高性能空心玻璃微珠在油田中的应用研究

高性能空心玻璃微珠在油田开采中的应用许传华1邓建民2陈金伟1（1中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽马鞍山，2430042西南石油大学石油工程学院，四川成都，610500）摘要：介绍了高性能空心玻璃微珠的性能，并通过高倍偏光显微镜对空心玻璃微珠的结构进行了表征。其作为一种性能优异的多功能无机材料已经在油田开采领域得到应用。作为密度调控剂时，不仅可以降低钻井液和固井水泥的密度，还能提高两者的稳定性和流变性。当应用在深海材料中时，空心玻璃微珠则起到密度调节以及防腐保温耐压的作用。具有诸多功能的玻璃微珠在上述领域中发挥了重要作用。因此，它必将拥有更广阔的应用前景。关键词：高性能空心玻璃微珠钻井液固井水泥深海管道减轻剂保温ApplicationsofHigh-performanceHollowGlassMicrospheresinOilfieldXUChuanhua1Dengjianmin2(SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.,LTD.Maanshan243004SouthwestPetroleumUniversitySchoolofPetroleumEngineeringchendu610500)Abstract:ThepropertiesofHigh-performanceHollowGlassMicrospheresweredescriptedandthestructuresoftheHollowGlassMicrosphereswerecharacterizedbyPolarizingmicroscope.Itisawonderfulmulti-functioninorganicmaterialwasapplicatedintheoilfield.Asthedensitycontrolagent,notonlycanreducethedensityofdrillingfluidandcementslurry,butalsoimprovethestabilityandrheology.Itwasusedasdensityregulator,anticorrosive,insulationandcompressivestrengthmaterialinthedeep-seafield.SuchmanypropertiesofHollowGlassMicrosphereswasplayedanimportantroleintheseareas.So,itwillhavegoodprospect.Keyword:High-performanceHGM;Drillingfluids;Wellcementing;Deep-seapipe;Lightweightagent;Insulation1引言随着我国油气田不断的勘探开发，面临着低压油气层和枯竭油气层钻井或欠平衡钻井的问题，因此，在低密度钻井液方面的要求越来越高。采用气基流体钻井液、泡沫(或充气)钻井液、油包水乳化钻井液、油基钻井液等存在着诸多缺陷。对于固井水泥来说，随着钻井技术水平的提高，出现了越来越多的深井超深井，部分钻井井深超过了6000m，主要集中在新疆塔里木盆地、川东北等区域。在钻井过程中，经常遇到高压地层、低压易漏失地层，这些复杂地层都增加了固井的难度。在深海材料方面：如传统浮体材料、深海输油管道以及深潜器均存在着耐压低、防腐差、密度温度调节困难的缺点。国内外科研机构设法通过各种减轻材料复合使用的办法来研究出低密度钻井液、低密高强低渗的水泥浆和高抗压防腐低热导率的深海材料。因此，通过配有高性能空心玻璃微珠这种高新材料可以较好的解决以上问题[1]。2高性能空心玻璃微珠高性能空心玻璃微珠是一种碱石灰硼硅酸盐玻璃材料[2]，是一种微米级玻璃质的中空球体，具有质轻、电绝缘性和热稳定性好、耐腐蚀、不与任何酸(除了氢氟酸)以外的酸发生反应等优点。同时其抗破碎性能非常优异，最高可达到100Mpa。这些优异的性能在钻井液、固井水泥和深海材料中发挥着至关重要的作用。1作者：许传华(1971-)，男，博士，高级工程师。主要从事高性能空心玻璃微珠材料的研究开发工作。图1为中钢马矿院生产的T60型高性能空心玻璃微珠的偏光显微镜照片(抗破碎压力为69Mpa)。从图中看出：微珠是一颗颗透明的微米级玻璃质密闭中空正球体，有坚硬的球壳，球体内充有稀薄气体。从在宏观上看是纯白色的粉末。其粒径大小不等，最小颗粒粒径为2µm，其平均粒径为35µm。壁厚约为其直径的10%，而粒径大小不等可以形成粒径互补，具有合理填补空隙的特点。因为中空质轻的特点，所以微珠具有极低的导热系数，又是优良的隔热保温材料。图1T60型高性能空心玻璃微珠的偏光显微镜照片空心玻璃微珠作为一种新型材料，它具有以下优点：(a)密度低，在钻井液体系中均匀分散，可在0.25~0.60g/cm3之间进行密度调节。(b)抗压能力强，可在5~100MPa之间进行调节。(c)导热系数低，可在20℃时，0.0512~0.0934W/m·k之间进行调节。高性能空心玻璃微珠的各项理化性能见表1。表1高性能空心玻璃微珠的各项理化性能序号检验项目理化性能1外观流动性良好的白色粉末2含水率≤0.503软化温度620℃4吸油值20～65g/100g5*导热系数，w/m·k0.0512~0.0934,20℃6*堆积密度，g/cm30.17～0.427*粒径范围，µm2～1208*真密度，g/cm30.20～0.609*抗压强度(破碎率)，MPa5～6910pH值7～8备注：*为根据客户实际生产需要选用匹配型号。3高性能空心玻璃微珠的应用3.1高性能空心玻璃微珠在钻井液中的应用3.1.1高性能空心玻璃微珠对密度的影响随着油田的开发，经常面临着勘探开发难度大、目的层埋藏深、地层压力低的情况，这时多采用欠平衡钻井。因此，对钻井液的要求越来越高。为了减少漏失和保护油气层以及及时发现油气层，需用的钻井液密度低于1.0g/cm3。而采用气基流体钻井、泡沫钻井液、油包水乳化钻井液、油基钻井液是容易的实现方式，但存在着诸多缺点，且钻井液本身性能调控困难、流变性和水力学计算复杂等现实问题难以解决[3]。在欠平衡钻井中应用高性能玻璃微珠有许多优势。加入玻璃微珠的钻井液密度下降明显，并且加量越大，钻井液密度越低。当T60型玻璃微珠的含量为40%时，钻井液的密度降至0.870g/cm3。因此，其最大优点就是可在一定范围内任意调整钻井液密度。即时在高压高热中，钻井液密度也比较稳定，这是由于T60型玻璃微珠具有密度低强度高特性决定的。3.1.2高性能空心玻璃微珠对稳定性的影响由于微珠自身的热稳定性良好，且不与任何酸(除了氢氟酸)以外的酸发生反应，因此配有高性能玻璃微珠的钻井液稳定较好。张雪娜[4]等人对含有微珠的样浆在90℃热滚16h进行高温老化试验，与常规状态下样浆进行比较，结果是玻璃微珠钻井液在高温热滚后的密度与常规状态下相比，并没有明显变化，说明该钻井液的耐高温性能很好，钻井液稳定。3.1.3高性能空心玻璃微珠对润滑性的影响高性能空心玻璃微珠对钻井液起到润滑作用。它呈球形结构，表面光滑，流动性能好。用它作为钻井液添加剂，可起到类似于轴承中滚珠的作用，很大程度地降低钻井液对钻杆的摩擦阻力，使钻头迅速下钻，提高机械钻速，并且降低钻头磨损。3.2高性能空心玻璃微珠在固井水泥中的应用一般传统上纯水泥大多数被用于钻井中，但是在特殊的情况下调节水泥的密度是成功完井和长效隔离的关键。有几种调节水泥浆密度的方法已经被使用。这些方法可以单独使用也可以综合使用。比如：通过加水稀释法、加空心陶瓷微珠法、添加泡沫法等。水稀释法和添加泡沫法调节出的水泥性能不稳定。加空心陶瓷微珠法，而空心陶瓷微珠自身的强度不够，在水泥浆注入井内时会破碎，导致水泥浆密度上升。而在深井开采石油时，加入高性能空心微珠的水泥浆在注井过程中有一定的流动性，水泥浆注入井内，可以较快凝结，并在短期内达到相当强度，硬化后的水泥浆具有良好的稳定性和抗渗性、抗腐蚀性等。油井底部的温度和压力随着井深的增强而提高，每深入100m，温度约提高3摄氏度，压力增加1.0-2.0mpa。井深7000米以上，井底温度可达200摄氏度，压力达125mpa。因此高温高压，对水泥各种性能影响，是油井水泥生产和使用的最主要的问题。高温作用使水泥浆的强度显著下降。使用添加了空心微珠的水泥浆，不仅密度降低而且能够承受长时间的高压强度及高温，这种轻质水泥的性能优于其他常规的轻水泥[5]。3.3高性能空心玻璃微珠在深海材料中的应用3.3.1高性能空心玻璃微珠应用于浮体材料浮体材料是海洋资源开发技术的重要组成部分。为了提高具有足够净浮力的深潜拖体、深潜器的耐压性、结构稳定性。传统的浮力材料一般采用聚氨酯泡沫、环氧树脂泡沫或其他发泡塑料，虽然成本低，但耐压强度低，浸水一段时间后，会吸水失去浮力，使用可靠性差[6]。人们开始研制轻质高强固体浮力材料以替代传统浮力材料用于进行深海资源勘探和开采。目前利用高性能空心玻璃微珠填充聚合物合成的深海高强浮力材料已有应用。它是以环氧树脂为基质，填充一定量的高性能空心玻璃微珠及其它添加剂等复合成轻质浮力材料。在深海的油气田勘探以及作业中体现出质轻、耐海水腐蚀、尺寸稳定、强度高、隔热性能良好等诸多的优势。3.3.2高性能空心玻璃微珠应用于深海管道近些年来，在深水中扩大深海勘探和生产中对于控制流动管道在长距离传送和在海水作业中的热量散失已快速成为主要的技术投资。早期，深海管道只是涂了一些黑色涂料，但是保温性能非常有限。随着一系列的材料替代而得到快速发展，尤其是高性能玻璃微珠的应用，减低减低热导率和深海油气回收具有可行性。深海管道要求随着海底石油往更深处发展和更多的地理位置的要求而增加。在有深度和压力的环境时，通常会应用填充有玻璃微珠的泡沫绝缘材料，这使得深海管线可延伸长50km或更远的海底。据国外报道，填充有高性能玻璃微珠的深海管道的热导率u值低于2w/mK。而玻璃微珠自身的热导率非常低，可在0.0512~0.0934w/m·k之间调节。只要知道当地的地理和作业环境所需的u值，这样可以控制从海底到海面不同温度传输液传输时的热损失量。而且，这种深海管道其它优异性能已经在浮体材料中阐述。4结语（1）高性能空心玻璃微珠是优良的轻质无机材料。真密度可在0.25~0.60g/cm3之间进行密度调节；抗压能力强，可在5~69MPa之间进行调节；导热系数低，可在20℃时，0.0512~0.0934W/m·k之间进行调节。（2）高性能空心玻璃微珠的加入可以明显降低钻井液的密度。同时提高钻井液的稳定性和润滑性。较好的解决了气基流体钻井、泡沫钻井液、油包水乳化钻井液、油基钻井液带来的缺陷。（3）高性能空心玻璃微珠可以降低水泥浆的密度，并提高其稳定性和抗渗性、抗腐蚀性能。（4）高性能空心玻璃微珠的填充的可以提高浮体材料质轻、耐海水腐蚀、尺寸稳定、强度高、隔热性能。而填充深海管道中，是充分发挥了高性能玻璃微珠的低热导率、低密度、高强的特性。参考文献：[1]叶艳,鄢捷年.高强度空心玻璃微珠低密度水基钻井液室内研究及应用[J].石油钻探术,2006,3:41-44.[2]材料科学技术百科全书编辑委员会.材料科学技术百科全书[M].北京:中国大百科全书出版社,1995.[3]GeorgeHMedley.UseofHollowGlassSpheresforUnder-balancedDrillingFluids[J].SPE30500.[4]张雪娜,康万利,何福义,等.中空玻璃微珠低密度钻井液性能探讨[J].钻井液与完井液,2007,24(6):75-77.[5]何育荣,彭志刚,冯茜.高强塑性水泥浆实心减轻材料FXW室内研究[J].钻井液与完井液,2006,23(6):50-53.[6]白战争,赵秀丽,罗雪方,等.空心玻璃微珠/环氧复合材料的制备及性能研究[J].热固性树脂,2009,24(2):32-35.