化期间在环空中产生了极大的压力损失。水泥浆内部收缩产生的孔隙具有自由孔隙特征，相互连通并增加水泥的渗透性。在海洋钻井作业中，研究这些问题很有意义，海洋钻井常常要在海床上安装海底设备，如果固井措施选择处理不当，就将使问题变得更加复杂和严重，有可能由于发生流体窜而产生严重的安全事故。在海洋钻井作业中，有时可能要临时堵塞一个贯穿高压层带的井眼，例如，钻井过程中遭遇台风时，需要对井眼进行临时堵塞，这时在水泥塞中就不能产生流体通道以保证整个钻井作业的安全。

流体窜和流体压力的出现有几种途径，流体窜压力变化可能从0到10 000psi甚至更高，地层越深可能产生的压力就越大，在海洋深水井中一般在5 000～9 000psi。流体压力差异变化与某一特定地层水泥浆柱的压力和地层压力的差值相关。在凝胶化或固化以前，地层压力通过水泥浆压力得到平衡，随着水泥压力的下降，或凝胶化或固化的开始，液柱压力难以传递，地层压力足以克服水泥浆的液柱压力而使地层流体向井眼运移，即使仅有0.1psi的压差，在地层中都有可能引起流体窜。但是泥浆和水泥浆滤饼的存在，使产生流体窜的压力经常高达10～50psi，甚至100～500psi。由流体显示的这种压力也可以在水泥固化以后出现，或在套管周围环空流体压力的增加过程中产生。如果在水泥浆中有一个流体运移的通道或者在套管和井壁界面存在流体通道，水泥体易于被流体穿透，就更容易使流体向上运移而显示压力，这个流体压力可能从小到50psi，一直大到1 000～5 000psi甚至更高，从而破坏套管并导致危险和产生意外事故。

水泥浆凝固为坚硬的水泥以前，有两个过程可能导致水泥浆丧失传递液柱压力的能力：一个是水泥浆向地层的滤失，另一个是水泥浆静凝胶强度的发展。水泥浆失水将降低水泥浆传递水力压力的能力。当水泥浆注入井下并开始静止后，静凝胶强度开始发展（或单一凝胶强度）。这种凝胶强度并不是真正意义上的强度，不具备承托管柱的能力，随着水泥浆逐步变成具有一定强度的水泥石，水泥浆的凝固过程经历与气体或流体运移紧密相关的过程。在该过程的第一个阶段，水泥浆中包含有大量的液体，使水泥浆具有一个真实液体的特征，因此在第一个阶段，水泥浆可以有效地传递液柱压力并防止流体运移或者说防止地层流体向井筒的运移。在这个阶段，水泥浆中的部分液体滤失，而水泥浆由于凝胶结构的形成开始变得越来越稠甚至坚硬，在滤失和凝胶结构形成的同步进行的过程中，凝固中的水泥浆保持了传递液柱压力的能力，只要水泥浆具有真实液体的特征，其凝胶强度的结构小于或等于某一个临界值，流体运移就可以得到有效制止，这个保持传递液柱压力的凝胶强度临界值即为第一临界值。

在水泥浆固化的第二阶段，水泥浆的凝胶强度超过了第一临界值，其强度将不断增长，水泥浆的滤失虽然比第一阶段要小得多，但是也在继续进行，在此期间，水泥浆的凝固完全失去了传递液柱压力的能力，凝胶强度的发展使得水泥浆凝胶强度太大以致不能完全传递液柱压力，可是这种凝胶强度又太小以致不能阻止地层高压流体向井筒和水泥浆的运移，而出现流体运移。这种状态一直持续到凝胶强度增长到某一个定值，也就是第二临界值，这个足够高的临界值可以防止地层流体或地层高压气体向水泥浆的传递或运移。

如图5-14所示，在水泥浆固化的第三个阶段，由于凝胶强度等于或大于第二临界值，流体运移被制止，水泥浆继续固化直到获得一个足够的强度，以保证后续的油井作业施工。按照上述观点，为了降低流体运移，希望第一个阶段应该延续一个较长的周期，而第二个阶段应该在最短的时间完成，水泥浆获得第一临界值所要的时间为“零凝胶期（zero gel time）”，水泥浆获得第二临界值的时间为“转化期（transition time）”，在海洋深水固井过程中，为了有效地防止浅水流对钻井作业的影响，需要一种固井水泥浆体系和固井施工方法以有效延长零凝胶期，使其有足够的时间维持滤失的定值，缩短转化期，从而提高固井作业的安全性。

图5-14　水泥浆固化过程中气侵示意图

2）防窜水泥浆体系

水泥浆在环空顶替到位后，环空气窜多发生在静胶凝强度为48～240Pa的区间内，其主要原因是静胶凝强度小于48Pa时，水泥浆能够传递液柱压力，在过平衡压力条件下，气窜不会发生，而当静胶凝强度大于240Pa时，水泥浆传递液柱压力的能力大大减小，但其强度已能抵御气体的入侵。可见，静胶凝强度由48Pa发展到240Pa时间越短，气窜的机会就会越少。针对气窜机理的研究，国内外开发了多种水泥浆添加剂和水泥浆体系。

（1）锁水抗窜水泥浆体系

由速凝剂、膨胀剂、抗渗透剂、减阻剂、消泡剂等外加剂复配而成，主要含有水溶性的有机醇胺化合物，能生成络合物，在水泥浆颗粒上形成许多可溶性的区间，使水泥熟料中的C3A和C4AF水化速度加快，水泥浆胶凝强度发展迅速。还含有钙、铝等化合物，在水泥中发生反应生成柱状的和针状的硫铝酸钙。其固相体积比反应前增加1.22～1.75倍，而且这种柱状的和针状的晶体首先向阻力小的孔隙中生长，形成致密的水泥石结构，当空隙充满后，便挤压井壁和套管壁，提高水泥界面的胶结质量。

（2）直角稠化水泥浆体系

由速凝剂、膨胀剂、减阻剂等添加剂组成。水化由水泥的颗粒表面向深部发展，胶态粒子大量增加，晶体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶结构，水泥将失去流动性。也就是其静胶凝强度为48～240Pa时，属于由液态向固态转化期，水泥浆逐步失去传递液柱压力的能力，此时最易发生气窜。而直角稠化水泥浆体系中的促凝剂能加速Ca（OH）2和C—S—H凝胶的生成速度，其加速机理为：OH-从外界较快扩散进入富含钙离子的溶液中，在其内部相互作用下，加速了Ca（OH）2的沉降和CaSiO3的分解，同时又使Ca（OH）2的沉降物和CaSiO3的分解物之间发生交联，就生成能抑制水泥浆中流出或流入的胶结层，这个胶结层的胶凝强度足以阻挡住最初企图侵入水泥环的地层水，致使后面的地层水随着胶凝强度的迅速增加而更难侵入环空。

（3）触变水泥浆体系

主要由硅酸钠、氯化钠和氢氧化钠组成的低密度水泥浆，用CMC加氢氧化锆也可组成触变水泥浆体系。触变水泥浆体系在静止时能够很快形成较高的胶凝强度，阻止环空气窜的发生，而搅动时又能变稀，恢复其流动性，即所谓的剪切稀释特性。其作用机理为：水泥浆顶替到位后，能够迅速形成大于240Pa的静胶凝强度，有效缩短水泥浆由液态转化为固态的过渡时间，减少发生环空气窜的概率。但施工危险性大，中间一旦停泵会造成憋泵事故。

（4）非渗透水泥浆体系

该体系是20世纪80年代以来发展起来的，且已得到了较快的发展。其作用机理为：通过添加高分子聚合物或微细材料，利用化学交联剂的交联反应或利用微细材料充填作用形成不渗透膜，增加气体在水泥浆中的侵入和运移阻力。非渗透水泥大致可分两类：一是加入弹性乳液聚合物、阳离子表面活性剂等；二是加入微细材料，常用的有微硅、炭黑等。

（5）消除微环隙、微裂缝水泥浆体系

Talabanis等提出了消除微环隙、微裂缝的措施，内容是在固井水泥浆中添加海绵铁及合成橡胶粉。前者在高温下具有较高的磁性，可消除水泥环与套管间的微环隙并形成良好的胶结；后者充填水泥体内的微裂缝，降低其渗透率；且可产生较大的膨胀作用，补偿水泥的体积收缩，密实泥饼。甚至将泥饼挤压入地层，使水泥浆与地层形成很好的胶结，改善过渡状态后期的环空封固状态。另外该体系水泥浆的早强性能缩短了过渡状态的时间。此外，目前还有充气水泥浆体系、延迟胶凝水泥浆体系、泡沫水泥浆体系、泥浆转化水泥浆体系、短候凝水泥浆体系等防气窜水泥浆体系。

研究者构建了一套防浅水流水泥浆体系，得到1.30～1.90g／cm3的水泥浆配方：

1.90g／cm3水泥浆配方：100%APC水泥+40%海水+0.2%CX66L消泡剂+4%CG88L降失水剂+1.2%ACC-5促凝剂+0.8%H21L缓凝剂。

1.60g／cm3水泥浆配方：100%APC水泥+55%海水+0.2%CX66L消泡剂+4%CG88L降失水剂+1.2%ACC-5促凝剂+0.6%H21L缓凝剂+10%T60漂珠。

1.40g／cm3水泥浆配方：100%APC水泥+65%海水+0.2%CX66L消泡剂+4%CG88L降失水剂+1.5%ACC-5促凝剂+0.5%H21L缓凝剂+20%T60漂珠。

1.30g／cm3水泥浆配方：100%APC水泥+75%海水+0.2%CX66L消泡剂+4%CG88L降失水剂+1.5%ACC-5促凝剂+0.3%H21L缓凝剂+28%T60漂珠。

该水泥浆体系稠化时间可调，水泥浆密度和失水可控，低温强度发展迅速，早期强度高（10℃／24 h强度可以达到5MPa）并具有较短的稠化转化时间。运用水泥浆防窜系数法进行计算，得到水泥浆的SPN值在0.8～2.6之间，充分说明水泥浆具有较好的防窜性能，在抵抗深水浅水流方面应具有较好的效果。

5.5.2.2　深水天然水合物层固井低热水泥浆体系

海底低温环境尤其是深水，由于地层较为疏松夹缝中常伴随有天然气水合物，其对环境温度变化较为敏感、易分解，分解过程中可以产生170多倍的体积变化，极易导致井眼扩大、水气窜流，严重影响着水泥环与井壁间的胶结质量。针对深水天然气水合物地层固井，如何在不影响水泥浆低温性能前提下，降低水泥浆水化放热量是深水天然气水合物固井技术的关键。由于天然气水合物的组成可能在一个相对高的温度下产生分解，因此，深水低温天然气水合物地层的固井，需要水泥组分在水化过程中不发热，尽量降低水合物地层温度上升的程度，以此调节至地层低温和降低水化热。天然气水合物的特殊性决定了水化热超过天然气水合物分解温度时，天然气水合物和天然气的流道会释放气体而产生喷发事故。水合物分解可能导致地层变弱，井眼扩大、固井失败以及井眼清洁方面的问题；在生产过程中，水合物的分解可能会引起井口支撑减弱而下陷。

针对存在天然气水合物地层的固井作业，应该采用低水化放热水泥浆体系。要求水泥浆应具有低水化热、良好的防气窜性以及较快的低温强度发展情况。选择以低水化热的G级水泥为主料，添加增强剂来增加早期强度并加快强度发展，同时加入吸热材料控制水化热的研究方式，建立了一套能够满足深水水合物地层固井要求的水泥浆体系，配方如下：

1.50g／cm3水泥浆配方：100%G级水泥+60%海水+1.6%ACC-5+13%T60漂珠+10%STR增强剂+12%C16相变储能材料+3%CF415L分散剂+3%CG88L降失水剂。

1.40g／cm3水泥浆配方：100%G级水泥+68%海水+1.6%ACC-5+20%T60漂珠+10%STR增强剂+12%C16相变储能材料+3%CF415L分散剂+3%CG88L降失水剂。

1.60g／cm3水泥浆配方：100%G级水泥+55%海水+1.3%ACC-5+7%T60漂珠+10%STR增强剂+11%C16相变储能材料+3%CF415L分散剂+3%CG88L降失水剂。

1.70g／cm3水泥浆配方：100%G级水泥+50%海水+1.2%ACC-5+5%T60漂珠+10%STR增强剂+11%C16相变储能材料+3%CF415L分散剂+3%CG88L降失水剂。

1.30g／cm3水泥浆配方：100%G级水泥+82%海水+1.6%ACC-5+28%T60漂珠+10%STR增强剂+14%C16相变储能材料+3%CF415L分散剂+3%CG88L降失水剂。

低热水泥浆体系的密度可以在1.30～1.70g／cm3范围内任意调节；在加入吸热储能相变材料C16后，水泥浆浆体水化放热引起的温度升高能够有效降低，当C16加量为16%时，水泥浆的浆体放热温升能够有效控制在5℃以内；低热水泥浆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窜性能，能够很好地满足海洋深水天然气水合物层固井作业需求。因此，低热水泥浆体系构建应遵循如下原则。

1）低热水泥浆水化放热量控制

开发一种吸热储能相变材料，在水泥浆水化放热过程中，能够有限吸收水化释放热量，使封固水泥环保持在较低的温度波动，是构建深水固井低热水泥浆体系的关键。

吸热储能相变材料的主要作用是吸收水泥浆水化所释放的热量，在吸收了这些热量的情况下吸热储能相变材料本身的温度不能产生变化，这些要求与相变材料的功能是一致的，所以吸热储能相变材料的主要组分应由相变材料来承担。相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。以固-液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化过程中相变材料吸收并储存大量潜热。当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。

图5-15　不同水深环境下天然气水合物相态边界图

如图5-15所示，针对500～1 500 m深水环境，天然气水合物稳定存在的温度范围是7～20℃，所以选择相变材料相变温度应该控制在5～35℃，由于单一相变材料效果有限，所以选用复合相变材料来构建吸热储能相变材料。复合相变储热材料的应运而生，它既能有效克服单一的无机物或有机物相变储热材料存在的缺点，又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围。

2）低热水泥浆密度控制

水泥浆密度是一个重要参数，主要由水泥、水、外加剂和外掺料进行比例控制。为了满足施工安全，提高水泥浆的固结质量，通常需要考虑如下三方面因素：

（1）满足井下压力条件限制

静液柱压力必须大于地层孔隙压力，静液柱压力与流动阻力之和必须小于地层破裂压力。

（2）满足顶替效率的密度差要求

领浆＞前置液＞钻井液。可能的条件下，考虑密度差后者比前者大10%以上，通常0.12～0.24g／cm3，但密度越大，流动阻力也越大。一般情况下，尾浆密度＞领浆密度。但在长封固作业中，为了提高泥浆顶替效率，减少温差大带来顶部水泥浆强度发展太慢的目的，也常采用领浆密度＞尾浆密度的双凝水泥浆设计。

（3）满足水泥石强度和胶结要求

对于尾浆，特别是封隔油气层段的水泥浆，应尽量使用标准密度。非胶凝材料加重剂和减轻剂应尽量少加。对于导浆，特别是不用封隔油气层段的水泥浆，可采用搬土充填浆，降低液柱压力，加快现场施工的混注速度，降低材料成本。

3）低热水泥浆沉降稳定性控制

实践已证明，水泥浆的配方设计不合理，容易造成水泥浆固相颗粒沉降，析出自由水，导致套管环空桥堵或油气水窜流通道，特别是水平井和大斜度井更容易在井眼上侧形成连通的自由水带和在下侧形成固相沉降垫层，从而引起窜槽。

（1）沉降稳定性的表示方法

水泥浆的稳定性一般可用游离水量（水泥石的体积收缩量）、旋转黏度计转速递增和递减次序所测的同一转速下读数的比值、水泥柱的纵向密度分布和表示。

实际应用中，只要存在上述情况之一，都认为水泥浆是不稳定的，即垂直水泥柱存在较大的密度梯度，水泥浆静止2 h游离出较大的自由水。这两种现象单独发生，也可以同时出现。

（2）提高沉降稳定性的方法

理论研究结果表明：保持水泥浆稳定的最小静切力τs与密度差（ρ0-ρs）和粒径均方d2成正比，与浆体塑性黏度ηs成反比。因此，提高水泥浆稳定性就是降低游离水量和沉降量，主要方法是增加浆体黏度和静切力，合理级配外掺料。

①增加水泥浆黏度的方法。减少用水量（增加水泥或减轻剂）、增加固相物细度、加入增黏聚合物（一般受温度影响大）。

②增加水泥浆静切力（胶凝强度）的方法。一般可加入AlCl3、FeCl3和硫酸铝等。

③合理级配外掺料的方法。对于低密度水泥浆，颗粒太粗易使水泥浆产生沉淀，太细会增加水泥浆黏度。

深水低温低密度水泥浆的沉降稳定性可以通过适当地调节增强剂的粒径分布来实现。

4）低热水泥浆流变性控制

流变参数是描述水泥浆在外力作用下产生流动的特点的参数。它的合理描述和准确测量，直接影响准确计算注水泥过程的流动摩阻压力和有利于提高顶替效率的合理泵速。常用流变模式参数有PV、YP（宾汉），n、k（幂律），YP、n、k等。

水泥浆的流变学性质，不仅受其本身水化过程的影响，还受温度、压力、剪切时间、水灰比、外掺料和外加剂等的影响，在水泥浆配方设计过程中要充分考虑如何控制水泥浆流变。(www.daowen.com)

（1）温度的影响

一般情况下，温度对水泥浆流变性能有显著的影响，其影响的程度往往与外加剂体系有关。温度越高，PV、YP越低。

（2）压力的影响

一般情况下，压力对流变性能的影响不如温度明显。

（3）密度的影响

随着密度的增加，水泥浆的流变性能有较明显的影响。

5）低热水泥浆稠化时间控制

在注水泥过程中，随着水泥颗粒的不断水化，水泥浆的黏度会逐渐增加，直至不能流动。为了保证固井作业的施工安全，一定要事先测定出水泥浆在与井内相同温度和压力下的稠化时间，以这个时间作为施工作业时间的依据。

影响施工安全的最主要因素是水泥浆的稠化时间，而对稠化时间影响最大的是温度。针对深水表层套管大环空、长封固段固井的特点，水泥浆的用量也很大，冷却地层的流体多，因此试验温度要选取最低值。

针对深水表层由于地层环境温度较低，水泥浆稠化时间一般较长，水泥浆稠化时间的实现一般可以通过以下方法实现：

（1）加入缓凝剂

缓凝剂主要用来延长水泥浆的稠化时间。

（2）增加或减少早强剂的加量

一般情况下早强剂的加入能够有效地缩短水泥浆的稠化时间。对于低温水泥浆既需要加入早强剂又需要加入缓凝剂，水泥浆稠化时间的实现需要统筹考虑。

6）低热水泥浆抗压强度保证

固井注水泥的目的之一，就是在井壁与套管之间保持良好的封隔，在正常生产时间内的任何时候，都不允许地层流体或完井液通过水泥环在环空中流动。水泥石强度作用主要包括三方面的含义：承受地层压力、支撑套管和封隔地层。水泥浆的固结特性要保证水泥石与套管和地层之间的胶结质量，达到有效封隔地层，应考虑两个胶结特性：剪切胶结力和水力胶结力。

（1）剪切胶结力

剪切胶结力支撑套管的自重，胶结力一般通过测量水泥石与套管间开始产生移动时的作用力确定，用单位接触面积上所需作用力的大小表示。一般情况下，剪切胶结强度为抗压强度的10%～20%。值得注意的是，水泥环达到最大剪切胶结强度的时间与养护温度有关（如20℃为7 d，70℃为3 d），且最大剪切胶结强度的大小与表面粗糙度和温度有关（粗糙度增加最大胶结强度增加，温度升高最大胶结强度一般要降低）。

（2）水力胶结力

水力是阻止流体在环空中窜移的能力，一般通过测定套管与水泥环之间开始渗漏的压力确定。对于有效封隔地层来说，水力胶结强度比剪切胶结强度的作用更大。

针对深水表层固井水泥浆，水泥浆的抗压强度，往往是指水泥浆早期即24 h养护的抗压强度。以上胶结力的基础主要体现在水泥石强度上；水泥浆能够在足够短的时间内形成一定的抗压强度是保证环空有效封固的关键。深水表层固井水泥浆强度的实现，还需要高效促凝剂和增强剂来支撑。

5.5.2.3　深水巨厚盐膏层固井水泥浆体系

在深水巨厚盐岩层存在的情况下，固井作业将遇到极大的挑战，盐岩的溶解及蠕变、盐岩段的井眼状态对水泥浆的壁面胶结、水泥浆性能和固井作业的泵送和顶替过程产生较大的影响，甚至使得固井作业失败或无法继续。引起盐膏层固井难题复杂情况的主要原因有以下几点：

①固井过程中如何抑制盐岩层的塑性变形和蠕变流动问题。

②如何克服盐膏层中所含石膏层和钙芒硝的溶解膨胀问题。

③钻穿盐膏层特别是复合盐膏层时，如何防止盐的溶解、造成井壁坍塌问题。

④大段盐岩下部存在有泥页岩，如何提高泥页岩水泥环的胶结质量。

⑤盐膏层覆盖下异常压力带的固井难题。

因此，必须解决如下盐膏层固井技术难点，并开展相应技术对策。

1）固井过程中的盐溶解

在水泥浆泵送过程中，硬石膏和氯化钠等盐的大量溶解对水泥浆稳定性能产生了极大的影响，使固井作业无法进行，因此需要配制对盐具有极强抗侵污性能的水泥浆。试验表明：常规水泥浆体系若被10%盐污染，稠化时间延长30%，黏度提高100%，失水上升500%。如果污染大于10%，水泥浆的稠化时间将缩短一半以上。盐水中的大量无机化合物离子对水泥浆稠化的影响，在大部分的浓度范围内都显示一个促凝的趋势，但是，一旦氯化钠的浓度继续增加到很大的时候，就将变成一种缓凝的趋势。因此，需要有满足消除地层盐膏不断溶解对水泥浆性能影响的需要，虽然盐水水泥浆是在盐膏层固井中普遍采用的水泥浆体系，但是，已有的PVA、聚合物和弹性乳液水泥浆不能简单地用来配制更加稳定的盐膏层用水泥浆，要解决盐水水泥浆以及水泥石的性能满足固井作业的要求，就需要对水泥浆体系及外加剂针对陆地油田的作用特点进行设计和调整。

2）窄压力窗口以及薄弱地层对固井的影响

通过大量的资料调研与分析，大部分盐膏层井都存在严重的漏失和缩径，对于高密度盐水水泥浆来说，这是一对矛盾，一方面需要高密度水泥浆来压稳盐层，另一方面又不希望高密度水泥浆压漏地层，所以水泥浆的密度可供操作的窗口会很窄。在这种情况下，控制泵送过程的漏失，保证水泥浆的有效返高，保证水泥浆对钻井液的有效顶替，将变得更加困难。由于钻井过程中钻井液的漏失，采用方便的快凝触变性水泥浆进行漏失封堵，将显得更加重要。

3）盐含量对水泥浆性能的影响分析

盐对水泥石强度的影响，其变化并不是线性发展的，在低浓度下，氯化钠的加入将改善水泥石的强度，但是，继续增加氯化钠的浓度，将会对水泥石的强度产生不利的影响，一般氯化钠的浓度大约在3%将对水泥浆的稠化产生促凝作用，而对水泥石的强度产生增强的效果；而高盐浓度下强度严重衰减，甚至可能无法满足固井强度要求；除此之外，高密度的盐水水泥浆，在温度大于110℃的情况下，不仅高含量盐的存在对强度影响，而且加重剂和硅粉的加入降低了胶凝物质的总的浓度，使改善强度的努力面临更多的困难；与此同时，含盐膏层的钻井作业一般存在不太规则的井眼，井眼扩大是常见的现象，并且，在固井过程中，饱和或者欠饱和盐水水泥浆在温度上升的情况下，其溶盐能力提高。当它们通过盐岩层井段时，水泥浆中的游离液因盐含浓度低而溶解盐岩层，使井眼进一步扩大，同时形成水泥与盐岩层间隙，使之产生不均匀的外挤载荷。盐岩层、水泥环胶结强度与水泥浆的含盐量存在正比关系；当含盐量大于12.5%时，水泥石有微膨胀作用，饱和盐水水泥浆形成水泥石具有较低的渗透率，可降低地层矿化水的化学腐蚀程度。盐的溶解使井眼规则性受到的破坏增加了水泥浆和冲洗隔离液顶替钻井液的难度。

4）盐膏层的塑性变形

盐膏地层是一种塑性地层，具有蠕变特性。由于它的高度延展性能，当被钻开后，几乎可以传递其上覆地层的全部重量。若钻井液液柱压力不足以抑制住这种塑性流动，就会引起塑性变形使井径缩小。岩石的弹性变形也会引起缩径，但弹性变形时间短，且变形量小，而盐膏层在深部高温高压作用下，其蠕变特性会导致井眼不断缩小。

盐膏层的蠕变有初级蠕变（过渡蠕变）、次级蠕变（稳定蠕变）和第三级蠕变（不稳定蠕变）三个阶段（图5-16）。盐膏层开始蠕变速率很高，呈现出碎裂性，为岩石的初级蠕变阶段。随后蠕变速率逐渐减少或基本稳定，呈现出半高脆性破裂，进入到次级蠕变阶段。随着压力的增大，岩石继续变形进入第三级蠕变阶段，带来应力松弛效应，岩石呈现延展性流动或使地层破裂。针对盐膏层的塑性流动和蠕变，压稳、高强度是水泥环有效封固地层的关键。

图5-16　盐膏层蠕变曲线

5）盐膏层地层压力系统不平衡问题

由于受某种条件限制，不能下套管固井将盐膏层与上部和下部地层隔离开，加之盐膏层井段中存在多套压力系统地层，可能造成井喷、井漏和卡钻同时并存的复杂情况。合理设计井身结构，进行有效固井作业，是保证后续钻进持续进行的关键。

6）盐膏层固井漏失风险控制

要解决巨厚盐膏层固井问题，须采用过饱和盐水高密度水泥浆体系，而工程上采用的高密度水泥浆可能会压漏地层，水泥浆的漏失不仅造成钻井成本的增加，更可能造成固井作业失败。为有效防止固井过程中发生漏失，需要对地层承压能力进行测试，合理设计水泥浆密度，保证压稳防漏。

7）盐膏层中泥页岩的胶结问题

大段盐岩下部存在有泥页岩，要保证固井质量须提高泥页岩水泥环的胶结质量。泥页岩具有遇水膨胀的特点，提高胶结质量的关键就要控制水泥浆失水，确保水泥浆能够有效地抑制泥页岩膨胀，从而保证固井质量。

8）盐水浓度与水泥浆的胶结性能

盐膏层注水泥浆的目的是让进入套管与井壁间环空的水泥浆凝固产生强度支撑套管，并同各种成分的岩石黏结，以便控制盐膏层产生的各种复杂情况。为了使水泥浆的性质，如水泥浆的密度、稠化时间、流变性、滤失水、自由水含量与水泥石抗压强度、渗透性及其抗化学降解性等适应盐膏层的需要，给盐膏层井眼注水泥，特别需要好的水泥浆配方，因为水泥和盐层间很难达到平衡。如果达不到平衡状态，就造成盐溶解，碱金属运移进入水泥浆，将造成水泥浆延缓凝固、强度降低，水泥与盐层间的胶结很差。目前现场应用与盐膏层固井的水泥浆主要有两种：一是低含盐水泥浆，二是高含盐水泥浆。

（1）低含盐水泥浆体系

其优点是性能容易控制，配浆简单。但现场应用的过程中也存在不少缺点：

①必须控制水泥浆泵送速度，尽量避免冲蚀盐膏层。

②由于盐的溶解，泵送水泥浆和其凝固期间含盐量增加，水泥浆稠化时间将变得难以估计。

③低含盐水泥浆溶解井壁盐层，可能会造成水泥和盐膏岩之间出现小的间隙，使水泥与地层间胶结很一般。

虽然低含盐水泥浆改善了盐膏层注水泥的一些局限性，但这种技术不能令人满意，它只限用于少数特殊的实例中。另外，上述两种水泥浆都不适用于含镁的盐膏地层。对于含有不同程度镁的盐膏层，水泥浆配方要求满足：a.水泥浆的初始和最终抗压强度；b.可以调整水泥浆的稠化时间；c.水泥浆流变性；d.自由水特性；e.水泥浆可与镁盐相配伍；f.与上覆和下面不含盐地层的相适应性；g.使水泥和盐层之间的胶结极好。

（2）高含盐水泥浆体系

一般指含配浆水盐量在15%以上的水泥浆体系，包含半饱和水泥浆体系和饱和水泥浆体系。其主要优点是较好地控制了盐膏的溶解，即使存在溶解一般也不会对水泥浆体系造成太大影响，水泥浆的性能能够得到保证，水泥与地层将能够获得更好胶结。但这种含盐量高的水泥浆也有大量极为严重的缺点：

①水泥浆的稠化时间难以控制，因为水泥浆中含盐量高使水泥浆的稠化时间获得延缓，往往需要加入促凝材料。

②水泥浆的流变性很难与紊流状态相适应。

③高含盐水泥浆失水量大。

④高含盐水泥浆可能与盐膏层上面或下面某些地层不匹配。如碱性硅石反应，在某些砂岩地层和酸性火山岩中的非结晶硅石，结晶硅石同盐反应并生成膨胀的碱性硅酸盐，碱性硅酸盐可完全破坏地层和水泥浆。

⑤高含盐水泥浆还须解决可泵性和高密度性能的实现问题。

对于巨厚盐膏层固井水泥浆，国内外都进行了详细研究，其中一些研究发现也获得了专家们的一致认可：低浓度的盐水对水泥浆有促凝作用，3%～5%浓度的盐水促凝作用最为显著；盐浓度在12%～20%的盐水对水泥浆凝结时间影响较小，而浓度大于20%的盐水是水泥的缓凝剂。盐在较高的浓度时可以降低水泥浆的稠度（起到一定的分散作用），有利于实现低速紊流，提高固井质量，但在低含量时（盐水浓度为1%～3%）将使水泥浆稠度增加流动度下降。在一定的养护温度和时间下，随着盐掺量的增加，水泥石强度发展会逐渐变慢，且强度也随之降低，但胶结强度会有所改善。

9）深水盐膏层固井水泥浆设计应遵循原则

①能有效抑制盐膏层蠕变、盐溶和泥岩水化膨胀，以保证水泥浆性能的稳定。

②复合盐膏层尤其是含有芒硝及石膏的盐膏层，应特别注意水泥浆抗芒硝及石膏污染评价。

③采用过饱和盐水配置水泥浆，有效防止盐膏层中盐溶入水泥浆。

④高温条件下，尤其是高密度水泥浆，仍能保持良好的流变性能和安全施工时间。

⑤具有良好的抗盐、抗钙、抗泥浆侵入能力，失水、稠化时间可控和抗压强度要高。

⑥高温高压下仍具有较低的滤失量，能形成薄而韧、压缩性好的泥饼，保证胶结质量。

⑦应具备一定的抗气侵能力，防止地层酸性气体侵入、破坏水泥石以及套管的内部结构。

为方便现场调控施工，确保高密度过饱和盐水水泥浆体系在较高密度下依然具有良好的流变和失水性能，采用抗盐聚合物和抗盐乳液作为水泥浆降失水剂，选用性能优良的复合加重剂材料作为水泥浆加重剂，一方面能够保证固井过程中水泥浆性能稳定，另一方面有利于提高水泥浆顶替效率。经过抗盐处理剂的筛选、加重剂材料复配组合分析，拟定了高密度过饱和盐水水泥浆体系的基本组成，从而建立起一套适合于巨厚盐膏层固井的高密度过饱和盐水水泥浆体系，见表5-17。

表5-17　过饱和盐水水泥浆体系配方

注：表中，CG88L为抗盐聚合物降失水剂；MX为抗盐孔隙支撑剂；CD26F为水泥浆加重剂；EXP-1为膨胀剂；CF44L为分散剂；H21L为缓凝剂；GR1为弹性乳液；CX66L为消泡剂。

该水泥浆体系采用抗盐聚合物和抗盐乳液作为降失水剂，使用复合加重剂材料作为加重剂，水泥浆密度高达2.40g／cm3的情况下，依然能够具有自由水为零、稠化时间可调、24 h养护抗压强度大于14MPa、API失水量小于50 ml的性能。