超深水水合物浅层固井水泥浆体系评价及优化

杨凯宇，李龙瑞，刘嘉文，曾先进

（中海石油（中国）有限公司海南分公司，海南 海口 570100）

摘  要：超深水水合物浅层地层具有低温、窄压力窗口和热敏性强等特征，对固井水泥浆体系的低温适应性和热扰动控制提出了严苛要求。以低温早强水泥浆（PC-LoCEM)体系为研究对象，系统评价了其在低温强度发展、水化热释放及浆体稳定性方面的性能不足，并提出了“早强增强一热控协同”的优化策略。通过设计纳米SiO₂复合早强剂与相变储能微球协同体系，实现了低温强度与水化热的综合调控。研究结果表明，纳米SiO₂复合早强剂可显著促进低温下的早期水化反应，使4℃养护24h抗压强度由2.6MPa提高至6.5MPa;相变微球则有效削减水化热峰值，将峰温由64.1℃降低至42.6℃，并延缓峰值出现时间。优化后的体系在保持良好流变性与泵送性能的同时，析水率降至0.8%，钢一水泥石界面胶结强度提高至0.95MPa，表现出更强的抗窜与自愈能力。优化水泥浆体系在低温高强、控热稳定及封固性能方面均优于原体系，为超深水水合物浅层固井提供了一种具备可行性的技术路径。

关键词：超深水；水合物地层；低温水泥浆；水化热调控；早强剂

0 引言

天然气水合物因其储量丰富、分布广泛及清洁高效等特性，被普遍认为是未来极具潜力的战略性替代能源。然而，其赋存的超深水浅层地层具有典型的工程复杂性，一方面，地层温度普遍较低（2～10℃）、压力窗口极窄、岩性疏松、孔隙渗透性强；另一方面，水合物对温度与压力极为敏感，任何固井过程中因水化热集中释放或界面扰动引发的温压波动，均可能导致水合物分解，进而诱发井壁坍塌、气体窜流甚至平台失稳等严重工程风险。因此，在水合物区浅层固井环节，如何实现安全可控的封固过程已成为制约水合物资源开发的关键技术难题。

针对水合物赋存区浅层固井工况，水泥浆体系需具备以下核心性能要求：①在低温环境下能迅速形成足够强度，以确保井筒早期稳定性（低温早强性）；2、水化放热可控，避免超出水合物分解阀值温升（低放热性）；③保持良好的流变稳定性与泵送性能，保障环空顶替效率；④具备抗气窜、防漏失和界面封隔能力，维持井筒完整性与长期密封效果。

目前，工程上应用的PC-LoLET和PC-LoCEM等浅层低温固井水泥浆体系，在一定程度上改善了固井安全性，但其在极端低温的水合物井段仍存在明显不足。首先，早期强度发展缓慢，24h内难以形成有效承载骨架；其次，水化热峰值偏高，局部温升易诱发水合物分解；最后，浆体析水率较大，导致浆柱结构稳定性不足、界面胶结质量偏弱。这些问题严重制约了其在水合物敏感区域的应用效果。

基于此，以低温早强水泥浆（PC-LoCEM）体系为基础，系统评价其低温强度发展、水化热释放及浆体稳定性方面的性能短板，并提出“低温早强增强一水化热调控”的双策略优化思路。通过构建纳米SiO₂，复合早强剂与相变储能微球协同体系，并在模拟超深水工况下开展系统实验对比验证，形成一种兼具低温高强、控热稳定与良好界面封隔能力的新型固井水泥浆技术方案，为超深水水合物浅层固井的安全高效实施提供理论支撑与工程实践基础。

1 水泥浆体系性能评价

1.1 配方组成与评价指标

PC-LoCEM水泥浆体系设计密度为1.50g/cm²，核心组分包括G级水泥、分散剂、缓凝剂、低温早强剂、抗气窜剂及触变调控剂。

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