一種固井用空心微珠破碎率的測(cè)定方法

熊敏　馬春旭　段志偉　邱國(guó)良　孫洪波

【摘 要】介紹了體積變化率測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)、原理及使用方法，以及破碎率測(cè)定方法，該裝置可以實(shí)現(xiàn)高溫、高壓下的破碎率的測(cè)算，開(kāi)展了一系列壓力下的破碎率的模擬實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為微珠破碎是水泥漿體積變化的主要影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)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(cè)定，更好的模擬井底流體的實(shí)際情況，無(wú)需進(jìn)一步降溫、降壓、取樣測(cè)量操作，消除了其他材料的影響，消除了誤差，測(cè)量更加準(zhǔn)確。

【關(guān)鍵詞】空心微珠；固井；破碎率；水泥漿

中圖分類號(hào)： TE256.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）08-0132-002

空心微珠，簡(jiǎn)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(xì)、活性好的特點(diǎn)，具有其他減輕材料無(wú)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(yīng)用越來(lái)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(guò)程中，隨著井底溫度、壓力升高，會(huì)造成微珠破碎，導(dǎo)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(lái)不穩(wěn)定因素。

國(guó)外區(qū)塊投標(biāo)和作業(yè)過(guò)程中，甲方通常會(huì)對(duì)微珠的承壓能力提出要求，因此對(duì)于微珠的承壓能力的測(cè)試顯得尤為重要，而承壓能力一般通過(guò)空心微珠的破碎率來(lái)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(cè)定密度變化的辦法進(jìn)行測(cè)試，忽略了液體中其他材料對(duì)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(shí)際。

本文旨在采用合適的測(cè)試方法進(jìn)行空心微珠破碎率的測(cè)定，以便在配方設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)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(dòng)，提高固井質(zhì)量。

1 破碎率測(cè)定裝置

1.1 破碎率測(cè)定裝置的設(shè)計(jì)

為了達(dá)到測(cè)定空心微珠在流體介質(zhì)中的破碎率，設(shè)計(jì)了一套空心微珠破碎率測(cè)定裝置，可以實(shí)現(xiàn)高溫高壓下（最高溫度150℃，最高壓力70MPa）破碎率的測(cè)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(gè)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(guò)橡膠隔膜片與外界流體（水），可以完成高溫高壓下的測(cè)試作業(yè)，進(jìn)行不同溫度、壓力下破碎率的測(cè)定。并且，釜體裝置中含有精確的位移傳感器，采用國(guó)際領(lǐng)先的LVDT技術(shù)，確保流體在密封特性下可以精確測(cè)定釜體內(nèi)流體體積的變化。

采用精確的PID控制技術(shù)對(duì)溫度、壓力自動(dòng)控制，可以保證系統(tǒng)在升溫升壓或恒溫恒壓下實(shí)現(xiàn)流體中微珠破碎率的測(cè)量，壓力泵采用Quizix系列泵，整個(gè)過(guò)程無(wú)脈沖給壓。

1.2 破碎率測(cè)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(jìn)而推動(dòng)位移傳感器移動(dòng)，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)位移變化進(jìn)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(cè)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(jiǎn)單的認(rèn)為體積變化是由空心微珠破碎引起的。因此，這就要求在測(cè)定過(guò)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(jì)為300ml；

（2）按照設(shè)定程序升溫、升壓，測(cè)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(shè)定程序升溫、升壓，測(cè)定流體介質(zhì)的體積變化率ES2；

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

5）計(jì)算得出空心微珠的破碎率ρ。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

分別采用三種不同型號(hào)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(jìn)行不同壓力條件下破碎率的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)條件為：溫度升至25℃用時(shí)10min，之后保持該溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，持續(xù)350min結(jié)束。壓力變化分7個(gè)階段，分別為10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa，每階段升壓用時(shí)20min，之后在該壓力下保持30min，持續(xù)350min結(jié)束。

按照上述程序，分別對(duì)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(jìn)行了測(cè)定，測(cè)試結(jié)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(shí)，空心微珠造成的體積變化占比達(dá)到77%。這個(gè)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(huì)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(cè)定空心微珠破碎率的重要性所在。

對(duì)應(yīng)計(jì)算空心微珠的破碎率，如圖5所示。

由破碎率的測(cè)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(cè)定方法可以實(shí)現(xiàn)高溫、高壓下流體中破碎率的測(cè)定。

4 結(jié)論

（1）這種測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)高溫、高壓下空心微珠破碎率的測(cè)定，模擬井底溫度、壓力變化，整個(gè)測(cè)定過(guò)程無(wú)需進(jìn)一步降溫、降壓、取樣測(cè)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(shí)現(xiàn)了空心微珠在流體中（如水泥漿中）的測(cè)定計(jì)算，更貼近實(shí)際；

（4）消除了流體中其他介質(zhì)對(duì)體積的影響，測(cè)量更加準(zhǔn)確。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張宏軍.中空玻璃微球超低密度水泥漿體系評(píng)價(jià)與應(yīng)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(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程， 2014，14（6）：127-129.

[3]曾建國(guó)，孫福全，高永會(huì)，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.