空心微珠破碎率對水泥漿性能的影響

段志偉　侯亞偉　劉孟慧　王權瑜　馬春旭

【摘 要】空心微珠作為油田固井用低密度水泥漿的減輕材料運用十分廣泛。本文對目前常用的空心微珠在不同壓力下的破碎率進行了測定，分析了破碎率對稠化時間的影響。結果顯示：破碎率小于20%時，空心微珠的破碎對稠化時間的影響較小，以20%破碎率為界為控制指標，可以將現有的空心微珠進行分級，分別適用于不同的井況。

【關鍵詞】空心微珠；耐壓性能；破碎率；水泥漿；固井

目前，用于制備低密度水泥漿的減輕材料主要有膨潤土、硅藻土、粉煤灰、膨脹珍珠巖及空心微珠等。但除空心微珠外，其他各種減輕材料均有吸水增粘的特點，受材料密度的限制，制備的水泥漿密度不能夠太低，因此無法滿足現代固井工藝的長封固、低密度、高強度的要求[1]。

空心微珠，包括天然漂珠及人造玻璃微珠，具有質輕、空心、密閉、粒細、活性好的特點，具有其他減輕材料無法比擬的優良特性，制備的水泥漿體系甚至可低至1.0g/cm3以下，由于其優良的特性，使得空心微珠在低密度水泥漿中的應用越來越廣泛[2]。但是，現在還沒有有效的測定空心微珠在制備的低密度水泥漿中的破碎率的實驗方法，限制了空心微珠在不同井底壓力下的使用。

1 在水泥漿中破碎率測定方法

在購入空心微珠的過程中，一般廠家都會給出最高耐壓強度，但從未研究過空心微珠制備的低密度水泥漿在不同井況壓力下的密度變化，并且廠家給出的最高承受壓力也是單獨測定的微珠耐壓值，不具備普遍性。因此，需要通過建立一種實驗方法，驗證空心微珠與水泥漿混配后在加壓狀況下的耐壓性和破碎率能是否符合測定的規律。本文以天然漂珠P61、國產人造玻璃微珠P62、國產人造玻璃微珠P63、進口人造玻璃微珠P64、進口人造玻璃微珠P65作為研究范例展開。

1.1 實驗裝置與方法

1.1.1 實驗儀器

1）千德勒1910型高溫高壓養護釜；

2）自制的帶有可移動活塞的圓柱漿筒。

1.1.2 水泥漿配方

采用P61、P62、P63、P64、P65幾種空心微珠，分別制備了1.2g/cm3、1.56g/cm3密度水泥漿，采用制備的水泥漿在10MPa～80MPa進行壓力測試。制備的水泥漿配方見下表：

表1 不同空心微珠制備的水泥漿配方

1.1.3 試驗方法

按照API標準10B配制好水泥漿；將水泥漿倒入帶有活塞的量筒中，放置好活塞，然后整體放入千德勒1910型高溫高壓養護釜釜體中，安裝好釜蓋；等釜體充滿液壓油，用加壓泵加到需要的壓力；保持一定時間，釋放壓力，排空釜體，卸掉釜蓋，從釜體中取出帶有活塞的量筒中，打開量筒底部的堵頭，倒出漿體；使用密度計測量水泥漿的密度，反復多次（不少于5次）測量，求平均值，并記錄。

1.2 破碎率計算方法

根據實驗前的水泥漿密度和試驗后的水泥漿密度，空心微珠密度已知的情況下，可以通過計算得出空心微珠在水泥漿中不同壓力下的破碎率，計算公式如下：

ρ■=■

其中：ρ■為破碎后水泥漿的密度；

M■為除去漂珠以外水泥漿中其他物質的質量和；

M■為水泥漿中漂珠的質量；

V■為除去漂珠以外水泥漿中其他物質的體積和；

X為試驗后破碎的漂珠質量；

ρ■為破碎前純漂珠的密度；

ρ■為破碎后漂珠的密度。

根據以上公式，將已知量帶入，假設破碎后水泥漿的體積的變化完全是由漂珠的破碎引起的，并假設固液混合過程中，各相體積均保持不變，且水泥漿壓完恢復常壓后，水泥漿無恢復性膨脹?；谝陨霞僭O，我們可以得出各種漂珠的破碎率。

2 各種空心微珠在不同壓力下的破碎率

對幾種空心微珠制備的水泥漿在10MPa～80MPa之間進行了實驗，實驗方法如1.1中所示，在不同的壓力下，對各配方壓后密度進行測定，得出：

根據以上測得的密度值，采用1.2公式計算各空心微珠在不同壓力下的破碎率，得如下破碎率曲線圖3：

從圖2中可以看出，用同種空心微珠制備的1.2g/cm3和1.56g/cm3密度水泥漿，在相同的壓力下，具有近似相同的破碎率，驗證了測定方法的可靠性；以破碎率為20%作為分界點，我們可以得到五種漂珠的適用壓力，分別為P61為20MPa、P62為40MPa、P63為60MPa、P64為50MPa、P65大于80MPa，當然，在已知壓力情況下，可知其大概破碎率，從而根據公式可計算在該壓力下的水泥漿密度值，可作為漂珠應用的一個依據。

3 空心微珠破碎對稠化時間的影響

由于空心微珠在一定壓力作用下產生破碎，必然造成水泥漿密度的升高，使得對破碎的密度變化可能導致的水泥漿性能的變化的研究很有必要。通常情況下，對空心微珠制備的水泥漿的稠化時間都是配漿之后，直接放入稠化儀，按程序升溫升壓，得出水泥漿的稠化時間。在這個過程中，忽視了微珠破碎后，造成的體積減小，從而導致的稠化油對水泥漿的污染。通過對空心微珠水泥漿采用先壓10min，而后進行稠化實驗，與直接進行稠化的水泥漿進行對比。

圖4 P61的稠化時間對比

圖5 P62的稠化時間對比

由對比實驗結合破碎率可以看出，雖然隨壓力的升高，破碎率增大，稠化時間有不同程度的縮小，但在一定破碎率以下，正常稠化與預壓后稠化基本一致，可以正確的反應的稠化時間。只有當破碎率大于一定值時，預壓后的稠化時間比正常稠化有較大的縮小，即稠化的失真。對比粉煤灰漂珠和人造微珠，它們分別在20%～60%、20%～45%（由于壓力10MPa遞增，在此范圍內可能會有較大的破碎變動）出現了較大變化。可以認為在20%的破碎率以內，正常的稠化實驗可以反應井底破碎后的稠化時間?？梢詫⑵扑槁?0%作為衡量空心微珠使用條件的一個指標。

4 結論

1）通過對破碎率的測定，確定了不同空心微珠的適用壓力范圍，進而為空心微珠在水泥漿中在特定壓力下使用提供一定的經驗數據支持；

2）分析了破碎率對水泥漿稠化性能的影響，認為以20%破碎率作為衡量空心微珠使用條件的指標是合適的。

3）采用此方法雖基于一定的理想化條件假設，但可粗略建立一組不同壓力下的不同漂珠的使用范圍表，方便篩選漂珠的工作范圍和使用條件。

【參考文獻】

[1]張宏軍，楊亞新，林晶.高強度超低密度水泥漿體系的研究[J].鉆采工藝，2006， 29（6）：107-110.

[2]孫富全，侯微，勒建州，等.超低密度水泥漿體系設計和研究[J].鉆井液與完井液，2007，24（3）：31-34.

[3]羅楊，王強，許桂莉，等.一種超低密度高強度水泥漿配方的優選[J].鉆井液與完井液，2009，26（3）：52-55.