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，該測試方法能夠實現高溫、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生變化，影響水泥漿的性能，給施工質量和安全帶來不穩定因素。

國外區塊投標和作業過程中，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。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生密度波動，提高固井質量。

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、壓力控制系統以及數據接收裝置等組成。

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，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，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，可以保證系統在升溫升壓或恒溫恒壓下實現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

釜體中流體介質受溫度、壓力變化影響，體積發生變化，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，并通過數據采集系統，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中存在，流體介質（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，提前除去流體介質的影響。具體步驟如下：

（1）將不含空心微珠的流體介質（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，測定流體介質的體積變化率ES1；

（3）將流體介質：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，測定流體介質的體積變化率ES2；

（6）根據測定的數值，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 實驗結果與數據分析

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350min結束。

按照上述程序，分別對不含空心微珠的流體介質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%。這個數據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，這種現象更加明顯；

（3）實現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研究[J].鉆井液與完井液，2011，28（3）：47-49.