复合空心微珠低密度水泥浆的研究与应用

刘学鹏张明昌冯明慧刘 伟丁士东韩进东

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.中国石油海洋工程有限公司钻井事业部，天津 300451）

复合空心微珠低密度水泥浆的研究与应用

刘学鹏1张明昌1冯明慧2刘 伟1丁士东1韩进东2

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.中国石油海洋工程有限公司钻井事业部，天津 300451）

低压易漏地层在固井过程中易发生漏失，因此固井时要求降低水泥浆密度。以漂珠和空心玻璃微珠复合作为密度减轻材料，根据颗粒级配紧密堆积理论，以水泥、稳定剂DZW以及其他各种外加剂进行合理配比，设计出一种密度为1.28 g/ cm3的低密度水泥浆。性能评价结果表明：该体系满足沉降稳定性要求，流动性好，65 ℃下滤失量小于50 mL，24 h抗压强度大于14 MPa。现场应用结果表明，复合空心微珠低密度水泥浆体系能够有效解决低压易漏地层固井漏失问题。

固井；低密度水泥浆；减轻剂；漂珠；空心玻璃微珠

目前，固井普遍应用的低密度水泥浆减轻剂有漂珠、粉煤灰、空心玻璃微珠等［1-3］。粉煤灰作为密度减轻材料，浆体的密度能降至1.50 g/cm3左右［3］，但密度更低的稳定成熟的粉煤灰低密度水泥浆体系相对难以调整。漂珠具有质轻、空心、密闭、粒细、活性好等特点，但单独使用抗压能力有限［4］。空心玻璃微珠具有质量均一、抗压强度高、流动性好等特点［2］，但价格较高。本文针对低密度水泥浆应用日益增多及现阶段常用的一些低密度固井水泥浆存在的问题，以漂珠和空心玻璃微珠复合使用作为密度减轻材料，根据颗粒级配紧密堆积理论，以水泥、稳定剂DZW以及其他各种外加剂进行合理配比，设计出一种固井用低密度水泥浆并应用于现场，取得了良好的结果，同时降低了固井工程作业成本。

1 漂珠和空心玻璃微珠的特点

漂珠是一种从粉煤灰漂浮物中筛选出来的物质， 在常压下密度大约为0.7 g/cm3， 是优良的耐热超低密度材料。漂珠为细小的空心圆球，但质量不稳定，单独使用承压能力有限，在一定的压力条件下，水泥浆中的水进入空心圆球内部或漂珠被压碎，会造成水泥浆密度一定程度的增加［4］。

空心玻璃微珠是一种人工烧结的中空圆球细粉状轻质无机非金属材料，是近年发展起来的一种用途广泛、性能优异的新型轻质材料，它具有质量轻、体积大、导热系数低、抗压强度高、流动性好等特点。空心玻璃微珠与漂珠相比，有极高的强度密度比，耐高压，在井下压力下不会破碎，但价格较高［2］。

2 水泥浆体系设计

采用漂珠和空心玻璃微珠复合作为减轻剂。减轻材料颗粒直径比水泥直径大，其中漂珠的密度约为0.70 g/cm3，颗粒直径60~200 μm，承压能力30~35 MPa；空心玻璃微珠密度约为0.60 g/cm3，颗粒直径5~70 μm，承压能力60~65 MPa。选用悬浮稳定材料DZW，具有增加水泥石强度和提高水泥浆浆体稳定性的作用，颗粒直径在0.1~10 μm之间，几种材料与水泥按一定比例混合可减轻密度，形成良好的空间堆积，符合颗粒级配堆积原理。这些材料具有较大的比表面积和反应活性，能提高并加速水泥矿物熟料的水化程度，提高水泥浆体的反应速度，加速水泥浆的硬化，提高低密度水泥石早期强度。其中悬浮稳定材料DZW部分可以充填于水泥石结构的空隙和裂缝中，形成致密的水泥石，进一步增强水泥石的强度。配方优选需要注意以下问题［5-6］：（1）水泥浆在一定的条件下，浆体不发生分层，形成的水泥石纵向密度分布要基本一致，游离液少、体积收缩小；（2）选择减轻剂的类型和级别粒径，不能盲目增大用水量，用水量应严格控制在所选择减轻剂的最大允许范围内；（3）不能盲目追求水泥浆的流变性能和滤失量控制，而损害水泥浆的抗压强度和稳定性；（4）选择不同粒径的低密度材料紧密堆积并辅以外加剂，以提高早期强度。

3 实验材料及仪器

嘉华G级高抗硫酸盐水泥，四川嘉华水泥厂；漂珠、空心玻璃微珠、稳定剂DZW、降失水剂FSAM、降失水剂DZJY、分散剂DZS、缓凝剂DZH1、早强剂DZC，中石化石油工程技术研究院。

变速搅拌器，压力试验机，8240型高温高压稠化仪，7120型高温失水仪，美国千德乐工业仪器公司；OWC-9350A型常压稠化仪，沈阳航空工业学院应用技术研究所；DNN-D6型六速旋转黏度计，数显密度计，青岛海通达专用仪器厂；OWC-118型双温强度养护箱，沈阳航空工业学院应用技术研究所。

水泥浆的配制、养护以及各项性能测试，按照API规范推荐方法进行。

4 低密度水泥浆性能

4.1 流变性

用漂珠和空心玻璃微珠配制的1.28 g/cm3水泥浆配方见表1，流变性能见表2。表1中的总水为水、降滤失剂、分散剂、早强剂和缓凝剂的总质量。由表2可看出，低密度水泥浆流性指数n值大于0.7，稠度系数K值比较高，表明水泥浆中的水泥、漂珠、空心微珠和稳定剂等材料之间能形成稳定的网架结构，可以阻止水泥浆中易沉降颗粒的沉降和空心微珠的上浮，从而保持良好的稳定性［7-8］。

表1 1.28 g/cm3低密度水泥浆配方

表2 不同体系低密度水泥浆流变性能

4.2 滤失量及稠化性能

表1配方水泥浆滤失量（65 ℃）及稠化性能（65℃、40 MPa、30 min）见表3。可以看出，漂珠、空心玻璃微珠与水泥浆的配伍性较好，配制的水泥浆的性能满足施工要求。

表3 低密度水泥浆的滤失量及稠化性能

4.3 稳定性

漂珠和空心玻璃微珠的密度仅为0.60 g/cm3左右，与水泥的密度差异较大，配置水泥浆的稳定性差。为此，选用了稳定剂DZW，它能使水泥浆形成具有致密网架结构的悬浮体系，以增加水泥浆的黏度，使水泥浆保持良好的稳定性。同时，由于漂珠和空心玻璃微珠为空心易破碎减轻材料，配浆时为防止其被搅拌器打碎，采用搅拌器固定转速4 000 r/ min进行搅浆，搅浆时间50 s。

表4给出4种水泥浆体系在加压前后的浆体平均密度变化（实验条件65 ℃、40 MPa、60 min）、游离液和沉降稳定性数据。

表4 低密度水泥浆的承压性能

如表4所示，1号空心玻璃微珠浆经过加压后基本没有破碎，承压性能良好；2号漂珠浆经过加压后破碎明显，承压性能差；漂珠和空心玻璃微珠的混合浆（3号、4号）加压后有少许破碎，密度升高较少，且空心玻璃微珠含量高的3号较4号密度升高得少。1号、3号和4号浆的游离液均为0.1~0.2 mL左右，水泥浆最大密度差为0~0.01 g/cm3；2号纯漂珠水泥浆的游离液量为0，水泥浆最大密度差为0.02 g/cm3。结果表明，1号、3号和4号浆承压强度好，游离液和沉降稳定性符合要求，浆体能够满足固井施工要求；其中3号和4号浆为漂珠和空心玻璃微珠的混合浆，减少了空心玻璃微珠的使用量，降低了固井材料成本，较为经济。

4.4 水泥石抗压强度

低密度水泥浆中的稳定剂DZW能够提高水泥石的抗压强度，4种不同低密水泥石的强度见表5。结果表明，低密度水泥石均有较好的强度。

表5 不同水泥浆在不同温度下的抗压强度

5 现场应用

彭页HF-4井为渝东南地区彭水区块页岩气水平探井，设计垂深2 384.24 m，设计斜深3 667.54 m。三开Ø215.9 mm钻头钻至3 652.00 m，Ø139.7 mm套管下至3 645.38 m；A靶点垂深2 059.00 m， 斜深2 201.50 m；B靶点垂深2 373.00 m， 斜深3 652.00 m。

该井在钻进至目标层位龙马溪组时漏失较为严重，降低循环油基钻井液密度至1.25g/cm3，并加入刚性封堵剂与页岩封堵剂控制住漏失。下套管后小排量顶通，再逐步增大排量并循环一周后，在固井施工前逐步筛除堵漏材料，固井施工中的防漏任务尤为艰巨。本次固井采用驱油型前置液，双凝水泥浆结构，领浆采用1.28 g/cm3的漂珠和空心玻璃微珠复合低密度水泥浆体系封固；尾浆采用常规密度1.89 g/ cm3的弹韧性水泥浆体系，返至A靶点200 m以上。施工结束候凝72 h后测井，结果显示，水平段封固优质率达到90%以上，直井段合格率达到95%以上，固井质量综合评定为优质，在降低固井成本的同时保证了固井质量。

6 结论

（1）利用颗粒级配原理，优化了水泥与漂珠和空心玻璃微珠复合低密度充填材料之间的粒度分布，减少了材料颗粒之间的空隙，大大改善了水泥浆体系的整体性能，尤其是水泥石的强度。

（2）现场应用结果表明，漂珠-空心玻璃微珠复合低密度水泥浆体系适合渝东南地区的地质特点，能解决该地区的固井漏失问题， 保证了该地区的固井质量，为低压易漏井固井提供了一条新途径。

［1］SABINS Fred.降低固井水泥浆密度的新技术［J］.钻井液与完井液，2006，23（4）：47-49.

［2］滕兆健，邢秀萍，常燕.空心玻璃微珠低密度水泥浆的初步研究［J］.钻井液与完井液，2011，28（S0）：23-25.

［3］万伟，洛边克哈，陈大钧.超低密度高强度水泥浆体系的研究［J］.钻采工艺，2008，31（5）：125-128.

［4］桑来玉，张红卫.漂珠低密度水泥浆性能的影响因素分析研究［J］.西部探矿工程，2008（9）：91-94.

［5］焦建芳，邓建民，陈英．恒密度超低密度水泥浆室内研究［J］.钻井液与完井液，2008，25（2）：43-45.

［6］张宏军.中空玻璃微球超低密度水泥浆体系评价与应用［J］.石油钻采工艺，2011，33（6）：41-44.

［7］沙林浩，李立荣，高永会，等.一种可替代漂珠的低度材料［J］.钻井液与完井液，2006，23（6）：55-60.

［8］罗杨，王强，许桂莉，等.一种超低密度高强度水泥浆配方的优选［J］.钻井液与完井液，2009，26（3）：52-55.

（修改稿收到日期 2014-10-13）

〔编辑 朱 伟〕

Research and application of composite hollow microbead low density cement slurry

LIU Xuepeng1, ZHANG Mingchang1, FENG Minghui2, LIU Wei1, DING Shidong1, HAN Jingdong2
（1.Research Institute of Petroleum Engineering,SINOPEC,Beijing100101,China;2.Drilling Division,CNPC Offshore Engineering Co.Ltd.,Tianjin300451,China）

Lost circulation may easily occur in low pressure leaking-prone formation during cementing, so cement slurry density needs to be reduced while cementing.Using floating beads and hollow glass microbeads jointly as density lightening material and properly matching cement, stabilizer DZW and various other additives according to theory of close packing of grain composition, a low density cement slurry was designed–with a density of 1.28 g/cm3.The result of performance evaluation shows that this system can meet the requirement of settling stability, has good flowability and its filtration at 65 ℃ is less than 50 mL and its 24 h compression strength is greater than 14 MPa.Results of field application show that this composite hollow micro-bead low density cement slurry system can effectively address the problem of lost circulation in low pressure leaking-prone formation during cementing.

cementing;low density cement slurry;lightening agent;floating bead;hollow glass microbead

刘学鹏，张明昌，冯明慧，等.复合空心微珠低密度水泥浆的研究与应用［J］.石油钻采工艺，2014，36（6）：39-41.

TE256

：B

1000–7393（2014） 06–0039– 03

10.13639/j.odpt.2014.06.010

国家科技重大专项“海相气井固井完井技术”（编号：2011ZX05005-006-004）和中石化科技部攻关项目“温度广谱型油井水泥缓凝剂和降失水剂开发”部分研究内容。

刘学鹏，1982年生。2010年毕业于中国科学院胶体与界面化学专业，主要从事固井化学品和材料开发，博士，高级工程师。E-mail：lxpfj@tju.edu.cn。