李萬東

（中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，西安 710018）

0 引言

隨著對復(fù)雜油氣層的勘探開發(fā)，石油行業(yè)對固井水泥漿提出了更高的要求，特別是對易漏區(qū)塊油氣井、封固段長的深井和地層破裂壓力低的深水井進(jìn)行固井施工，既要對低壓易漏地層固井，又要防止水泥漿低返，常規(guī)密度水泥漿已經(jīng)無法滿足相關(guān)技術(shù)需求[1-3]，因此固井現(xiàn)場對超低密度水泥漿體系的應(yīng)用日漸增多。

目前，由于固井技術(shù)的進(jìn)步，即便不采用氣體發(fā)泡技術(shù)，也可以配制密度小于1.00 g/cm3的超低密度水泥漿體系[4-5]。通常這些超低密度水泥漿在水泥和減輕材料基礎(chǔ)上，利用顆粒級配和緊密堆積原理，加入微硅、超細(xì)水泥等無機(jī)材料提高水泥漿體系穩(wěn)定性以及水泥石強(qiáng)度[6-8]；使用堵漏纖維材料應(yīng)對裂縫-孔隙型漏層[9]；或者加入低溫外加劑，使水泥漿強(qiáng)度性能在中等或較低的溫度下也有良好的發(fā)展[10-11]。但是，在實(shí)際固井應(yīng)用中，由于減輕材料的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水泥、微硅、超細(xì)水泥，加之其不同批次原料物性存在差異，隨著水泥漿設(shè)計(jì)密度的降低，現(xiàn)場漿體性能極易波動，很難完全實(shí)現(xiàn)水泥漿的性能穩(wěn)定。因此，如果忽略水泥漿應(yīng)用方案的適用性，將用于常規(guī)水泥漿體系的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場試驗(yàn)方法及混漿操作用于超低密度水泥漿體系，水泥漿實(shí)際密度、流變參數(shù)的穩(wěn)定性將面臨很大挑戰(zhàn)，在固井過程中發(fā)生質(zhì)量事故的風(fēng)險(xiǎn)也將大大增加。

筆者探究了在固井現(xiàn)場應(yīng)用中，超低密度水泥漿體系性能保持穩(wěn)定、固井作業(yè)成功所必需考慮的相關(guān)問題，主要包括減輕材料的選擇，液固比的設(shè)計(jì)窗口，井下環(huán)境的影響，抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法，水泥漿質(zhì)量控制，混灰和轉(zhuǎn)運(yùn)過程控制和LVF動態(tài)混漿控制。

我國低壓、易漏油氣井在長慶油田、塔里木油田、大牛地氣田、南海油氣田等廣泛分布[12]，例如鄂爾多斯盆地北部大牛地氣田的氣層壓力梯度小于1.00 g/cm3，其中一些薄弱地層要求固井水泥漿密度低至1.20 g/cm3，因此超低密度水泥漿體系的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 減輕材料的選擇

非泡沫超低密度水泥漿體系一般是通過低密度材料與水泥混合制成的。向水泥中添加低密度材料，例如粉煤灰漂珠（密度為0.4～0.8 g/cm3）或空心玻璃微珠（密度為0.35～0.60 g/cm3）可以降低水泥漿的密度，同時(shí)保持水泥漿體系的低液固比。這種低液固比是超低密度水泥漿體系保持較高抗壓強(qiáng)度和較強(qiáng)力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。用粉煤灰漂珠混配的高性能水泥漿，其實(shí)際最小密度能達(dá)到1.08 g/cm3，而使用空心玻璃微珠則可以將水泥漿密度降至0.90 g/cm3。

1.1 粉煤灰漂珠

粉煤灰漂珠是燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的副產(chǎn)品。據(jù)估計(jì)，石油工業(yè)使用了約24%的此類產(chǎn)品，其余部分則作為垃圾填埋。煤炭燃燒發(fā)電時(shí)，會釋放粉煤灰，釋放的粉煤灰中約有20%的玻璃體顆粒，其主要由二氧化硅和氧化鋁組成。這些玻璃體顆粒，也稱為空心顆粒，是一種空心、充氣、剛性的球體，因此被用作超低密度水泥漿體系的減輕材料。填充球體的氣體主要由空氣、氮?dú)饣蚨趸冀M成，性能穩(wěn)定，顆粒的密度為0.4～0.9 g/cm3，直徑為20～200 μm。圖1 是粉煤灰漂珠樣品在掃描電子顯微鏡（SEM）下的顯微照片。通過圖1 可以看到，其粒徑分布較廣，而且存在破碎的顆粒，并不是所有微珠都具有優(yōu)良的質(zhì)量和完整性。一些顆粒具有一定的角度和多孔表面，不是標(biāo)準(zhǔn)球體。正因?yàn)椴Ａw顆粒的質(zhì)量存在這種差異，所以其密度范圍在0.4～0.9 g/cm3之間變化很大，這種密度的較大差異可能會導(dǎo)致在超低密度水泥漿體系設(shè)計(jì)和現(xiàn)場固井作業(yè)中產(chǎn)生錯誤和問題。

圖1 通常狀況下粉煤灰漂珠樣品在SEM 下的顯微照片

這種密度差異的另一個結(jié)果是，從一批物料到另一批物料，粉煤灰漂珠的抗破碎性能會變化很大，這可能導(dǎo)致在井下環(huán)境中，由于微珠受到靜水壓力而開始破碎，水泥漿的密度和黏度突然增加。但是，如果提前在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室中認(rèn)識到并量化了這種密度差異，這些潛在的危害因素并非無法克服。為了解決這個問題，必需使用氣體密度瓶測量每批漂珠的實(shí)際密度，然后對水泥漿配方進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整；另外，必需在預(yù)計(jì)的井下壓力和溫度下測量水泥漿性能，包括密度、流變參數(shù)、稠化時(shí)間和強(qiáng)度發(fā)展。

1.2 空心玻璃微珠

為了解決使用粉煤灰漂珠帶來的上述問題，也為了繼續(xù)提高超低密度水泥漿性能，空心玻璃微珠是比較容易得到的替代材料?？招牟Ａ⒅槭且环N工業(yè)產(chǎn)品，與粉煤灰漂珠相比具有更高的強(qiáng)度-質(zhì)量比，在井下環(huán)境中具有更好的抗破碎性能。工業(yè)生產(chǎn)的空心玻璃微珠具有良好的顆粒球形度以及穩(wěn)定的抗壓強(qiáng)度，目前其常用產(chǎn)品系列按照壓力等級分為2000、4000、5000、6000、10 000 和18 000 psi。圖2 是空心玻璃微珠樣品的SEM 顯微照片。與粉煤灰漂珠相比，空心玻璃微珠的粒徑分布更均勻，強(qiáng)度更高，性能也更穩(wěn)定，但是另一方面，空心玻璃微珠作為人工材料，其成本也更高。由于生產(chǎn)過程能夠設(shè)計(jì)產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度且微珠的完整性更好，因此使用空心玻璃微珠作為超低密度水泥漿體系的減輕材料從理論上為深井固井提供了更簡單的解決方案。

圖2 空心玻璃微珠樣品在SEM 下的顯微照片

1.3 微珠的選擇

圖3 和圖4 比較了粉煤灰漂珠和空心玻璃微珠樣品在通常狀況下的抗破碎性能。在超低密度水泥漿體系設(shè)計(jì)中，可以參考這些曲線根據(jù)井下條件對設(shè)計(jì)值作相應(yīng)校正，水泥漿的實(shí)際密度根據(jù)微珠在井下壓力下的密度進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了量化部分微珠破碎帶來的影響，在實(shí)驗(yàn)室對水泥漿施加相應(yīng)井下壓力后再進(jìn)行密度測量。在地面條件下，微珠的平均密度和水泥漿的密度都會比井下壓力下更低。因此，在對水泥漿施加井下壓力之前，還應(yīng)該測量地面條件下水泥漿體系的密度和流變參數(shù)，以便確定現(xiàn)場固井作業(yè)中地面的混配條件。從這2 種減輕材料中進(jìn)行選擇，需要綜合考慮成本、性能與風(fēng)險(xiǎn)等因素。在井下壓力較低的常規(guī)井固井作業(yè)中，粉煤灰漂珠作為減輕材料，不僅能降低成本而且可以達(dá)到良好的使用效果。相比之下，對于那些對減輕材料抗壓強(qiáng)度有嚴(yán)格要求的特殊井，例如在塔里木油田的深井、超深井固井作業(yè)中，使用空心玻璃微珠作為減輕材料將會是更好的選擇。

圖3 粉煤灰漂珠產(chǎn)品的密度隨所受壓力的變化曲線

圖4 空心玻璃微珠產(chǎn)品的密度隨所受壓力的變化曲線

2 液固比的設(shè)計(jì)窗口

如前所述，超低密度水泥漿體系的強(qiáng)度發(fā)展取決于液固比的設(shè)計(jì)，該比率可以通過液體體積分?jǐn)?shù)（LVF，Liquid Volume Fraction）來量化，即水泥漿中的總液體體積除以水泥漿總體積的比率。根據(jù)圖5、圖6 的超聲波水泥分析儀（UCA）測試結(jié)果所示，對于密度為1.26 g/cm3的超低密度水泥漿體系，LVF對水泥漿的強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生了很大影響，當(dāng)LVF從0.50 降至0.38 時(shí)，72 h 后水泥石的抗壓強(qiáng)度從2550 psi 增加到3900 psi。但是需要注意的是，LVF降至0.38 的水泥漿可能會因?yàn)轲ざ忍蠖鵁o法用常規(guī)固井設(shè)備泵送。相反，具有非常高LVF（通常高于0.52）的超低密度水泥漿則會出現(xiàn)漿體不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致水泥顆粒沉降現(xiàn)象以及水泥漿抗壓強(qiáng)度發(fā)展差等結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究及現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為了獲得性能優(yōu)良的超低密度水泥漿體系，其設(shè)計(jì)LVF應(yīng)該在0.44～0.48 這個相對窄范圍內(nèi)確定。因此，為了解決由于微珠質(zhì)量和密度的變化造成干灰混合物構(gòu)成變化所產(chǎn)生的問題，在設(shè)計(jì)超低密度水泥漿體系時(shí)，必需保證其液體體積分?jǐn)?shù)在0.44～0.48 的LVF窗口內(nèi)。例如，假設(shè)將水泥漿LVF設(shè)計(jì)為0.5，該值已經(jīng)接近通常狀況下超低密度水泥漿體系穩(wěn)定的上限值，如果現(xiàn)場固井作業(yè)過程中，由于微珠的實(shí)際密度變化導(dǎo)致實(shí)際LVF變?yōu)?.52，那么水泥漿體系會變得不穩(wěn)定。確定了LVF窗口，就為超低密度水泥漿體系設(shè)計(jì)提供了更大的容差，可以更好地適應(yīng)減輕材料性能的變化。

圖5 LVF 為0.5 時(shí)密度1.26 g/cm3 的超低密度水泥漿強(qiáng)度發(fā)展曲線

圖6 LVF 為0.38 時(shí)密度1.26 g/cm3 的超低密度水泥漿強(qiáng)度發(fā)展曲線

3 井下環(huán)境的影響

如前所述，在現(xiàn)場泵注超低密度水泥漿的過程中，其中的微珠（特別是粉煤灰漂珠）的破碎，可能會通過影響水泥漿體系的黏度、穩(wěn)定性和造漿率而對固井作業(yè)產(chǎn)生不利影響。隨著微珠的破碎，由于壓實(shí)作用，水泥漿總體積減??；此外，隨著減輕材料的破碎，其密度也增加到了2.65 g/cm3，這部分高密度材料加入到原本的低密度減輕材料中，微珠的平均密度會增加。如果在最初設(shè)計(jì)中未考慮到水泥漿體系中會產(chǎn)生較高密度的材料，就會導(dǎo)致超低密度水泥漿體系的不穩(wěn)定和沉淀現(xiàn)象。

在長慶區(qū)域固井作業(yè)中使用的密度為1.26 g/cm3的水泥漿是用粉煤灰漂珠作為減輕材料，以地面密度1.26 g/cm3配制的。但是在對水泥漿施加井底壓力后，破碎的微珠使水泥漿密度增加了將近0.11 g/cm3達(dá)到1.37 g/cm3，黏度增加了57%達(dá)到275 mPa·s，如表1 所示，井下環(huán)境中，超低密度水泥漿體系密度和黏度的增加會非常明顯。這些變化將使超低密度水泥漿在井下環(huán)境中產(chǎn)生高于預(yù)期的流動黏度，從而導(dǎo)致等效循環(huán)密度（ECD，Equivalent Circulating Density）增加，甚至導(dǎo)致井下水泥漿泵送困難，這2 種情況都可能造成水泥漿漏失或固井作業(yè)終停。此外，水泥顆粒的沉降可能導(dǎo)致井眼上部水泥漿液相的濾失，隨后造成水泥膠結(jié)和封固質(zhì)量差的結(jié)果。

表1 粉煤灰漂珠破碎前后超低密度水泥漿性能對比

作為應(yīng)對，如果能建立起微珠破碎程度與井下壓力的關(guān)系，就能夠更好地進(jìn)行水泥漿設(shè)計(jì)。例如北美落基山地區(qū)某大型固井服務(wù)商使用的超低密度水泥漿體系，在深井固井施工時(shí)，盡管井下靜水壓力達(dá)到8300 psi，其仍然使用低成本的粉煤灰漂珠作為減輕材料。通過施加水力壓力以量化微珠破碎程度，對于密度1.20 g/cm3的水泥漿，其密度最大增量為0.14 g/cm3，最終密度為1.34 g/cm3。在固井設(shè)計(jì)中充分考慮了水泥漿密度和流變性在井下環(huán)境發(fā)生的這些變化，現(xiàn)場作業(yè)中將水泥漿以略低的密度在地面條件下混配及泵注，最終使其在井下環(huán)境中達(dá)到1.20 g/cm3的最終密度。

4 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法

研究高性能超低密度水泥漿體系的主要目的是達(dá)到比常規(guī)分散水泥漿體系更高的水泥石抗壓強(qiáng)度。目前現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室中普遍使用超聲波水泥分析儀（UCA）來測量水泥漿的強(qiáng)度發(fā)展，但是如果需要確定水泥石的最小抗壓強(qiáng)度，那么在使用無損聲波技術(shù)測試時(shí)就需要特別注意。因?yàn)閷τ诔兔芏人酀{體系，不同的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法所得到的結(jié)果會有差異，尤其是使用空心玻璃微珠作為減輕材料的情況，超聲波水泥分析儀的測試結(jié)果和破壞性實(shí)驗(yàn)（水泥立方塊抗壓實(shí)驗(yàn)）結(jié)果之間存在顯著的差異。對使用空心玻璃微珠作為減輕材料配制的密度為1.26 g/cm3的水泥漿進(jìn)行UCA 測試，通過“低密度算法”，結(jié)果如圖7 所示，該圖顯示在測試的后期，抗壓強(qiáng)度明顯降低。而通過破壞性實(shí)驗(yàn)對UCA 測試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)，相比UCA 測試結(jié)果，真實(shí)的抗壓強(qiáng)度在48 h 后高約700 psi，在72 h 后高約1000 psi。即便考慮到破壞性實(shí)驗(yàn)方法存在標(biāo)準(zhǔn)偏差，這些相對較高的抗壓強(qiáng)度也清楚說明了UCA 測試的錯誤結(jié)果。

圖7 密度1.26 g/cm3 的超低密度水泥漿在UCA 測試中最終強(qiáng)度下降現(xiàn)象

因此，對于超低密度水泥漿體系的強(qiáng)度評價(jià)，推薦使用UCA 測試記錄水泥漿早期強(qiáng)度以及表征其初始強(qiáng)度發(fā)展過程；如果需要確定水泥石24 h或48 h 的最終抗壓強(qiáng)度，則推薦進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)，以獲得較準(zhǔn)確的評價(jià)結(jié)果。

5 水泥漿質(zhì)量控制

超低密度水泥漿體系中含有減輕材料，因此其對配液和微珠含量的細(xì)小變化或水泥漿密度的細(xì)小變化都很敏感。配液量保持恒定時(shí)，干灰混合物中微珠含量的細(xì)小變化（±1%）都會導(dǎo)致水泥漿密度的較大變化。在微珠含量保持恒定的情況下，水泥漿密度的細(xì)小變化（±0.02 g/cm3）同樣會導(dǎo)致所需配液量的較大變化。如果忽略這個問題，那么設(shè)計(jì)密度為1.20 g/cm3的超低密度水泥漿，通過現(xiàn)場混配，實(shí)際密度可能會達(dá)到1.22 g/cm3，此時(shí)水泥漿由于黏度太大將難以混配及泵注；或者實(shí)際密度降至1.18 g/cm3而造成超低密度水泥漿體系的不穩(wěn)定，發(fā)生沉降現(xiàn)象。

當(dāng)超低密度水泥漿體系的設(shè)計(jì)密度接近配液的密度時(shí)，這種敏感性將變得更加突出。使用空心玻璃微珠作為減輕材料時(shí)，因?yàn)槠涿芏冗h(yuǎn)低于粉煤灰漂珠，所以超低密度水泥漿體系性能對配液量及水泥漿密度變化的敏感度更高。密度或微珠含量變化引起水泥漿性能的變化幅度可以使用相關(guān)軟件計(jì)算確定。從混漿和現(xiàn)場操作的角度，必需采取嚴(yán)格的措施以確保混漿過程中各成分含量與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的配方組成充分吻合。

在水泥漿設(shè)計(jì)中，確定要使用的那批次減輕材料的密度（以絕對體積測量）至關(guān)重要，微珠的密度必須精確到小數(shù)點(diǎn)后2 位，應(yīng)在物料不同位置提取多個樣品進(jìn)行測量，取其平均密度。如果在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室對超低密度水泥漿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，推薦使用氣體密度瓶，該儀器通常用于精確密度的測量。特別對于設(shè)計(jì)密度在1.01～1.14 g/cm3范圍內(nèi)的超低密度水泥漿體系，微珠密度0.01 g/cm3的誤差也會在組分比例計(jì)算中造成重大差異。

含減輕材料水泥漿的實(shí)驗(yàn)與常規(guī)水泥漿實(shí)驗(yàn)有些不同。除了API RP-10B-2[13]（ISO 10426-2：2003[14]）中定義的常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法外，還存在一些特殊的實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。初始混配和任何加壓操作之后，考慮到微珠的破碎，都應(yīng)該對水泥漿密度進(jìn)行測量。在稠化實(shí)驗(yàn)期間，應(yīng)持續(xù)監(jiān)控水泥漿的稠度，以確保流體的熱稀化不會引起固相分離或沉降。在最終的溫度和壓力下，如果漿體的稠度小于10 Bc，應(yīng)該從稠度儀上取下樣品杯并目視檢查樣品頂部是否有微珠聚集或杯子底部是否有固相沉積，以評估漿體的穩(wěn)定性。

在進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試之前，應(yīng)將水泥漿置于井下壓力和溫度環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，模擬水泥漿在頂替階段所處的環(huán)境。根據(jù)API RP10B-3[15]（ISO 10426-3：2003[16]）的要求，對于大尺寸套管-井眼組合還需要考慮水泥漿熱容的影響，尤其在深水井結(jié)構(gòu)套管固井作業(yè)中。對于低溫深水井結(jié)構(gòu)套管固井，一般建議UCA 測試先將水泥漿在井底循環(huán)溫度下養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間，該時(shí)間即替量所需的時(shí)間，然后在4 h內(nèi)將溫度升至井底靜止溫度。當(dāng)水泥抗壓強(qiáng)度達(dá)到50 psi 時(shí)，將溫度升至35 ℃，之后實(shí)驗(yàn)中溫度保持恒定。最后的升溫過程即是模擬由于大量水泥漿水化放熱而引起的溫度升高，此過程僅適用于直徑為φ339.73 mm 或更大尺寸套管的低溫固井作業(yè)。

6 混灰和轉(zhuǎn)運(yùn)過程控制

由于減輕材料的密度（0.35～0.90 g/cm3）和水泥的密度（2.75～3.18 g/cm3）存在較大差異，因此混灰和轉(zhuǎn)運(yùn)過程是得到分散均勻、性能穩(wěn)定的干灰的關(guān)鍵步驟?；旌蠝p輕材料與水泥有很多種方法，但是一般建議的方法是：先將1/3 的水泥添加到攪拌機(jī)中，然后再添加1/3 的減輕材料，依此類推完成攪拌混合。將混合好的干灰從攪拌機(jī)轉(zhuǎn)移到干灰罐的過程應(yīng)盡可能在最低氣壓下進(jìn)行，以避免一部分微珠進(jìn)入排氣管或集塵器中造成損失或者部分微珠因?yàn)闅鈮哼^大被吹到干灰罐的頂部。此外，需要特別注意的是，將干灰從干混站轉(zhuǎn)運(yùn)到鉆井隊(duì)現(xiàn)場下灰罐的過程，轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)要盡可能少，最好干灰混合完成后，通過一次轉(zhuǎn)運(yùn)直接進(jìn)入現(xiàn)場水泥下灰罐。對于深井固井作業(yè)，在實(shí)際條件允許范圍內(nèi)，建議混合好的干灰轉(zhuǎn)運(yùn)到鉆井隊(duì)下灰罐的時(shí)間與固井作業(yè)預(yù)期時(shí)間盡可能接近。運(yùn)送干灰的車輛一旦出發(fā)，在作業(yè)當(dāng)天之前不得再次攪拌混合物，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致灰罐中減輕材料和水泥分層。在作業(yè)當(dāng)天，建議在能達(dá)到的最小氣壓下將干灰從灰罐車轉(zhuǎn)移到一個空的下灰罐中。最大程度地減少在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中由于過大的吹氣壓力以及在鉆井現(xiàn)場存儲過程中受鉆機(jī)振動而引起的干灰分層現(xiàn)象。

如前所述，這些用來混配超低密度水泥漿體系的干灰對減輕材料的含量和密度變化異常敏感，因此不建議將“舊”混合物與“新”混合物摻混。先前作業(yè)中剩余的“舊”干灰通常具有比最初設(shè)計(jì)值更高的微珠含量。這是因?yàn)樵谙惹暗墓叹鳂I(yè)中，下灰罐底部的干灰首先被使用，而剩余的干灰則來自下灰罐的上部，由于存在之前討論過的分層現(xiàn)象，這部分干灰中微珠含量通常會升高。因此，如果在下灰罐中加滿“新”干灰進(jìn)行后續(xù)作業(yè)，則水泥漿剛開始的混配過程可能無法正常進(jìn)行，并引發(fā)相關(guān)操作問題。

最后，至關(guān)重要的一步是從固井作業(yè)現(xiàn)場下灰罐中取出具有代表性的干灰樣品，并在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室中用氣體密度瓶測量干灰樣品的密度，從中推斷出減輕材料的實(shí)際含量。這可以幫助優(yōu)化混漿操作的設(shè)計(jì)，預(yù)估可能出現(xiàn)的問題并及時(shí)制定應(yīng)對措施。

7 LVF 動態(tài)混漿控制

7.1 混漿操作誤差

隨著超低密度水泥漿體系的設(shè)計(jì)密度逐漸接近配液的密度，組分含量的微小差異將對水泥漿性能參數(shù)產(chǎn)生巨大影響。如圖8 所示，虛線包圍的陰影部分為LVF窗口，LVF高于0.38 以確保水泥漿易混配及泵注，低于0.52 以確保漿體穩(wěn)定。當(dāng)水泥漿設(shè)計(jì)密度為1.14 g/cm3、設(shè)計(jì)LVF為0.45 時(shí)，如果由于干灰混合不均勻、轉(zhuǎn)運(yùn)或存儲過程不當(dāng)，造成微珠含量產(chǎn)生約±2%的微小變化，而固井現(xiàn)場混漿操作繼續(xù)按照設(shè)計(jì)密度執(zhí)行，水泥漿必然會變得難以泵送或出現(xiàn)體系不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)密度接近配液密度時(shí)，現(xiàn)場操作誤差對超低密度水泥漿體系性能的影響將更加顯著。此外，當(dāng)水泥漿設(shè)計(jì)密度低于配液密度時(shí)，相關(guān)影響則會相反。

圖8 設(shè)計(jì)密度為1.14 g/cm3、LVF 為0.45 的超低密度水泥漿的混漿操作窗口

如圖9 所示，當(dāng)超低密度水泥漿設(shè)計(jì)密度為0.96 g/cm3、設(shè)計(jì)LVF為0.45 時(shí)，比起微珠含量的變化，實(shí)際水泥漿密度的變化造成的后果將更嚴(yán)重，如果實(shí)際密度比設(shè)計(jì)高0.02 g/cm3達(dá)到0.98 g/cm3，這將導(dǎo)致水泥漿體系完全不穩(wěn)定；如果實(shí)際密度比設(shè)計(jì)低0.02 g/cm3降至0.94 g/cm3，這又會導(dǎo)致水泥漿完全無法混配。因此，當(dāng)超低密度水泥漿體系設(shè)計(jì)密度低于1.20 g/cm3時(shí)，現(xiàn)場混漿操作誤差影響巨大，建議使用LVF混漿控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用LVF作為控制參數(shù)，而不是水泥漿密度。

圖9 設(shè)計(jì)密度為0.96 g/cm3、LVF 為0.45 的超低密度水泥漿的混漿操作窗口

7.2 LVF控制系統(tǒng)

常規(guī)使用的密度控制系統(tǒng)，其工作窗口為±0.02 g/cm3，這對于混配和泵送常規(guī)水泥漿是足夠的，因?yàn)槌Ｒ?guī)水泥漿的設(shè)計(jì)密度和配液密度之間相差較大，具有足夠大的密度比。但當(dāng)水泥漿設(shè)計(jì)密度接近配液密度時(shí)，水泥漿密度的細(xì)微變化將意味著水泥漿體系液固比的顯著變化，這種變化如表2 中所示。對于固相和配液之間具有大密度比的水泥漿，由于水泥漿密度與配液量之間存在比例關(guān)系，因此可以使用密度來控制水泥漿體系液固比。此時(shí)，當(dāng)水泥漿密度從1.38 g/cm3增加0.01 g/cm3（增加0.7%），相應(yīng)LVF變化0.7%。但是，隨著固相與配液之間密度比的降低，這種關(guān)系變得越來越間接，對于固液相低密度比的水泥漿，密度從1.02 g/cm3增加0.01 g/cm3（增加1.0%），會使LVF變化224%。在這種情況下，水泥漿密度已不是控制水泥漿體系液固比的有效參數(shù)。

表2 超低密度水泥漿體系不同固液相密度比條件下LVF 隨水泥漿密度的變化

因此，對于固液相低密度比的超低密度水泥漿體系，應(yīng)使用LVF自動混漿系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過檢測水泥漿LVF值，并將其作為控制參數(shù)。系統(tǒng)依靠精確的電磁流量計(jì)或質(zhì)量流量計(jì)來測量水泥漿的輸出速率和配液（混合水和所有液體添加劑）的輸入速率，同時(shí)通過混漿池內(nèi)部液位傳感器可以檢測到一段時(shí)間內(nèi)水泥漿液面高度的上升或下降幅度，即液面的移動速度。假設(shè)配液輸入混漿池的排量為Q1，水泥漿輸出混漿池的排量為Q2，混漿池的底面積為S，混漿池內(nèi)液面的移動速度為v，水泥漿實(shí)際LVF為LVF實(shí)際，則根據(jù)LVF實(shí)際的定義，一段時(shí)間T內(nèi)水泥漿混配過程存在如下關(guān)系式（1）。

對式（1）右邊分式的分子、分母同時(shí)除以T，則有關(guān)系式（2）。

式（2）中，Q1、Q2可以根據(jù)測量水泥漿輸出排量和配液輸入排量的流量計(jì)讀取，v可以通過混漿池液位傳感器檢測到，S為固定常量。因此實(shí)時(shí)的LVF實(shí)際就可以通過軟件計(jì)算得到。將監(jiān)測到的LVF實(shí)際與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，將其作為過程控制器的控制參數(shù)，在自動模式下根據(jù)需要調(diào)整配液輸入的流速或排量，以保證混漿過程中LVF實(shí)際值與設(shè)計(jì)值持續(xù)相符。

8 結(jié)論

1.不同種類、不同批次減輕材料的密度和質(zhì)量存在很大差異，并且這種差異對超低密度水泥漿體系性能會產(chǎn)生很大影響。

2.超低密度水泥漿的液體體積分?jǐn)?shù)（LVF）是一個簡單的參數(shù)，可以用來預(yù)測超低密度水泥漿體系的性能和穩(wěn)定性。

3.由于井下條件與地面不同，超低密度水泥漿中減輕材料會受到水力壓力而破碎，從而造成水泥漿密度及流變性能在井下環(huán)境中發(fā)生變化。

4.大量的水泥石抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)顯示，使用減輕材料特別是空心玻璃微珠配制的超低密度水泥漿體系，超聲水泥分析儀（UCA）測試結(jié)果和破壞性實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在顯著差異。

5.含有空心玻璃微珠的超低密度水泥漿性能對微珠或配液微小的含量變化和水泥漿的密度變化很敏感，相應(yīng)地，超低密度水泥漿體系室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法相比常規(guī)水泥漿體系必需有所改善。

6.減輕材料與水泥均勻混合對于超低密度水泥漿體系固井作業(yè)的成功至關(guān)重要，混灰和轉(zhuǎn)運(yùn)過程的精細(xì)控制能夠減少干灰的混合不均、分層現(xiàn)象。

7.當(dāng)水泥漿設(shè)計(jì)密度接近配液的密度時(shí)，水泥漿體系性能對組分含量變化的敏感度呈指數(shù)級增長，傳統(tǒng)的密度控制系統(tǒng)不適用于超低密度水泥漿體系混漿過程。對于密度小于1.20 g/cm3的水泥漿體系需要運(yùn)用LVF動態(tài)混漿控制系統(tǒng)。