高溫地熱井超低密度鉆井液減輕材料的選擇技術研究

尹金偉

摘要：高溫地熱井在鉆井過程中往往出現嚴重漏失情況，為了減輕鉆井液漏失后對儲層的影響，需要研究超低密度鉆井液減輕材料，通過加入減輕材料能夠降低水泥漿密度。水泥漿密度降低后能夠降低漏失的發(fā)生，本文從減輕劑選擇的方法出發(fā)，優(yōu)選了空心微珠材料，并開展了減輕劑數學模型分析，分析了保持漿體的穩(wěn)定力學。最后根據肯尼亞的鉆井地層情況，依據減輕材料的的選材原則，選取了一種空心微珠作為減輕材料。

關鍵詞：高溫地熱井; 漏失;空心微珠; 減輕材料

1 前言

水泥漿密度的降低一般通過摻入低密度材料來實現，選擇減輕劑首先要根據水泥漿體系的密度要求和應用條件等進行綜合考慮。水泥漿減輕劑按其減輕原理劃為兩類，一類主要有：膨潤土、硅藻土、粉煤灰、硬瀝青、膨脹珍珠巖、火山灰、水玻璃以及一些超細粉末等，這一類減輕劑除硬瀝青外一般為一些吸水或增粘物質，其水泥漿密度大小主要取決于水灰比大小，而不是以減輕劑本身密度大小或摻量多少而定。由于在相同密度下這一類低密度水泥漿的水灰比較大，因而導致游離液含量較大、失水量較難控制、強度低、滲透率高，優(yōu)點是成本較低。另一類減輕劑主要是依靠減輕劑本身來降低水泥漿密度。這一類低密度水泥漿密度大小主要取決于減輕劑本身密度大小和摻量多少。一般說來，在相同密度下這一類低密度水泥漿水灰比較小，因而使水泥漿具有較低的游離液含量、相對高的強度和較低的滲透率。

超低密度固井水泥漿的密度幾乎要接近水的密度，但靠加入水量的方法很難達到預期的效果，而且如果通過增加水量的方法將水泥漿密度降至很低的程度，水泥漿強度、穩(wěn)定性等綜合性能會很差，因此應采用本身密度很低的減輕材料，即選擇第二類減輕材料。在第二類減輕材料中，選擇氣體做減輕材料，需要增加額外的現場混合設備，而且不能提高固含量并參與水泥的水化，對強度沒有任何的貢獻，所以選用本身密度較低的空心微珠作為水泥漿的減輕材料更為合適。

2 空心微珠材料的優(yōu)選

空心微珠主要有漂珠、陶瓷微珠、鈉硼珠等，其中，漂珠的來源比較廣泛。納米材料工業(yè)的發(fā)展對漂珠的深加工進行提供了優(yōu)化浮選技術，目前漂珠主要有40～80目，80～120目，120～200目，300目等產品。而目前在市場上銷售的鈉硼珠是一種人工合成的空心玻璃微珠，是由鈉硼硅酸鹽材料經過特殊工藝制成的薄壁、封閉的微球小體，球體內有一定的氣體，其具有低密度、低導熱、低吸油、粒度及化學組成可控等優(yōu)越性，是復合材料工業(yè)產品極好的填充劑。根據應用的不同可分為A型、B型、C型，粒度范圍10～250μm，堆積密度0.08～0.24g/cm3，抗破碎強度3～5MPa，而且壁厚和表面親水性可以調節(jié)。

在確定了減輕材料的類型后，還應當考慮到減輕材料的需水量、形態(tài)、粒徑等物理性能對水泥漿性能的影響。減輕材料的需水量是指減輕材料在水泥漿中潤濕表面并吸附自由水的最小水量。在低密度水泥漿中除了用于滿足膠凝材料和其他外摻料（包括增強劑、減輕劑等）的需水量的水外，還有大量的游離水存在，以控制水泥漿的流變性。在水泥漿中用于水化的水量是一定的，在保證水泥漿流變性的前提下，如果減輕材料的需水量增大，則整個體系的水固比增大。這對水泥漿的穩(wěn)定性，稠化時間和水泥石的強度發(fā)展都會帶來消極的影響，所以，減輕材料的需水量應盡可能的低。減輕材料的需水量一方面決定于其本身的表面性能，另一方面決定于它的比表面積。對于選定的減輕劑可以通過表面處理減少其對自由水的吸附，包括聚合物包裹、偶聯化等措施。降低比表面積方法則是將減輕劑處理成球形，這樣還可以在水泥漿中起到滾珠潤滑的作用，改善流動性。對于減輕材料粒徑的選擇，我們可以通過以下的分析得出。

3 減輕劑數學模型分析

水泥漿靜止后，期望水泥漿處于穩(wěn)定狀態(tài)地由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)——凝結硬化，即在侯凝過程中，漿體固相顆粒不發(fā)生分層和井眼環(huán)空中不產生回落，以達到預封固高度和封固質量。在超低密度水泥漿中，由于減輕劑本身具有很低的密度，其上浮趨勢明顯，水泥漿存在不穩(wěn)定趨向。在水泥漿的特性中，對穩(wěn)定性起重要作用的水泥漿漿體的靜切應力 和塑性粘度 ，當 和 匹配適當時，既能保證具有良好的流動性，滿足施工要求，又保證漿體的穩(wěn)定性。

在超低密度水泥漿中，由于減輕材料的摻量很大，膠凝材料所占的比重相對降低了很多，所以還要對減輕材料的化學成分與活性加以考慮。如果選擇的減輕材料為惰性材料，那么減輕材料對超低密度水泥石的強度性能不能產生貢獻，僅靠水泥很難獲得相對高的強度。前期研究的高強低密度水泥漿體系，選擇具有活性的減輕材料作為減輕劑，在水泥水化的過程中部分的參與水化反應，得到了與常規(guī)密度水泥漿相媲美的強度，其他性能也很優(yōu)良。所以，在超低密度水泥漿中選擇與水泥成分相近且具有活性的減輕材料是具有積極意義的。

4 減輕材料選擇

根據減輕材料的的選材原則，本文選取了一種空心微珠作為減輕材料。高性能空心玻璃微珠是一種中空的圓球粉末狀超輕質無機非金屬材料，是近年來發(fā)展起來的一種用途廣泛、性能優(yōu)異的新型輕質材料。

中空玻璃微珠真密度在0.125-0.60 g/m3，粒徑在5-180μm之間，具有質量輕、體積大、導熱系數低、抗壓強度高、分性能和流動性強、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

5 結束語

綜合上述分析，我們認為選擇超低密度水泥漿的減輕材料應遵循以下三點：

（1）能降低水泥漿水固比，提高水泥漿固相量，有利于實現緊密堆積，保持水泥漿漿體穩(wěn)定。

（2）減輕劑應盡量選擇顆粒尺寸較小的球形材料，在摻量的允許下，密度與漿體密度相接近。

（3）減輕材料的物理化學性能對水泥漿性能有貢獻。

參考文獻

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