高溫地?zé)峋兔芏茹@井液減輕材料的選擇技術(shù)研究

尹金偉

摘要：高溫地?zé)峋阢@井過(guò)程中往往出現(xiàn)嚴(yán)重漏失情況，為了減輕鉆井液漏失后對(duì)儲(chǔ)層的影響，需要研究超低密度鉆井液減輕材料，通過(guò)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(kāi)展了減輕劑數(shù)學(xué)模型分析，分析了保持漿體的穩(wěn)定力學(xué)。最后根據(jù)肯尼亞的鉆井地層情況，依據(jù)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(guān)鍵詞：高溫地?zé)峋? 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(guò)摻入低密度材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，選擇減輕劑首先要根據(jù)水泥漿體系的密度要求和應(yīng)用條件等進(jìn)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(rùn)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(xì)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(zhì)，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(dǎo)致游離液含量較大、失水量較難控制、強(qiáng)度低、滲透率高，優(yōu)點(diǎn)是成本較低。另一類減輕劑主要是依靠減輕劑本身來(lái)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(shuō)來(lái)，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(duì)高的強(qiáng)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(dá)到預(yù)期的效果，而且如果通過(guò)增加水量的方法將水泥漿密度降至很低的程度，水泥漿強(qiáng)度、穩(wěn)定性等綜合性能會(huì)很差，因此應(yīng)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(xiàn)場(chǎng)混合設(shè)備，而且不能提高固含量并參與水泥的水化，對(duì)強(qiáng)度沒(méi)有任何的貢獻(xiàn)，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(lái)源比較廣泛。納米材料工業(yè)的發(fā)展對(duì)漂珠的深加工進(jìn)行提供了優(yōu)化浮選技術(shù)，目前漂珠主要有40～80目，80～120目，120～200目，300目等產(chǎn)品。而目前在市場(chǎng)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(jīng)過(guò)特殊工藝制成的薄壁、封閉的微球小體，球體內(nèi)有一定的氣體，其具有低密度、低導(dǎo)熱、低吸油、粒度及化學(xué)組成可控等優(yōu)越性，是復(fù)合材料工業(yè)產(chǎn)品極好的填充劑。根據(jù)應(yīng)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(qiáng)度3～5MPa，而且壁厚和表面親水性可以調(diào)節(jié)。

在確定了減輕材料的類型后，還應(yīng)當(dāng)考慮到減輕材料的需水量、形態(tài)、粒徑等物理性能對(duì)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(rùn)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(qiáng)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(gè)體系的水固比增大。這對(duì)水泥漿的穩(wěn)定性，稠化時(shí)間和水泥石的強(qiáng)度發(fā)展都會(huì)帶來(lái)消極的影響，所以，減輕材料的需水量應(yīng)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(duì)于選定的減輕劑可以通過(guò)表面處理減少其對(duì)自由水的吸附，包括聚合物包裹、偶聯(lián)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(rùn)滑的作用，改善流動(dòng)性。對(duì)于減輕材料粒徑的選擇，我們可以通過(guò)以下的分析得出。

3 減輕劑數(shù)學(xué)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(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)——凝結(jié)硬化，即在侯凝過(guò)程中，漿體固相顆粒不發(fā)生分層和井眼環(huán)空中不產(chǎn)生回落，以達(dá)到預(yù)封固高度和封固質(zhì)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(shì)明顯，水泥漿存在不穩(wěn)定趨向。在水泥漿的特性中，對(duì)穩(wěn)定性起重要作用的水泥漿漿體的靜切應(yīng)力 和塑性粘度 ，當(dāng) 和 匹配適當(dāng)時(shí)，既能保證具有良好的流動(dòng)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(duì)降低了很多，所以還要對(duì)減輕材料的化學(xué)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(duì)超低密度水泥石的強(qiáng)度性能不能產(chǎn)生貢獻(xiàn)，僅靠水泥很難獲得相對(duì)高的強(qiáng)度。前期研究的高強(qiáng)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(guò)程中部分的參與水化反應(yīng)，得到了與常規(guī)密度水泥漿相媲美的強(qiáng)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(jù)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(zhì)無(wú)機(jī)非金屬材料，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種用途廣泛、性能優(yōu)異的新型輕質(zhì)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(zhì)量輕、體積大、導(dǎo)熱系數(shù)低、抗壓強(qiáng)度高、分性能和流動(dòng)性強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合上述分析，我們認(rèn)為選擇超低密度水泥漿的減輕材料應(yīng)遵循以下三點(diǎn)：

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

（2）減輕劑應(yīng)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(xué)性能對(duì)水泥漿性能有貢獻(xiàn)。

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