一、低密度水泥浆体系的现状近年来,国外科研机构利用颗粒级配充填堆积理论 ,采用多种低密度材料复配,通过不同 的水泥浆外加剂的调节，研究开发了 1. 20〜1. 65 g/ cm3不同密度的水泥浆体系［1 ］目前， 应用的低密度水泥浆体系有粉煤灰体系、膨润土体系、矿渣体系、珍珠岩体系、泡沫体系等 等每种体系各有其优缺点,不论哪种低密度水泥浆体系,必须较好地解决低密度材料上浮, 保证浆体的稳定性必须掺入一定量的稳定剂,防止水泥浆的分层要选择较好的不同粒径 的材料,相互配合充填粒径间的空隙,紧密堆积以提高其抗压强度近年来,已经应用的低密度 水泥浆体系形成的水泥石的强度大幅度提高，在48 h后强度能达到14 MPa但是目前还没有 水泥浆密度低于1. 10 g/ cm3 的报道二、 各种低密度材料的性能和优选(1) 粉煤灰:是火力发电厂煤粉燃烧熔融后排出的粉末状废物,具有火山灰特性的微细灰 主要成分为SiO2和AI2O3，粒径范围为0. 5〜300ym,密度为2. 0〜2. 50 g/ cm3 ,价格便宜，购 买方便2) 微硅:生产硅钢或铁合金生产过程中分离出来的一种副产品，主要成分是SiO2，平均粒 径0. 10〜0. 15 um,具有较大的比表面积。
密度2. 50 g/cm3，能使水泥石渗透率下降，提高抗腐 蚀性能［ 2 ］ 3) 海泡石:是一种白色质轻纤维状富镁硅酸盐矿物,由硅氧四面体和镁氧八面体组成主 要成分为SiO2和MgO,其结构中存在一系列晶道,具有极大的比表面积，密度一般为1. 30〜2. 10 g/ cm3，热稳定性好，抗盐性好［2 ］4) 珍珠岩：属于火山玻璃质熔岩，主要成分SiO2，为白色或浅灰色颗粒，绉褶的蜂窝结构， 含有大量的空隙，具有较大的膨胀性密度2. 40 g/ cm3 ,堆积密度0. 10〜0. 2 kg/m3 ,可存比 自重高5〜6倍的水分研磨成20〜30目的颗粒,能形成膨胀珍珠岩水泥浆体系,具有减轻和 降失水的良好性能［ 3 ］ 但易上浮,需要选择与其配伍的稳定剂5) 漂珠:粉煤灰在水中漂浮起来的球状颗粒,晒干后即成漂珠,具有密闭、粒细、质轻、壁 薄、活性等性能它的视密度只有0. 7 g/ cm3 左右,用漂珠配制的低密度水泥浆可以达到较 低的密度但是,由于漂珠本身的强度较低,而且漂珠外壳本身的壁厚和形状的差异,在一定压 力和混浆泵的搅拌下容易破碎6) 人造空心玻璃微球:HGS中空玻璃微球是美国3M公司人工制造的空心微珠，是一种碱 性硅硼酸钙盐，不溶于水和油，平均直径90 ym,壁厚2〜3um,耐高温，化学稳定，破碎压力14〜 124MPa，能降低流体的粘度，改善流动性，较高的强度和不可压缩性。
其拉伸强度、抗压强度、 杨氏模量均优于漂珠另外HGS中空玻璃微球水泥浆体系在凝固时，收缩率非常低，能保证较 好的胶结强度目前国内已经可以生产人造的空心玻璃微珠,并有产品销售,但是性能与国外 还有差距人造高强度空心微珠的诞生,为超低密度水泥浆体系的开发提供了条件三、 3M公司HGS空心微珠性能3M 公司已经形成了系列空心微珠产品,是惰性物质,不溶于油和水具有良好的耐温性 和高强度，最高耐温600最高抗压强度124 MPa (见表1)，这就意味着超低密度水泥浆可以 适应更深的油井和超深井使用)图1申空玻璃犠球与漂珠在相同实验条件f的am体系比较通过表1 中的数据,根据不同井深的油藏压力和不同的水泥封固段,可以选择不同级别的 产品,满足工程的需要用 HGS 空心玻璃微球作水泥浆减轻剂可使水泥浆密度降到 0. 90 g/ cm3 ,而且由于破碎压力较高,用离心泵泵送也不会对实际密度有较大影响中空玻璃微球与漂珠在相同实验条 件下的破碎体系比较见图110ffi 1中空玻炳18球与漂珠亦相同实验条萍F的鞍硏休系比较（作者：张宏军,杨亚新,林晶 本信息发布于 2009 年02月10日，共有925 人浏览）［字体：大中小］可见在相同条件下漂珠的破碎率远大于 HGS 空心玻璃微球,这说明 HGS空心玻璃微球在混拌和泵送过程中的破碎率远小于漂珠,对实际密度的影响较小。
HGS 空心玻璃微球可解决低压漏失地层和多级压力梯度固井的难题,减 少固井风险,提高固井成功率四、超低密度水泥浆的设计高强超低密度水泥浆体系的稳定性和早期强度是衡量超低密度水泥浆 体系性能优劣的两个主要指标,超低密度水泥浆体系要求稳定性好、早期强 度高根据颗粒级配紧密堆积理论,通过优化低密度混合物中粒度分布,提高 水泥浆体系的密实程度,可以使超低密度水泥浆体系的强度和其它性能大幅 度的提高因此,要注意以下问题:(1) 较好的稳定性:水泥浆在一定的条件下,浆体不发生分层离析,形成 的水泥石纵向密度分布要基本一致,析水小、体积收缩小2) 合适的流变性和密度:选择减轻剂的类型和级别粒径,不能盲目增大 用水量,用水量应严格控制在所选择减轻剂的最大允许范围内3) 较高的早期强度:不能盲目追求水泥浆的流变性能和滤失量控制,而 损害水泥浆的抗压强度和稳定性选择不同粒径的低密度材料紧密堆积辅以 外加剂以提高早期强度因此,选择了细漂珠作为减轻以及粗颗粒干混材料用细漂珠作减轻剂 配制低密度水泥浆,在较低液固比时,就可获得较低密度的水泥浆,从而使得 水泥石的强度较高对于粒度较细的颗粒,选择微硅以及 3M 公司产品作为细 颗粒充填材料。
五、实验情况根据以上原则，经过优选，配制出了密度为1.20〜1.04 g/ cm3的高强超 低密度水泥浆体系这几套体系选用国产漂珠和3M公司的空心微珠,都具有 密度低(国产0.70g/ ent, 3M公司0.46〜0.60g/ ent)，抗压强度高、粒度细 的特点根据减轻材料(漂珠)的不同, 制定实验方案:(1) 采用国产漂珠配制1.20〜1.10 g/ cm3的水泥浆体系，并调节其各项 性能;(2) 采用进口漂珠配制1.10〜1.05 g/ cm3的水泥浆体系，并调节其各项 性能通过优选水泥浆体系配方， 达到要求， 实验情况与水泥浆性能如下:1. 国产漂珠进口外加剂超低密度体系(1.20g/ cm3)配方：API- G水泥+自来水300g+漂珠147% +充填剂18% +充填增强剂80% +防窜剂 2.0%+液体降失水剂 7% +液体缓凝剂 1.5% +液体减阻剂 5% +消 泡剂 0.1%;性能：密度 1.20g/ cm3， 水泥浆上下密度无差异;流动度 19 cm， 游 离水 0;流变：200/110/78/44/8/7(0.1MPaX93°CX20min) ; API 失水：80ml( 6.9 MPaX93CX30min);稠化时间：252 min (105CX40 MPa);抗 压强度：17. 4MPa /24h; 18.5MPa /48h(0.1MPaX80°C)。
2. 国产漂珠国产外加剂超低密度体系(1.20 g/ cm3)配方：API-G级水泥200g +水 357g+漂珠110% +充填剂70% +早强剂2.5% + 降失水剂0.9% +液体减阻剂2.5% +液体缓凝剂0.45%;性能:密度：p= 1.20g/ cm3;流动度：22cm;流变性能:n = 0.855; K = 0.329 Pa ・Sn (93°CX0.1MPa X20min)； 失水：80ml ( 93°CX6.9 MPaX30min);强度：13.8 MPa ( 80°CX0.1 MPaX48 h);15.1MPa (100°CX15MPaX48h)；稠化时间：增压稠化(105°CX40MPa)，缓凝 剂加量0.4%〜0.6%,稠化时间180〜300min,初始稠度20BC,直角稠化，稠化时间 可调3. 进口(3M)微珠进口外加剂超低密度体系(1.10g/cm3)配方：API-G水泥+自来水240g +漂珠150% +充填剂5% +充填增强剂90% + 防窜剂 2.0%+液体降失水剂 7%+液体缓凝剂 1.6%+液体减阻剂 6%+消泡剂 0.1%; 性能:密度：1.10 g/cm3,水泥浆上下密度无差异;流动度：19 cm ;游离水：0;API 失水： 92 ml (6.9 MPaX93CX20min) ;稠化时间： 180min (105CX40 MPa) ; 抗压强度： 21.9MPa/24h;25.8MPa/48h(0.1MPaX80C) 。
4. 国产漂珠进口外加剂超低密度体系(1.10 g/cm3)配方：API-G水泥+自来水240g +漂珠200% +充填剂10% +充填增强剂50% + 防窜剂2. 0%+液体降失水剂8% +液体缓凝剂1. 6% +液体减阻剂5% +消泡剂0. 1% ; 性能:密度：1.10 g/ cm^,水泥浆上下密度无差异;流动度：20 cm;游离水：0;流 变： 185 /102 /75 /42 /7 /5 ( 0.1 MPaX93CX20 min ) ; API 失水： 40 ml ( 0.1 MPaX93CX20min) ;稠化时间： 250 min (105C X40 MPa) ;抗压强度： 18MPa / 48h (0. 1MPa X80C) 5. 国产微珠国产外加剂超低密度体系(1.10 g/cm3)配方：API-G级水泥100g +水370g +漂珠230% +充填增强剂67.0% +早强 剂6.5% +降失水剂2.4% +液体减阻剂4.0% +液体缓凝剂0.20%;性能:密度：p二 1.10g/ cm3;流动度：22cm；流变性能：n = 0.769; K =0.570 Pa • sn( 93°CX0.1MPa X20 min);失水：66 ml(93°CX6.9 MPa X30min);强度：13.9 MPa ( 80°CX 0.1 MPaX48 h);14.5MPa (100CX15 MPaX48 h)；稠化时间：增压稠化(105°CX40MPa)，缓凝剂加量0%〜0.20%,稠化时间200〜350min，初始稠度20 BC左右, 直角稠化, 稠化时间可调。
6. 进口(3M)微珠进口外加剂超低密度体系(1.08g/ cm3)配方(1) : API-G水泥87g +自来水210計3M漂珠182% +充填剂30% +充填 增强剂 115%+防窜剂 6.0% +液体降失水剂 8% +液体减阻剂 4% +消泡剂 0.3%;性 能：密度：1.08 g/cm3；流动度：22cm;游离水：0;API 失水：45 ml(80°CX 7MPa X30 min);稠化时间：270 min(80CX 50MPa);抗压强度：22MPa (24 hX80°C X0.1MPa);7 MPa (24hX0.1MPaX40C)配方(2) ：以上配方加液体缓凝剂 0.4%性能：稠化时间和强度发生了变化 稠化时间：330 min (80CX50MPa) ;抗压强度： 18.5MPa (24 hX80C X0.1 MPa );5 MPa( 24 hX 0.1 MPaX 40C ) 7. 进口(3M)微珠进口外加剂超低密度体系(1.06g/ cm3)配方:API-G水泥85 g +自来水220 g + 3 M漂珠208% +充填剂31% +充填 增强剂113%+防窜剂6. 0% +液体降失水剂8% +液体减阻剂4%+消泡剂0. 3%;性能： 密度：1.06 g/ cm;流动度：21 cm;游离水：0; API失水：44 ml (80CX7MPa X30 min);稠化时间：265 min (80C X 50MPa);抗压强度：14MPa (24hX80C X0.1 MPa) ; 5 MPa (24 h。