一種固井用空心微珠破碎率的測定方法

熊敏　馬春旭　段志偉　邱國良　孫洪波

【摘 要】介紹了體積變化率測定裝置的結構、原理及使用方法，以及破碎率測定方法，該裝置可以實現(xiàn)高溫、高壓下的破碎率的測算，開展了一系列壓力下的破碎率的模擬實驗，認為微珠破碎是水泥漿體積變化的主要影響因素。實驗結果表明，該測試方法能夠?qū)崿F(xiàn)高溫、高壓條件下水泥漿中空心微珠破碎率的測定，更好的模擬井底流體的實際情況，無需進一步降溫、降壓、取樣測量操作，消除了其他材料的影響，消除了誤差，測量更加準確。

【關鍵詞】空心微珠；固井；破碎率；水泥漿

中圖分類號： TE256.5 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0132-002

空心微珠，簡稱微珠，包括粉煤灰漂珠及人造高性能玻璃微珠，具有質(zhì)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(yōu)良特性，制備的固井低密度水泥漿密度甚至可低至1.0g/cm3以下，由于其優(yōu)良的特性，使得微珠在低密度水泥漿固井中的應用越來越廣泛[1-3]。但是，微珠配制的低密度水泥漿，在向井底泵注過程中，隨著井底溫度、壓力升高，會造成微珠破碎，導致水泥漿密度和水灰比發(fā)生變化，影響水泥漿的性能，給施工質(zhì)量和安全帶來不穩(wěn)定因素。

國外區(qū)塊投標和作業(yè)過程中，甲方通常會對微珠的承壓能力提出要求，因此對于微珠的承壓能力的測試顯得尤為重要，而承壓能力一般通過空心微珠的破碎率來體現(xiàn)。一般情況下，破碎率采用將空心微珠或者低密度水泥漿放入高壓環(huán)境，然后泄壓拆除測定密度變化的辦法進行測試，忽略了液體中其他材料對密度的影響以及高低壓之間的差別，不能很好的模擬井底的高溫高壓實際。

本文旨在采用合適的測試方法進行空心微珠破碎率的測定，以便在配方設計時對空心微珠的選型有一定的幫助，減少低密度水泥漿發(fā)生密度波動，提高固井質(zhì)量。

1 破碎率測定裝置

1.1 破碎率測定裝置的設計

為了達到測定空心微珠在流體介質(zhì)中的破碎率，設計了一套空心微珠破碎率測定裝置，可以實現(xiàn)高溫高壓下（最高溫度150℃，最高壓力70MPa）破碎率的測定。該裝置主要由釜體裝置、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)接收裝置等組成。

其中釜體裝置是整個裝置的主要組成部分，如圖1所示，它主要用于盛放混合有空心微珠的流體介質(zhì)，釜體有效體積為300ml，通過橡膠隔膜片與外界流體（水），可以完成高溫高壓下的測試作業(yè)，進行不同溫度、壓力下破碎率的測定。并且，釜體裝置中含有精確的位移傳感器，采用國際領先的LVDT技術，確保流體在密封特性下可以精確測定釜體內(nèi)流體體積的變化。

采用精確的PID控制技術對溫度、壓力自動控制，可以保證系統(tǒng)在升溫升壓或恒溫恒壓下實現(xiàn)流體中微珠破碎率的測量，壓力泵采用Quizix系列泵，整個過程無脈沖給壓。

1.2 破碎率測定原理

釜體中流體介質(zhì)受溫度、壓力變化影響，體積發(fā)生變化，引起橡膠隔膜片外部水的體積變化，進而推動位移傳感器移動，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對位移變化進行記錄、處理，最終可以錄得體積變化率ES，由體積變化率推算空心微珠的破碎率。其中：

Δv為體積變化量（單位ml），v為原流體體積（也即是釜體體積，300ml）。

2 破碎率測定方法

空心微珠破碎，必然造成體積減小，但由于空心微珠是在流體介質(zhì)中存在，流體介質(zhì)（除空心微珠以外的流體總稱）自身也存在一定的體積變化，不能簡單的認為體積變化是由空心微珠破碎引起的。因此，這就要求在測定過程中，提前除去流體介質(zhì)的影響。具體步驟如下：

（1）將不含空心微珠的流體介質(zhì)（可以是水，也可以是不含空心微珠的水泥漿）加入釜體，體積總計為300ml；

（2）按照設定程序升溫、升壓，測定流體介質(zhì)的體積變化率ES1；

（3）將流體介質(zhì)：空心微珠=vFL：vHG配成混合液，加入釜體，vFL+vHG=300ml；

（4）按照設定程序升溫、升壓，測定流體介質(zhì)的體積變化率ES2；

（6）根據(jù)測定的數(shù)值，計算空心微珠造成的體積變化率ES（HG）

5）計算得出空心微珠的破碎率ρ。

3 實驗結果與數(shù)據(jù)分析

分別采用三種不同型號的空心微珠（H1、H2、H3），按照1：9（體積比）的比例與流體介質(zhì)混合，在25℃的情況下，分別進行不同壓力條件下破碎率的測定。實驗條件為：溫度升至25℃用時10min，之后保持該溫度進行實驗，持續(xù)350min結束。壓力變化分7個階段，分別為10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa，每階段升壓用時20min，之后在該壓力下保持30min，持續(xù)350min結束。

按照上述程序，分別對不含空心微珠的流體介質(zhì)和含有空心微珠的流體的體積變化率進行了測定，測試結果如圖2和圖3所示。

圖4 體積變化率隨壓力變化曲線

按照將含有空心微珠的流體的體積變化率ES1減去0.9倍的不含空心微珠的流體介質(zhì)的體積變化率ES2，即為空心微珠自身造成的體積變化率ES（HG），如圖4所示，由圖4可以看出，空心微珠自身造成的體積變化率比流體中其他物質(zhì)造成的體積變化率大得多，并且隨著壓力增大，空心微珠造成的體積變化占比越大，在70Pa時，空心微珠造成的體積變化占比達到77%。這個數(shù)據(jù)是在空心微珠占總體積10%的情況下得出的，如果空心微珠占比更大，造成的體積變化率占比也會更可觀。這種現(xiàn)象主要是空心微珠在高壓下破碎造成的，這也是測定空心微珠破碎率的重要性所在。

對應計算空心微珠的破碎率，如圖5所示。

由破碎率的測定可以看出，隨著壓力的升高，每種空心微珠的破碎率都有不同程度的增大，上述破碎率的測定方法可以實現(xiàn)高溫、高壓下流體中破碎率的測定。

4 結論

（1）這種測量方法可以實現(xiàn)高溫、高壓下空心微珠破碎率的測定，模擬井底溫度、壓力變化，整個測定過程無需進一步降溫、降壓、取樣測量操作，消除了操作誤差；

（2）由空心微珠破碎引起的流體體積變化顯著高于流體中其他材料，并且隨著壓力增大，這種現(xiàn)象更加明顯；

（3）實現(xiàn)了空心微珠在流體中（如水泥漿中）的測定計算，更貼近實際；

（4）消除了流體中其他介質(zhì)對體積的影響，測量更加準確。

【參考文獻】

[1]張宏軍.中空玻璃微球超低密度水泥漿體系評價與應用[J].石油鉆采工藝， 2011，33（6）：41-44.

[2]馬春旭，侯亞偉，趙琥，等.人造微珠表面改性及其在水泥漿中的應用[J].科學技術與工程， 2014，14（6）：127-129.

[3]曾建國，孫福全，高永會，等.高溫高性能低密度水泥漿的室內(nèi)研究[J].鉆井液與完井液，2011，28（3）：47-49.