空心微珠破碎率对水泥浆性能的影响

段志伟　侯亚伟　刘孟慧　王权瑜　马春旭

【摘 要】空心微珠作为油田固井用低密度水泥浆的减轻材料运用十分广泛。本文对目前常用的空心微珠在不同压力下的破碎率进行了测定，分析了破碎率对稠化时间的影响。结果显示：破碎率小于20%时，空心微珠的破碎对稠化时间的影响较小，以20%破碎率为界为控制指标，可以将现有的空心微珠进行分级，分别适用于不同的井况。

【关键词】空心微珠；耐压性能；破碎率；水泥浆；固井

目前，用于制备低密度水泥浆的减轻材料主要有膨润土、硅藻土、粉煤灰、膨胀珍珠岩及空心微珠等。但除空心微珠外，其他各种减轻材料均有吸水增粘的特点，受材料密度的限制，制备的水泥浆密度不能够太低，因此无法满足现代固井工艺的长封固、低密度、高强度的要求[1]。

空心微珠，包括天然漂珠及人造玻璃微珠，具有质轻、空心、密闭、粒细、活性好的特点，具有其他减轻材料无法比拟的优良特性，制备的水泥浆体系甚至可低至1.0g/cm3以下，由于其优良的特性，使得空心微珠在低密度水泥浆中的应用越来越广泛[2]。但是，现在还没有有效的测定空心微珠在制备的低密度水泥浆中的破碎率的实验方法，限制了空心微珠在不同井底压力下的使用。

1 在水泥浆中破碎率测定方法

在购入空心微珠的过程中，一般厂家都会给出最高耐压强度，但从未研究过空心微珠制备的低密度水泥浆在不同井况压力下的密度变化，并且厂家给出的最高承受压力也是单独测定的微珠耐压值，不具备普遍性。因此，需要通过建立一种实验方法，验证空心微珠与水泥浆混配后在加压状况下的耐压性和破碎率能是否符合测定的规律。本文以天然漂珠P61、国产人造玻璃微珠P62、国产人造玻璃微珠P63、进口人造玻璃微珠P64、进口人造玻璃微珠P65作为研究范例展开。

1.1 实验装置与方法

1.1.1 实验仪器

1）千德勒1910型高温高压养护釜；

2）自制的带有可移动活塞的圆柱浆筒。

1.1.2 水泥浆配方

采用P61、P62、P63、P64、P65几种空心微珠，分别制备了1.2g/cm3、1.56g/cm3密度水泥浆，采用制备的水泥浆在10MPa～80MPa进行压力测试。制备的水泥浆配方见下表：

表1 不同空心微珠制备的水泥浆配方

1.1.3 试验方法

按照API标准10B配制好水泥浆；将水泥浆倒入带有活塞的量筒中，放置好活塞，然后整体放入千德勒1910型高温高压养护釜釜体中，安装好釜盖；等釜体充满液压油，用加压泵加到需要的压力；保持一定时间，释放压力，排空釜体，卸掉釜盖，从釜体中取出带有活塞的量筒中，打开量筒底部的堵头，倒出浆体；使用密度计测量水泥浆的密度，反复多次（不少于5次）测量，求平均值，并记录。

1.2 破碎率计算方法

根据实验前的水泥浆密度和试验后的水泥浆密度，空心微珠密度已知的情况下，可以通过计算得出空心微珠在水泥浆中不同压力下的破碎率，计算公式如下：

ρ■=■

其中：ρ■为破碎后水泥浆的密度；

M■为除去漂珠以外水泥浆中其他物质的质量和；

M■为水泥浆中漂珠的质量；

V■为除去漂珠以外水泥浆中其他物质的体积和；

X为试验后破碎的漂珠质量；

ρ■为破碎前纯漂珠的密度；

ρ■为破碎后漂珠的密度。

根据以上公式，将已知量带入，假设破碎后水泥浆的体积的变化完全是由漂珠的破碎引起的，并假设固液混合过程中，各相体积均保持不变，且水泥浆压完恢复常压后，水泥浆无恢复性膨胀。基于以上假设，我们可以得出各种漂珠的破碎率。

2 各种空心微珠在不同压力下的破碎率

对几种空心微珠制备的水泥浆在10MPa～80MPa之间进行了实验，实验方法如1.1中所示，在不同的压力下，对各配方压后密度进行测定，得出：

根据以上测得的密度值，采用1.2公式计算各空心微珠在不同压力下的破碎率，得如下破碎率曲线图3：

从图2中可以看出，用同种空心微珠制备的1.2g/cm3和1.56g/cm3密度水泥浆，在相同的压力下，具有近似相同的破碎率，验证了测定方法的可靠性；以破碎率为20%作为分界点，我们可以得到五种漂珠的适用压力，分别为P61为20MPa、P62为40MPa、P63为60MPa、P64为50MPa、P65大于80MPa，当然，在已知压力情况下，可知其大概破碎率，从而根据公式可计算在该压力下的水泥浆密度值，可作为漂珠应用的一个依据。

3 空心微珠破碎对稠化时间的影响

由于空心微珠在一定压力作用下产生破碎，必然造成水泥浆密度的升高，使得对破碎的密度变化可能导致的水泥浆性能的变化的研究很有必要。通常情况下，对空心微珠制备的水泥浆的稠化时间都是配浆之后，直接放入稠化仪，按程序升温升压，得出水泥浆的稠化时间。在这个过程中，忽视了微珠破碎后，造成的体积减小，从而导致的稠化油对水泥浆的污染。通过对空心微珠水泥浆采用先压10min，而后进行稠化实验，与直接进行稠化的水泥浆进行对比。

图4 P61的稠化时间对比

图5 P62的稠化时间对比

由对比实验结合破碎率可以看出，虽然随压力的升高，破碎率增大，稠化时间有不同程度的缩小，但在一定破碎率以下，正常稠化与预压后稠化基本一致，可以正确的反应的稠化时间。只有当破碎率大于一定值时，预压后的稠化时间比正常稠化有较大的缩小，即稠化的失真。对比粉煤灰漂珠和人造微珠，它们分别在20%～60%、20%～45%（由于压力10MPa递增，在此范围内可能会有较大的破碎变动）出现了较大变化。可以认为在20%的破碎率以内，正常的稠化实验可以反应井底破碎后的稠化时间。可以将破碎率20%作为衡量空心微珠使用条件的一个指标。

4 结论

1）通过对破碎率的测定，确定了不同空心微珠的适用压力范围，进而为空心微珠在水泥浆中在特定压力下使用提供一定的经验数据支持；

2）分析了破碎率对水泥浆稠化性能的影响，认为以20%破碎率作为衡量空心微珠使用条件的指标是合适的。

3）采用此方法虽基于一定的理想化条件假设，但可粗略建立一组不同压力下的不同漂珠的使用范围表，方便筛选漂珠的工作范围和使用条件。

【参考文献】

[1]张宏军，杨亚新，林晶.高强度超低密度水泥浆体系的研究[J].钻采工艺，2006， 29（6）：107-110.

[2]孙富全，侯微，勒建州，等.超低密度水泥浆体系设计和研究[J].钻井液与完井液，2007，24（3）：31-34.

[3]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.