尹金伟

摘要：高温地热井在钻井过程中往往出现严重漏失情况，为了减轻钻井液漏失后对储层的影响，需要研究超低密度钻井液减轻材料，通过加入减轻材料能够降低水泥浆密度。水泥浆密度降低后能够降低漏失的发生，本文从减轻剂选择的方法出发，优选了空心微珠材料，并开展了减轻剂数学模型分析，分析了保持浆体的稳定力学。最后根据肯尼亚的钻井地层情况，依据减轻材料的的选材原则，选取了一种空心微珠作为减轻材料。

关键词：高温地热井; 漏失;空心微珠; 减轻材料

1 前言

水泥浆密度的降低一般通过掺入低密度材料来实现，选择减轻剂首先要根据水泥浆体系的密度要求和应用条件等进行综合考虑。水泥浆减轻剂按其减轻原理划为两类，一类主要有：膨润土、硅藻土、粉煤灰、硬沥青、膨胀珍珠岩、火山灰、水玻璃以及一些超细粉末等，这一类减轻剂除硬沥青外一般为一些吸水或增粘物质，其水泥浆密度大小主要取决于水灰比大小，而不是以减轻剂本身密度大小或掺量多少而定。由于在相同密度下这一类低密度水泥浆的水灰比较大，因而导致游离液含量较大、失水量较难控制、强度低、渗透率高，优点是成本较低。另一类减轻剂主要是依靠减轻剂本身来降低水泥浆密度。这一类低密度水泥浆密度大小主要取决于减轻剂本身密度大小和掺量多少。一般说来，在相同密度下这一类低密度水泥浆水灰比较小，因而使水泥浆具有较低的游离液含量、相对高的强度和较低的渗透率。

超低密度固井水泥浆的密度几乎要接近水的密度，但靠加入水量的方法很难达到预期的效果，而且如果通过增加水量的方法将水泥浆密度降至很低的程度，水泥浆强度、稳定性等综合性能会很差，因此应采用本身密度很低的减轻材料，即选择第二类减轻材料。在第二类减轻材料中，选择气体做减轻材料，需要增加额外的现场混合设备，而且不能提高固含量并参与水泥的水化，对强度没有任何的贡献，所以选用本身密度较低的空心微珠作为水泥浆的减轻材料更为合适。

2 空心微珠材料的优选

空心微珠主要有漂珠、陶瓷微珠、鈉硼珠等，其中，漂珠的来源比较广泛。纳米材料工业的发展对漂珠的深加工进行提供了优化浮选技术，目前漂珠主要有40～80目，80～120目，120～200目，300目等产品。而目前在市场上销售的钠硼珠是一种人工合成的空心玻璃微珠，是由钠硼硅酸盐材料经过特殊工艺制成的薄壁、封闭的微球小体，球体内有一定的气体，其具有低密度、低导热、低吸油、粒度及化学组成可控等优越性，是复合材料工业产品极好的填充剂。根据应用的不同可分为A型、B型、C型，粒度范围10～250μm，堆积密度0.08～0.24g/cm3，抗破碎强度3～5MPa，而且壁厚和表面亲水性可以调节。

在确定了减轻材料的类型后，还应当考虑到减轻材料的需水量、形态、粒径等物理性能对水泥浆性能的影响。减轻材料的需水量是指减轻材料在水泥浆中润湿表面并吸附自由水的最小水量。在低密度水泥浆中除了用于满足胶凝材料和其他外掺料（包括增强剂、减轻剂等）的需水量的水外，还有大量的游离水存在，以控制水泥浆的流变性。在水泥浆中用于水化的水量是一定的，在保证水泥浆流变性的前提下，如果减轻材料的需水量增大，则整个体系的水固比增大。这对水泥浆的稳定性，稠化时间和水泥石的强度发展都会带来消极的影响，所以，减轻材料的需水量应尽可能的低。减轻材料的需水量一方面决定于其本身的表面性能，另一方面决定于它的比表面积。对于选定的减轻剂可以通过表面处理减少其对自由水的吸附，包括聚合物包裹、偶联化等措施。降低比表面积方法则是将减轻剂处理成球形，这样还可以在水泥浆中起到滚珠润滑的作用，改善流动性。对于减轻材料粒径的选择，我们可以通过以下的分析得出。

3 减轻剂数学模型分析

水泥浆静止后，期望水泥浆处于稳定状态地由液态转变为固态——凝结硬化，即在侯凝过程中，浆体固相颗粒不发生分层和井眼环空中不产生回落，以达到预封固高度和封固质量。在超低密度水泥浆中，由于减轻剂本身具有很低的密度，其上浮趋势明显，水泥浆存在不稳定趋向。在水泥浆的特性中，对稳定性起重要作用的水泥浆浆体的静切应力 和塑性粘度 ，当 和 匹配适当时，既能保证具有良好的流动性，满足施工要求，又保证浆体的稳定性。

在超低密度水泥浆中，由于减轻材料的掺量很大，胶凝材料所占的比重相对降低了很多，所以还要对减轻材料的化学成分与活性加以考虑。如果选择的减轻材料为惰性材料，那么减轻材料对超低密度水泥石的强度性能不能产生贡献，仅靠水泥很难获得相对高的强度。前期研究的高强低密度水泥浆体系，选择具有活性的减轻材料作为减轻剂，在水泥水化的过程中部分的参与水化反应，得到了与常规密度水泥浆相媲美的强度，其他性能也很优良。所以，在超低密度水泥浆中选择与水泥成分相近且具有活性的减轻材料是具有积极意义的。

4 减轻材料选择

根据减轻材料的的选材原则，本文选取了一种空心微珠作为减轻材料。高性能空心玻璃微珠是一种中空的圆球粉末状超轻质无机非金属材料，是近年来发展起来的一种用途广泛、性能优异的新型轻质材料。

中空玻璃微珠真密度在0.125-0.60 g/m3，粒径在5-180μm之间，具有质量轻、体积大、导热系数低、抗压强度高、分性能和流动性强、化学稳定性好等优点。

5 结束语

综合上述分析，我们认为选择超低密度水泥浆的减轻材料应遵循以下三点：

（1）能降低水泥浆水固比，提高水泥浆固相量，有利于实现紧密堆积，保持水泥浆浆体稳定。

（2）减轻剂应尽量选择颗粒尺寸较小的球形材料，在掺量的允许下，密度与浆体密度相接近。

（3）减轻材料的物理化学性能对水泥浆性能有贡献。

参考文献

[1] 油井水泥浆抗高温抗盐降失水剂合成及性能研究[J]. 刘飞，刘学鹏，曾德智.  化学研究与应用. 2016（8）.

[2] 新型低密度水泥浆体系在大庆油田深层气井中的应用[J]. 赵常伟.  探矿工程（岩土钻掘工程）. 2016（8）.

[3] 一种胶乳水泥浆缓凝剂的合成及性能评价[J]. 王文杰，罗跃，米远祝，彭磊.  长江大学学报（自科版）. 2015（34）.