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1、3M3M高强度中空玻璃微球高强度中空玻璃微球在低密度固井和钻井中的应用在低密度固井和钻井中的应用3M中国有限公司中国有限公司目录目录3M3M公司简介公司简介中空玻璃微球产品介绍中空玻璃微球产品介绍HGSHGS低密度固井水泥浆低密度固井水泥浆HGSHGS低密度钻井液低密度钻井液致谢致谢3M公司简介公司简介创始于创始于19021902年，全球五百强企业，年，全球五百强企业，20062006年产值年产值229229亿亿美元，中国产值美元，中国产值1010亿美元亿美元全球雇员全球雇员6900069000人，遍布人，遍布6161个国家个国家6700067000种产品，涵盖生产生活的方方面面种产品，涵盖生
2、产生活的方方面面创新为本，每年创新为本，每年500500种新产品问世，销售额有种新产品问世，销售额有4040是是最近最近4 4年的新产品年的新产品 1-2 m粒径粒径: 1090微米真实密度真实密度: 0.32 g/cc to 0.60 g/cc承压能力承压能力: 2000 到 18,000 psi（14MPa到124MPa）HGS中空玻璃微球介绍中空玻璃微球介绍 1-2 m平均平均: 40 m外形外形: 中空球形单体成分成分: 耐热碱石灰硼硅酸盐小小微球小小微球蕴含科技蕴含科技 HGS 电镜照片 HGS 概况项项 目目特特 性性包装体积密度/真实颗粒密度55-68吸油性0.2-0.6 g/c
3、c稳定性600C时开始变软酸溶性99.5美国LC50标准生化测试按标准EPA Drilling Fluids Toxicity Test,40 C.F.R. 435, Subpant A, Appendix 2. 挥发性最大为重量的0.5含碱度0.5毫克当量PH9.19.9表观白色流动性好HGS中空玻璃微球规格型号中空玻璃微球规格型号低密度固井水泥浆低密度固井水泥浆低密度水泥浆的发展历程低密度水泥浆的发展历程低密度固井水泥浆简介低密度固井水泥浆简介3MHGS3MHGS高强度低密度水泥浆性能测试高强度低密度水泥浆性能测试应用应用低密度水泥浆发展历程低密度水泥浆发展历程六十年代六十年代使用以膨润土
4、、硅藻土、膨胀珍珠盐、水玻璃、硅质充使用以膨润土、硅藻土、膨胀珍珠盐、水玻璃、硅质充填物等材料配制低密度水泥浆，最低密度填物等材料配制低密度水泥浆，最低密度1.318g/cm3八十年代八十年代高强度空心微珠水泥浆，密度最低高强度空心微珠水泥浆，密度最低0.96g/cm3泡沫水泥浆，密度低达泡沫水泥浆，密度低达0.72 g/cm3九十年代九十年代斯仑贝谢斯仑贝谢Revil P等利用紧密堆积理论，设计配制的低等利用紧密堆积理论，设计配制的低密度水泥浆性能可与常规密度水泥浆的性能相媲美密度水泥浆性能可与常规密度水泥浆的性能相媲美 国国外外发发展展历历程程低密度水泥浆发展历程低密度水泥浆发展历程 目前
5、斯仑贝谢公司采用目前斯仑贝谢公司采用3M公司生产的密度为公司生产的密度为0.38的具有高强度抗压缩的空心玻璃微珠，可将水泥浆密度的具有高强度抗压缩的空心玻璃微珠，可将水泥浆密度降低至降低至0.98g/cm3，其抗压强度可与正常密度的水泥浆，其抗压强度可与正常密度的水泥浆相当，渗透率比正常密度的水泥石低十倍，并进行了成相当，渗透率比正常密度的水泥石低十倍，并进行了成功应用。功应用。国国外外发发展展历历程程低密度水泥浆发展历程低密度水泥浆发展历程80 年代以来，克拉玛依油田的低压浅层易漏油气井，年代以来，克拉玛依油田的低压浅层易漏油气井，辽河油田的低压稠油热采井及中原油田的中深易漏油气辽河油田的低
6、压稠油热采井及中原油田的中深易漏油气井中使用了漂珠水泥浆固井，但水泥浆强度较低。井中使用了漂珠水泥浆固井，但水泥浆强度较低。最近几年，中国石油集团工程技术研究院用泡沫水泥在最近几年，中国石油集团工程技术研究院用泡沫水泥在长庆油田的低压浅层易漏油气井中成功进行了现场实验，长庆油田的低压浅层易漏油气井中成功进行了现场实验，泡沫水泥浆密度泡沫水泥浆密度1.3-1.35 g/cm3，此后，又用开发的低密高强水泥浆在大港、长庆等油田此后，又用开发的低密高强水泥浆在大港、长庆等油田欠平衡钻井固井中进行了应用实验，水泥浆最低密度欠平衡钻井固井中进行了应用实验，水泥浆最低密度1.3 g/cm3，其综合性能均可
7、满足目的层封固要求，其综合性能均可满足目的层封固要求国国内内发发展展历历程程常用低密度水泥浆的适用范围常用低密度水泥浆的适用范围膨润土低密度水泥浆的最低密度限制值是1.60 gcm3粉煤灰低密度水泥浆的最低密度限制值是1.55 gcm3硅藻土低密度水泥浆体系的最低密度限制值是1.50 gcm漂珠低密度水泥浆体系的最低密度限制值是1.38 gcm3泡沫水泥可以使水泥浆密度低于1.0 gcm3，最低0.72 gcm3常用低密度水泥浆的适用范围常用低密度水泥浆的适用范围常用低密度水泥浆的问题常用低密度水泥浆的问题 低密度水泥由于外掺料的大量掺入，致使水泥浆密度的降低和水泥浆性能发 生矛盾，突出表现在
8、以下几方面：水泥浆体系稳定性差，体系分层离析；水泥浆失水量难以控制；泥浆流变性差，泵送困难；水泥石强度发展慢，强度低，水泥浆石渗透性高，易引起腐蚀性介质的腐蚀，尤其是水泥浆密度低于1.10g/cm3时；泡沫水泥浆和漂珠水泥浆等随着压力增大，泡沫和漂珠易破碎，密度增加很快，所以在井底条件下，水泥浆的实际密度有所上升。低密度水泥浆的要求低密度水泥浆的要求沉降稳定性好，不易分层，上下密度差不超过0.05 g/cm3有较好的流变性能，n值大于0.70，k值小于0.20失水量小，API失水控制在100ml以内抗压强度符合施工要求，常压24小时抗压强度大于6Mpa稠化时间适合施工要求，调整缓凝剂加量能使水
9、泥浆体系稠化时间大于120min过度时间短，防气窜性能好，SPN值小于4新型低密度水泥浆新型低密度水泥浆漂珠低密度水泥浆3M中空玻璃微球低密度水泥浆新型高性能低密度水泥浆新型高性能低密度水泥浆 紧密堆积理论紧密堆积理论水泥浆中的水可分为两部分，一部分水用于润湿水泥颗粒表面，形成水膜，并参与水泥的水化，称之为“水化水”，另一部分水充填在水泥颗粒之间的空隙，称之为“充填水”。水泥浆中水的用量直接影响抗压强度的发展，在水泥浆中使用合适的减阻剂可以减少水化水的用量，但不能减少充填水的用量。充填水的量取决于系统的堆积密度，要减少充填水，就必须提高系统的堆积密度。在水泥浆中，空隙空间通常被水充填，如果在水
10、泥浆中对固相颗粒大小分布优化，采用三种或更多的不同尺寸的颗粒进行级配，通过调节混合固相的大小分布，就能改变固相的堆积体积分数，从而增加抗压强度和降低孔隙度和增加抗压强度和降低孔隙度和渗透率。渗透率。新型高性能低密度水泥浆新型高性能低密度水泥浆G级水泥漂珠微硅和超细水泥新型高性能低密度水泥浆新型高性能低密度水泥浆根据紧密堆积理论，在组成水泥浆固相中应该有3种或三种以上尺寸的颗粒，在选择干混材料时，不仅要考虑材料的密度，与水泥的相溶性，还要考虑材料的颗粒形状、吸附性能，水膜厚度等因素我们将G级水泥作为粒度为中等尺寸的颗粒，根据对G级油井水泥的粒度分析，普通G级油井水泥的粒径约在20m左右。对于粒度
11、较粗的颗粒，由于漂珠呈球形，而且本身密度极小，仅0.7g/cm3左右，因此，漂珠就成了粗颗粒材料的首选。漂珠是中空的圆形球体，其流动性极好。漂珠的粒度不能太粗，太粗则容易浮在水泥浆面上，而不易均匀地分散在水泥浆中，容易造成水泥浆分层，影响水泥浆的稳定性，因此，我们选择粒径较小的细漂珠作为低密度水泥浆中的粗颗粒干混材料。对于粒度较细的颗粒，在减轻材料中，只有微硅和超细水泥的细度能满足要求，因此，我们选择了分别以微硅和超细水泥为主要成分的充填剂作为充填空隙的材料。漂珠水泥浆的不足漂珠水泥浆的不足密度不能达到110gcm3以下高压破碎使密度增大新型高性能低密度水泥浆新型高性能低密度水泥浆 3M公司生
12、产的HGS中空玻璃微球，性能优于常用的普通漂珠，其配制的水泥浆体系各项指标均优于普通漂珠配制的水泥浆体系，可以有效的解决漂珠存在的缺陷。低密度水泥漂浮在水面低密度水泥漂浮在水面HGS玻璃微球低密度水泥浆玻璃微球低密度水泥浆可使水泥浆密度降到0.90gcm3玻璃微球的破碎压力较高，用离心泵泵送也不会对实际密度产生较大影响 与大多数体系兼容良好，能有效降低粘度和改善流动度耐高温，化学稳定，水泥石的拉伸强度、抗压强度、杨氏模量均优于漂珠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HGS低密度水泥浆体系低密度水泥浆体系添加中空玻璃微球生产低密度水泥浆非常方便，由于HGS中空
13、玻璃微球化学惰性，不与水泥浆中的化学成分发生反应，因此，水泥浆的密度计算非常容易。计算方法为：式中,V为HGS在泥浆中的体积百分比;基浆为基浆初始密度;目标为所需目标水泥浆密度HGS为所选HGS型号中空玻璃微球密度新型高性能低密度水泥浆性能新型高性能低密度水泥浆性能稳定性流变性失水性防气窜性能稠化性能水泥石强度稳定性测试稳定性测试上下密度差小于0.050 g/cm3，满足施工要求流变性测试流变性测试 加入适量分散剂HTP-1L，使流动度控制在19-23cm范围内 n值均大于0.70，k值均小于0.20，水泥浆稳定，不沉降，具有良好的流变性能，可有效实现紊流顶替，提高顶替效率水泥石抗压强度测试水
14、泥石抗压强度测试密度（g/m3）1.201.091.061.041.000.901.10HGSHGSHGSHGSHGSHGS普通漂珠MPa(80)23.822.010.99.08.65.612.5失水性测试失水性测试密度（g/m3）1.201.091.061.041.000.9055失水（ml）35363839404475失水（ml）404242385356防气窜性能测试防气窜性能测试密度（g/m3）1.201.091.061.041.000.90T100（min）168150189312241178T100（min）165144177307217167 SPN1.0183.5933.4023
15、.7623.2653.652105/60MPa 下测试防气窜性能测试防气窜性能测试SPN 为为1-3 时，水泥浆防气窜性能优良时，水泥浆防气窜性能优良SPN 为为4-6 时，水泥浆防气窜性能中等时，水泥浆防气窜性能中等SPN大于大于6 时，水泥浆防气窜性能差时，水泥浆防气窜性能差稠化时间稠化时间稠化时间是固井作业中的关键指标，过短的稠化时间容易造成水泥浆在套管内凝固而引起憋泵；过长的稠化时间则可能引起层间流体的窜流，导致水泥环封固质量差密度大于1.06 g/cm3 时，不加入缓凝剂，稠化时间也能大于160min对密度小于1.06 g/cm3的水泥浆体系，加入一定量的缓凝剂，也能使其稠化时间大于
16、120min，满足施工要求固井高性能添加剂总结固井高性能添加剂总结HGS中空玻璃微球耐中空玻璃微球耐压强度高，粒径小，密度低度高，粒径小，密度低 低候凝时间低候凝时间 - 因为HGS的保温效果好，加速水泥浆的凝固12小时和小时和24小时强度高小时强度高 - 候凝时间短确保HGS水泥浆在短时间内具有较高的强度 降低漏失降低漏失 - 很宽的产品密度范围帮组降低水泥浆漏失的可能性有效防止气窜 有效防止气窜有效防止气窜 环空气窜的三个途径环空气窜的三个途径环空气窜的三个途径环空气窜的三个途径 由于由于顶替效率不高顶替效率不高顶替效率不高顶替效率不高造成水泥浆窜槽。造成水泥浆窜槽。HGSHGS中空玻璃微
17、球由于外形规则中空玻璃微球由于外形规则, ,具具有有” ”滚珠效应滚珠效应” ”, ,降低水泥浆泵送摩擦阻力，改善水泥浆的流动性能降低水泥浆泵送摩擦阻力，改善水泥浆的流动性能, ,同等同等条件下提高顶替效率条件下提高顶替效率. . 水泥石与套管及水泥石与地层之间存在微环隙。其形成原因是由于水泥浆水泥石与套管及水泥石与地层之间存在微环隙。其形成原因是由于水泥浆凝固时化学收缩或由于水泥浆自由水析出以及由于温度压力变化形成的凝固时化学收缩或由于水泥浆自由水析出以及由于温度压力变化形成的（室内试验表明水泥石的体积收缩率可达到（室内试验表明水泥石的体积收缩率可达到6 6）。）。HGSHGS高温稳定性好高
18、温稳定性好, ,不不会产生收缩会产生收缩, ,降低水泥石的收缩率降低水泥石的收缩率. . 水泥浆失重水泥浆失重 由于中空玻璃微球承压能力高，空心含有一定空气，保温由于中空玻璃微球承压能力高，空心含有一定空气，保温效果好，可以缩短水泥浆的候凝时间，因此，中空玻璃微球低密度水泥能效果好，可以缩短水泥浆的候凝时间，因此，中空玻璃微球低密度水泥能有效降低水泥浆失重。有效降低水泥浆失重。使用情况使用情况国外每年有几百口油气井使用国外每年有几百口油气井使用3M3M高强度玻璃微球固井高强度玻璃微球固井国内在普光气田、中石油川东北气田、胜利油田、塔里木油田、克拉马依国内在普光气田、中石油川东北气田、胜利油田、
19、塔里木油田、克拉马依有几十口井使用，中石化重点井塔中一井也使用了玻璃微球固井有几十口井使用，中石化重点井塔中一井也使用了玻璃微球固井HGS中空玻璃微球中空玻璃微球在低密度钻井液中的应用低压低渗层开采难题低压低渗层开采难题据研究，低渗油层吸水伤害可达25%50%，特低渗油层可达50%90%低渗储层细喉流道为主，导致了储层对液相伤害、固相伤 害敏感低渗透对应着低储层压力，一般低于0.9。用常规方法钻井、固井、完井容易形成高压 差，从而导致了严重伤害，甚至不可恢复的伤害 。欠平衡钻井技术欠平衡钻井技术欠平衡钻井的优势提高硬地层的机械钻速；减少循环漏失和压差卡钻等优点；提高钻头寿命；减少和防止水平井钻
20、井中钻井液对地层的损害。欠平衡钻井的方法空气/氮气、泡沫、油水混合、低密度固相。各类欠平衡钻井技术的不足各类欠平衡钻井技术的不足空气钻井缺点无法进行MWD信号传输井壁稳定性差，容易出现坍塌地层出水无法应用扩径现象严重钻具腐蚀性强钻遇油气层着火和爆炸油水混合钻井液的不足环境污染严重HGS 作为密度减轻剂加入钻井液和完井液中，最大能加入到50的体积浓度.现有钻井液现有钻井液HGS低密度低密度钻井液钻井液+1.02 SG8.5 ppg0.38 SG3.2 ppg0.70 SG5.8 ppg低密度钻井液制备低密度钻井液制备清水清水油基泥浆油基泥浆油油充气泥浆充气泥浆HGS泡沫泥浆泡沫泥浆稳定泡沫稳定泡
21、沫雾化钻井雾化钻井空气、气体空气、气体0123456789钻井液密度钻井液密度 (PPG)1g/cc=8.3ppg低密度钻井液密度范围低密度钻井液密度范围0.7-1.0g/cm3HGS4000浓度浓度 (% 体积体积)020406080100120140160180010203040假塑性粘度假塑性粘度PHPAOilmudKCICaCl2CaBr2ZnBr2SynthNaClHGS4000浓度浓度 (% 体积体积)01020304050607080010203040屈服值屈服值钻井液流变性测试钻井液流变性测试三缸单作用三缸单作用柱塞泵柱塞泵供料供料泵泵泥浆泥浆搅拌器搅拌器50 gal.泥浆槽泥
22、浆槽振动筛振动筛 节流阀节流阀花岗岩花岗岩压力容器压力容器喷嘴喷嘴可调解可调解管线管线研究显示，中空玻璃微球在通过钻井泥浆泵和泥浆地面处理设备时不会被破坏钻井研究中心，美国休斯敦钻井研究中心，美国休斯敦钻井液破坏实验钻井液破坏实验DISPLACEMENTFLUID BACK PRESSUREREGULATOR矿场矿场盐水盐水 试验试验泥浆泥浆 CONFINEMENTPUMP泥浆泥浆 储槽储槽 PBPAMAIN PUMPREVERSING VALVEAB(W. J. McDonald et. al, DOE 1999 Oil & Gas Conference, Dallas, Texas, Ju
23、ne 28-30, 1999)地层伤害试验（德克萨斯大学）采用Berea砂岩岩心试验结果证明，HGS能有效降低地层伤害钻井液地层伤害实验钻井液地层伤害实验 添加HGS的水基钻井液不会对近井地带 造成永久性的伤害. 没有添加HGS的水基泥浆造成渗透率下降45的永久性伤害020406080100120020406080100120 盐水回注盐水回注, PV渗透率恢复值渗透率恢复值 (%)16% Spheres26% Spheres36% Spheres0% Spheres100% = 18.2 md (W. J. McDonald et. al, DOE 1999 Oil & Gas Confer
24、ence, Dallas, Texas, June 28-30, 1999)钻井液地层伤害实验钻井液地层伤害实验最简单有效的方法是重复利用泥浆HGS中空玻璃微球回收实验中空玻璃微球回收实验 静置后低密度的HGS中空玻璃微会浮上表面 用水稀释后，就更容易分离 研究表明回收率在 70%-95%包装和运输包装和运输从仓库到井场从仓库到井场可以使用的可以使用的HGS包装包装: 小箱小箱 (100 lbs.) 大箱大箱 (800 lbs.)斑土.010.1110100100010,000 玻璃微球固相泥粉砂粗砂砂砾2001006020筛眼，目固含量微米HGS 能顺利通过能顺利通过: 泥浆泵泥浆泵 振动筛
25、振动筛 旋流器旋流器 离心泵离心泵与泥浆设备的兼容性与泥浆设备的兼容性HGS的矿场操作方法的矿场操作方法人工方法人工方法机械方法机械方法现有的文氏管现有的文氏管闸板阀闸板阀现有的漏斗现有的漏斗管头管头真空密封真空密封;连接到包装箱的软管连接到包装箱的软管漏斗上夹住软管的夹板漏斗上夹住软管的夹板To pit泥浆泵泥浆泵法兰法兰另外：可以不要漏斗，直接用另外：可以不要漏斗，直接用424”管子焊接在法兰盘上，然后安管子焊接在法兰盘上，然后安装在文式管，在管子顶端装上截止阀，然后套上软管，接在包装箱装在文式管，在管子顶端装上截止阀，然后套上软管，接在包装箱上。上。 加料漏斗加料漏斗漏斗和真空系统漏斗和
26、真空系统泥浆很容易配置泥浆很容易配置:在泥浆工厂或井场在泥浆工厂或井场加料准备加料准备应用优势应用优势高压下钻井液体积不会发生收缩，密度恒定，井下水力计算简单，MWD信号传输良好高温下性质稳定，微球的软化温度为600，保证其在各种高温高压及复杂井况中得到应用学性质稳定，与现有的钻井液体系兼容，不会腐蚀钻具使用简单，不需要额外的配套设备无环境污染问题应用情况应用情况在国内中石油西南油气田、大庆油田开始使用在中石化华北分公司开始使用与中石油钻井院、中石化勘探开发研究院、中石油西南分公司钻采院合作开展了大量的研究工作现场应用图片离心机现场应用图片离心机泥浆池循环回收现场服务人员Thank You. Questions? Please visit: http:/
