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[摘 要]深水钻井由于隔水管受海水冷却段较长，从井底返出来的高温泥浆或完井液、地层流体等冷却的过程或时间相应加长，对其返出流体性能不易控制。低温对钻井施工过程负面影响较大，可能导致套管中产生过高压力，造成泵压过高和高剪切速率下过高的井底压力。深水固井技术是深水油气资源开采的关键环节，我国对深水固井技术掌握与发达国家相比存在不小差距，用于固井的深水固井水泥浆还存在许多亟待解决的技术问题。
[关键词]海洋深水固井；水合物分解；水泥浆温度；稳定性
中图分类号：TH337 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）36-0277-01
在深水钻井作业中，低温可能导致水泥浆长期得不到凝固，并引起水泥浆的强度发展缓慢。常规的固井水泥无法满足低温高强的要求，需要进行适应性研究，对已有的材料进行适应性改进。本文从多方面探讨了海洋深水固井过程中水合物分解、浅流层、水化放热以及费用高等多个重要技术问题，对深水注水泥温度的确定、缩短候凝时间、加强水泥石的力学性能等方面提出了要求。
1 深水固井水泥浆的难点问题
（1）水合物分解问题。水合物是深海领域最主要的物质之一，容量体积较为庞大。它的主要物质是固化的甲烷，在高压和常温下（不高于18℃），水合物稳定存在。一旦有外力推动，导致水合物发生变化，发生分解，可直接导致从岩石中释放大量气体，在重力负载或海底地震条件下极易引发海底地质灾害，如海啸、海底滑坡等等。因此必须采取足够的安全措施。水合物遇热会发生分解，由此产生的气体是导致井眼扩大、水气窜流的直接原因。
（2）浅层流问题。浅层流是深井固井中需要考虑的一个重要因素。如果水泥浆静液柱产生的水力静压力较小，无法支撑地层流体的冲击，浅层的水流或气体就会冲破沉积层，侵入到环空，导致海床遭受破坏，形成较为严重的后果。据有关文献介绍，一般浅层流产生的窜流速度达10m3/min，如速率再高很可能造成海床下陷，冲毁整个钻井平台。因此在固井时需要对水泥浆的体系进行充分考虑，选择无自由液、无降沉的水泥浆，地层要用低密度体系等，防止窜流发生。
（3）水化放热问题。不同的水泥浆体系可得水泥浆水化放热的速率不尽相同。如果在深水固井时，不注意选择合适的水泥浆体系，会造成水泥浆水化放热变快，从而引发水泥浆整体温度升高。一旦水泥浆温度升高，水化速率就会加快，引起水合物的分解，最后在某处形成异常高压，容易造成井喷的危险情况。基于这一问题，不少专家开发了一系列水泥浆体系：如泡沫水泥、微珠水泥、液态交替填充水泥等，为解决水化放热问题提供了有力的理论途径。
（4）孔隙压力破裂压力窗口。对于相同沉积厚度的地层来说，随着水深的增加，地层的破裂压力梯度在降低，致使破裂压力梯度和地层孔隙压力梯度之间的窗口较窄，容易发生井漏等复杂情况。具有较低的破裂压力梯度。
海床以下的地层，主要是地质条件疏松的泥岩和页岩，这样的地层的破裂压力梯度本身就很低，再加上海水液柱的压力，使得地层难以支撑，而使地层压漏，容易发生钻井液和水泥浆的大量漏失。泥线以下的地层，其破裂压力梯度较低，而泥线下地层的孔隙压力相对较高，使得孔隙压力与破裂压力之间的安全作业压力窗口较窄，无论对于钻井液还是水泥浆来说，在一个具有窄压力窗口的情况下调整钻井液和水泥浆的密度和设计钻井液和水泥浆的施工泵送参数都遇到了较大的挑战，流体密度略高，地层可能被压漏，流体密度略低，地层孔隙流体将进入井眼环空，给施工作业带来风险，因此，对钻井液和水泥浆的密度设计以及现场作业控制提出了更高的要求。
2 海洋深水作业对固井提出的挑战
（1）预测深水固井水泥浆的温度。温度对水泥浆有着重要的作用。温度一般分为井底静态温度和井底循环温度。在不同温度下，水泥凝结的时间和抗压强度会发生巨大变化，同时也会导致水泥浆的流动性、失水性变弱。根据有关资料，目前确定注水泥浆的温度由以下计算公式决定：首先确定井底静止温度（井底静止温度=地表温度+地温梯度×井深），然后根据循环温度和井底静止温度间的关系求解出井底的循环温度。虽然该公式可以求解出深水固井水泥浆的温度，但与实际情况的温度值相差较大，主要原因是由海流、海水深度以及井口尺寸等变动因素造成的。因此亟待解决使用高新科技手段确定深水固井水泥浆温度的问题。
（2）缩短候凝时间（WOC）。温度不仅影响着水泥浆的注入温度，还决定着水泥水化作用速率的快慢。如低于一定的温度，水泥水化作用变慢，凝结时间将延长。这种情况下，水泥石抗压强度变弱，很容易支撑不住套管的重量，导致建井时间周期延长，无疑增加了建井成本。因此，选择合适的水泥浆体系有助于缩短候凝时间，保证工期顺利完成。
（3）水泥石应具有优异的力学性能。在油田开采过程中，一些油气层会流出较大的热流，导致套管膨胀。套管膨胀引起水泥环柱挤压那些可变形的松软地层，从而产生径向裂纹，造成浅层水、气发生流窜。因此水泥石不仅要有较小的体积、抗压性和渗透性，更要具有可变形性。通过多次试验，发现水泥石的强度达到0.331MPa时，完全可以支撑井口的控制并具備优异的力学性能。
（4）高效清除钻井滤饼。提高固井的强度一个必不可少的步骤是清除钻井的滤饼。目前，许多顶替理论和施工措施已运用于清除钻井滤饼的实践，效果相对比较理想。但这些方法使用的范围仅限一定深度的井口，对于深水固井还有待研究，特别是在松软、未固结的地层情况下。如果仅考虑使用旋流洗井和划眼施工措施，常会出现不规则的井眼和坍塌现象。因此前置液和水泥浆的流变性、顶替性能尚需进一步改善。
（5）缩短“过渡时间”。低温同样会延长水泥浆由液态转变为固态的过渡时间。由于凝膠作用，使得水泥柱连接在井壁和套管上，对下面地层的效应压力减小，从而引发浅层的水、气流入水泥浆。为防止流体窜流，目前的共识是尽可能缩短水泥浆胶凝强度从48Pa到240Pa的“过渡时间”，并且时间越短越好。国外深水固井防窜水泥浆体系的“过渡时间”为20min左右。
3 解决方法
（1）研究水合物稳定性的特性曲线。为设计适应深水水合物层固井水泥浆体系，必须找到相应的水合物稳定性特性曲线。为准确绘制出天然气水合物稳定性特性曲线，必须以大量的现场深水温度和压力数据为基础，通过比对，找出水合物稳定性随温度和压力变化的规律并用于指导深水水合物层固井水泥浆设计。
（2）固井材料体系研究。目前较为先进的用于深水固井的材料体系分别为低温泡沬水泥浆体系和低温低密度水泥浆体系。其中低温泡沫水泥浆体系是发展较迅速的一种材料，它具有过渡时间短、候凝时间少，可有效抑制浅层流窜流发生的特点，但在施工工艺上存在较大难度，该材料是今后研究的重点。文献[2]中采用了两种水泥浆对低温低密度水泥浆进行设计，实验结果表明，该种水泥浆体系满足在深水固井中的需要。同时，研制适用于低温、无缓凝副作用的降失水剂和分散剂以及防止浅层窜流的外加剂也是今后的重点研究对象。
（3）防止浅层气窜的机理和方法研究。由于固井后天然气发生分解，气窜可能发生在含有较大的天然气水合物区域的深海环境中，这一点已有井下摄影机拍摄的实况证实。此时分两种情况：一种是水合物分解不严重，气体流动将随着时间的推移而减少；另一种是因环境变差，气窜发生的更加严重。气窜的发生与环空中的水泥浆体系水化热对温度的影响、温度的变化等紧密相关，因此，研究防止水合物层气窜的机理和方法，研究配制一种液体以阻止气窜发生，是非常重要的。
4 结束语
本文从多方面探讨了深水固井过程中水合物分解、浅流层、水化放热以及费用高等多个重要技术问题，对深水注水泥温度的确定、缩短候凝时间、加强水泥石的力学性能等方面提出了要求。海洋深水固井应当以准确预测深水注水泥的温度为前提，以深水固井材料体系的研究为基础，加强浅层气窜的研究，以便为实现海洋深水油气的开采提供理论指导。
参考文献
[1] 石油钻井技术及固井技术的发展[J].陈飞.化工管理.2017（18）.
[2] 油田固井技术研究与应用现状及前景探讨[J].董世志，赵元伟.河南科技.2014（01）.
[关键词]海洋深水固井；水合物分解；水泥浆温度；稳定性
中图分类号：TH337 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）36-0277-01
在深水钻井作业中，低温可能导致水泥浆长期得不到凝固，并引起水泥浆的强度发展缓慢。常规的固井水泥无法满足低温高强的要求，需要进行适应性研究，对已有的材料进行适应性改进。本文从多方面探讨了海洋深水固井过程中水合物分解、浅流层、水化放热以及费用高等多个重要技术问题，对深水注水泥温度的确定、缩短候凝时间、加强水泥石的力学性能等方面提出了要求。
1 深水固井水泥浆的难点问题
（1）水合物分解问题。水合物是深海领域最主要的物质之一，容量体积较为庞大。它的主要物质是固化的甲烷，在高压和常温下（不高于18℃），水合物稳定存在。一旦有外力推动，导致水合物发生变化，发生分解，可直接导致从岩石中释放大量气体，在重力负载或海底地震条件下极易引发海底地质灾害，如海啸、海底滑坡等等。因此必须采取足够的安全措施。水合物遇热会发生分解，由此产生的气体是导致井眼扩大、水气窜流的直接原因。
（2）浅层流问题。浅层流是深井固井中需要考虑的一个重要因素。如果水泥浆静液柱产生的水力静压力较小，无法支撑地层流体的冲击，浅层的水流或气体就会冲破沉积层，侵入到环空，导致海床遭受破坏，形成较为严重的后果。据有关文献介绍，一般浅层流产生的窜流速度达10m3/min，如速率再高很可能造成海床下陷，冲毁整个钻井平台。因此在固井时需要对水泥浆的体系进行充分考虑，选择无自由液、无降沉的水泥浆，地层要用低密度体系等，防止窜流发生。
（3）水化放热问题。不同的水泥浆体系可得水泥浆水化放热的速率不尽相同。如果在深水固井时，不注意选择合适的水泥浆体系，会造成水泥浆水化放热变快，从而引发水泥浆整体温度升高。一旦水泥浆温度升高，水化速率就会加快，引起水合物的分解，最后在某处形成异常高压，容易造成井喷的危险情况。基于这一问题，不少专家开发了一系列水泥浆体系：如泡沫水泥、微珠水泥、液态交替填充水泥等，为解决水化放热问题提供了有力的理论途径。
（4）孔隙压力破裂压力窗口。对于相同沉积厚度的地层来说，随着水深的增加，地层的破裂压力梯度在降低，致使破裂压力梯度和地层孔隙压力梯度之间的窗口较窄，容易发生井漏等复杂情况。具有较低的破裂压力梯度。
海床以下的地层，主要是地质条件疏松的泥岩和页岩，这样的地层的破裂压力梯度本身就很低，再加上海水液柱的压力，使得地层难以支撑，而使地层压漏，容易发生钻井液和水泥浆的大量漏失。泥线以下的地层，其破裂压力梯度较低，而泥线下地层的孔隙压力相对较高，使得孔隙压力与破裂压力之间的安全作业压力窗口较窄，无论对于钻井液还是水泥浆来说，在一个具有窄压力窗口的情况下调整钻井液和水泥浆的密度和设计钻井液和水泥浆的施工泵送参数都遇到了较大的挑战，流体密度略高，地层可能被压漏，流体密度略低，地层孔隙流体将进入井眼环空，给施工作业带来风险，因此，对钻井液和水泥浆的密度设计以及现场作业控制提出了更高的要求。
2 海洋深水作业对固井提出的挑战
（1）预测深水固井水泥浆的温度。温度对水泥浆有着重要的作用。温度一般分为井底静态温度和井底循环温度。在不同温度下，水泥凝结的时间和抗压强度会发生巨大变化，同时也会导致水泥浆的流动性、失水性变弱。根据有关资料，目前确定注水泥浆的温度由以下计算公式决定：首先确定井底静止温度（井底静止温度=地表温度+地温梯度×井深），然后根据循环温度和井底静止温度间的关系求解出井底的循环温度。虽然该公式可以求解出深水固井水泥浆的温度，但与实际情况的温度值相差较大，主要原因是由海流、海水深度以及井口尺寸等变动因素造成的。因此亟待解决使用高新科技手段确定深水固井水泥浆温度的问题。
（2）缩短候凝时间（WOC）。温度不仅影响着水泥浆的注入温度，还决定着水泥水化作用速率的快慢。如低于一定的温度，水泥水化作用变慢，凝结时间将延长。这种情况下，水泥石抗压强度变弱，很容易支撑不住套管的重量，导致建井时间周期延长，无疑增加了建井成本。因此，选择合适的水泥浆体系有助于缩短候凝时间，保证工期顺利完成。
（3）水泥石应具有优异的力学性能。在油田开采过程中，一些油气层会流出较大的热流，导致套管膨胀。套管膨胀引起水泥环柱挤压那些可变形的松软地层，从而产生径向裂纹，造成浅层水、气发生流窜。因此水泥石不仅要有较小的体积、抗压性和渗透性，更要具有可变形性。通过多次试验，发现水泥石的强度达到0.331MPa时，完全可以支撑井口的控制并具備优异的力学性能。
（4）高效清除钻井滤饼。提高固井的强度一个必不可少的步骤是清除钻井的滤饼。目前，许多顶替理论和施工措施已运用于清除钻井滤饼的实践，效果相对比较理想。但这些方法使用的范围仅限一定深度的井口，对于深水固井还有待研究，特别是在松软、未固结的地层情况下。如果仅考虑使用旋流洗井和划眼施工措施，常会出现不规则的井眼和坍塌现象。因此前置液和水泥浆的流变性、顶替性能尚需进一步改善。
（5）缩短“过渡时间”。低温同样会延长水泥浆由液态转变为固态的过渡时间。由于凝膠作用，使得水泥柱连接在井壁和套管上，对下面地层的效应压力减小，从而引发浅层的水、气流入水泥浆。为防止流体窜流，目前的共识是尽可能缩短水泥浆胶凝强度从48Pa到240Pa的“过渡时间”，并且时间越短越好。国外深水固井防窜水泥浆体系的“过渡时间”为20min左右。
3 解决方法
（1）研究水合物稳定性的特性曲线。为设计适应深水水合物层固井水泥浆体系，必须找到相应的水合物稳定性特性曲线。为准确绘制出天然气水合物稳定性特性曲线，必须以大量的现场深水温度和压力数据为基础，通过比对，找出水合物稳定性随温度和压力变化的规律并用于指导深水水合物层固井水泥浆设计。
（2）固井材料体系研究。目前较为先进的用于深水固井的材料体系分别为低温泡沬水泥浆体系和低温低密度水泥浆体系。其中低温泡沫水泥浆体系是发展较迅速的一种材料，它具有过渡时间短、候凝时间少，可有效抑制浅层流窜流发生的特点，但在施工工艺上存在较大难度，该材料是今后研究的重点。文献[2]中采用了两种水泥浆对低温低密度水泥浆进行设计，实验结果表明，该种水泥浆体系满足在深水固井中的需要。同时，研制适用于低温、无缓凝副作用的降失水剂和分散剂以及防止浅层窜流的外加剂也是今后的重点研究对象。
（3）防止浅层气窜的机理和方法研究。由于固井后天然气发生分解，气窜可能发生在含有较大的天然气水合物区域的深海环境中，这一点已有井下摄影机拍摄的实况证实。此时分两种情况：一种是水合物分解不严重，气体流动将随着时间的推移而减少；另一种是因环境变差，气窜发生的更加严重。气窜的发生与环空中的水泥浆体系水化热对温度的影响、温度的变化等紧密相关，因此，研究防止水合物层气窜的机理和方法，研究配制一种液体以阻止气窜发生，是非常重要的。
4 结束语
本文从多方面探讨了深水固井过程中水合物分解、浅流层、水化放热以及费用高等多个重要技术问题，对深水注水泥温度的确定、缩短候凝时间、加强水泥石的力学性能等方面提出了要求。海洋深水固井应当以准确预测深水注水泥的温度为前提，以深水固井材料体系的研究为基础，加强浅层气窜的研究，以便为实现海洋深水油气的开采提供理论指导。
参考文献
[1] 石油钻井技术及固井技术的发展[J].陈飞.化工管理.2017（18）.
[2] 油田固井技术研究与应用现状及前景探讨[J].董世志，赵元伟.河南科技.2014（01）.