Mu Haipeng1,2,3 Ma Kaihua1 Ding Shidong1 Zhou Shiming1
(1. Instituto de Investigación de Tecnología de Ingeniería de Petróleo de Sinopec, Beijing 100101; 2. Instituto de Investigación de Exploración y Desarrollo de Petróleo de Sinopec, Beijing 100083; 3. China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249)
Resumen Con el creciente número de formaciones de baja presión encontradas durante la perforación, la falta de investigación nacional sobre materiales de reducción de densidad adecuados para ellas se ha vuelto Cada vez es más evidente que la investigación sobre materiales de microperlas de vidrio huecas de alto rendimiento con alta capacidad de soporte de presión es particularmente insuficiente. El autor investigó la investigación sobre microperlas huecas en campos relacionados en el país y en el extranjero y concluyó que aunque la investigación extranjera en este campo ocupa una posición de liderazgo, no hay informes relevantes sobre la teoría de preparación de microperlas huecas de alto rendimiento y la composición de las mismas; microperlas de vidrio, cuando los tamaños de partículas son similares, la resistencia a la compresión de las microperlas con mayor densidad es relativamente mayor; cuando la composición y la densidad son similares, la resistencia a la compresión de las microperlas con tamaños de partículas más pequeños es relativamente mayor según la naturaleza física; Se pueden desarrollar microperlas. Los métodos se dividen en tres categorías: método de deposición química, método de secado de solución y método de fusión de polvo. Para el desarrollo de microperlas huecas de alto rendimiento, el autor recomienda estudiar la composición química de la cubierta de microperlas huecas para obtener bien. carcasa cementada resistente a altas temperaturas; en términos de tecnología, se recomienda utilizar fusión y aireación a alta temperatura. El estado fundido puede hacer que la estructura de la carcasa sea más densa y la hueca y la carcasa esférica se pueden controlar mejor controlando la velocidad. de alimentación y suministro de aire.
Palabras clave perlas de vidrio huecas material de reducción de densidad lechada de cemento de baja densidad fluido de perforación de baja densidad pozo de petróleo y gas
Desarrollo de investigación de superperlas de vidrio hueco de baja densidad
MU Haipeng1 , 2, 3, MA Kaihua1, DING Shidong1, ZHOU Shiming1
（1.Instituto de Investigación de Ingeniería del Petróleo de SINOPEC, Beijing 100101, China 2.Instituto de Investigación de Exploración y Producción de SINOPEC, Beijing 100083, China; .China University of Petroleum, Beijing 102249, China)
Resumen Con el aumento de formaciones de baja presión que estamos perforando, la deficiencia de la investigación en materiales de baja densidad parece más clara. Dirigido a esta cuestión, el autor ha examinamos la investigación de superperlas de vidrio hueco en un dominio correlativo, podemos llegar a la última conclusión. El nivel de investigación de superperlas de vidrio hueco con alta resistencia es todavía muy bajo y necesita un estudio en profundidad. Cuando algunas superperlas de vidrio hueco tienen componente y tamaño de grano similares, el que tiene mayor densidad posee mayor resistencia. Cuando algunas superperlas de vidrio huecas tienen componentes y densidad similares, la que tiene un tamaño de grano más pequeño posee mayor resistencia. Hay tres métodos para preparar las superperlas de vidrio huecas, tales como. como método de revestimiento no electrolítico, método de secado de solución, método de fusión de polvo, las tecnologías de preparación de superperlas de vidrio huecas contienen componentes químicos de laminilla, formación de esferas y estructura hueca para investigar superperlas de vidrio huecas con alta resistencia.
sugerencias a continuación: primero, estudiar la composición química de los materiales, para obtener una buena laminilla de cementación con capacidad anti-altas temperaturas; segundo, usar material en estado de fusión y soplar gas, porque esto hará que la laminilla sea más compacta y controlará el vacío y el espacio; espesor de la laminilla más fácil.
Proyecto nacional importante de ciencia y tecnología "Investigación sobre tecnología de cementación y terminación de rocas carbonatadas marinas", número de proyecto: 2008zx05005-006-004.
Palabras clave superperla de vidrio hueca; material reductor de peso; lodo liviano de pozos de petróleo y gas
La sobreperforación y explotación de petróleo por parte de la humanidad durante más de un siglo ha hecho que hoy la mayor parte del petróleo del mundo se almacene en formaciones más profundas y con poca energía. Aunque las reservas de petróleo siguen siendo abundantes, la escasa energía subterránea hace que sea difícil extraerlas. La tecnología de perforación bajo balance es una tecnología de perforación que mantiene la presión del pozo por debajo de la presión de la formación durante la perforación [1-3]. Tiene la doble función de prevenir fugas y proteger las capas de petróleo y gas, por lo que es un mejor método de perforación para desarrollarlas. Yacimientos de petróleo y gas de baja presión. La aplicación de este método de perforación requiere que el fluido de perforación y la lechada de cemento utilizados sean sistemas de baja densidad con densidad estable bajo alta presión.
Las perlas de vidrio huecas de alto rendimiento son el material principal para lograr sistemas de baja densidad con densidad estable bajo alta presión. En la actualidad, la mayoría de los materiales utilizados en el campo de la ingeniería petrolera nacional son productos de la serie HGS de empresas extranjeras 3M. Con base en los resultados de la investigación de microesferas de vidrio huecas nacionales y extranjeras en campos relacionados, el autor propuso la idea de investigación de microesferas de vidrio huecas de alto rendimiento.
1 Aplicación de perlas de vidrio huecas en ingeniería petrolera en el país y en el extranjero
La aplicación actual de perlas de vidrio huecas en ingeniería petrolera se refleja principalmente en la tecnología de fluidos de perforación de baja densidad y baja densidad. Cementación por densidad Dos aspectos de la tecnología de la lechada de cemento.
1.1 Tecnología de fluidos de perforación de baja densidad
Aunque se pueden utilizar métodos de agua en aceite, aceite en agua, aireación o espuma para lograr fluidos de perforación de baja densidad con una densidad de aproximadamente 0,85 g/cm3, pero estos sistemas tienen serios defectos [4]. Por ejemplo, el principal material utilizado en los fluidos de perforación de agua en petróleo o petróleo en agua es el diesel, que causa graves problemas de contaminación ambiental; los fluidos de perforación aireados o de espuma tienen una mayor compresibilidad, lo que provocará grandes cambios en las señales de pulso del fondo del pozo. Atenuación de amplitud, lo que restringe gravemente la aplicación en campo de MWD, LWD y otras tecnologías. En comparación con estos dos sistemas de fluidos de perforación de baja densidad, el fluido de perforación de baja densidad obtenido mediante el uso de perlas de vidrio huecas no contaminará el medio ambiente y tiene la ventaja de ser respetuoso con el medio ambiente, por otro lado, es incompresible [5,6] , que no afectará la transmisión de señales de pulso de fondo de pozo y se puede aplicar mejor a la perforación de pozos de estructura compleja utilizando MWD, LWD y otras tecnologías.
A principios de la década de 1960, la Unión Soviética utilizaba perlas de vidrio huecas como agentes reductores de densidad para operaciones de prevención de fugas [7]. Después de la década de 1990, Estados Unidos comenzó a utilizar perlas de vidrio huecas para preparar fluido de perforación de baja densidad [8]. En los últimos años [9], el fluido de perforación de baja densidad con microesferas de vidrio huecas se ha promovido y aplicado con éxito en muchos pozos de petróleo y gas de baja presión y en perforaciones bajo equilibrio en los Estados Unidos y Rusia.
En los últimos años, con la promoción de la tecnología de pozos profundos y ultraprofundos, la presión en el fondo del pozo se ha vuelto cada vez más alta [9-11]. Por lo tanto, las perlas de vidrio huecas de alta resistencia con mayor capacidad de soportar presión ayudan a garantizar una perforación de baja densidad. Los fluidos actúan a alta presión en el fondo del pozo. La densidad se mantiene estable, por lo que tiene un mejor valor de aplicación y promoción. Las pruebas realizadas en el Drilling Research Center de Houston, EE. UU. [12] muestran que la tasa de rotura de las perlas de vidrio huecas de alta resistencia después de pasar a través de la boquilla de perforación es muy baja, y el desgaste de la boquilla sobre las perlas de vidrio huecas puede reducirse mediante ajustando el ángulo de la boquilla.
En China, en 2007, Meng Shangzhi [4] y otros utilizaron productos HGS con densidades de 0,32 g/cm3 y 0,38 g/cm3 para obtener sistemas de fluidos de perforación de baja densidad con densidades de 0,78 g/cm3. y 0,8 g/cm3. Además de tener una excelente reología, propiedades de reducción de la pérdida de fluido y propiedades de lubricación, el sistema obtenido también tiene una alta capacidad de soporte de presión y puede usarse en la perforación de pozos con profundidades de 1700 my 2800 m respectivamente, el material reductor de densidad HGS utilizado en el; sistema El tamaño de partícula es muy pequeño, por lo que puede usarse en aplicaciones de campo sin afectar el uso de equipos de control de sólidos. En 2008, Geng Xiaoguang [10] et al. utilizaron materiales HGS para configurar un sistema de fluido de perforación de baja densidad con una densidad inferior a 0,83 g/cm3, y utilizaron este sistema en el proceso de desarrollo del yacimiento de baja permeabilidad de Fuyang fuera del yacimiento. Campo petrolífero de Daqing. En 2009, Chen Luo Si [13] aplicó fluido de perforación de petróleo en agua HGS con una densidad de 0,83 g/cm3 en la perforación del pozo Shen 289, logrando el proceso de perforación desequilibrado inducido artificialmente de petróleo y gas de colinas enterrados a baja presión. yacimientos, y lograr el objetivo de proteger el petróleo y el gas El propósito de la capa. Si bien se aplica esta tecnología para reducir efectivamente la densidad del fluido de perforación, la presencia de perlas de vidrio huecas garantiza el estado de fase líquida pura del fluido de perforación en la sarta de perforación, resolviendo así también el problema que los instrumentos convencionales de medición durante la perforación no pueden transmitir de manera efectiva. señales en un problema de flujo multifásico.
1.2 Tecnología de lechada de cementación de baja densidad
Después del siglo XXI, la empresa estadounidense 3M desarrolló la serie HGS de perlas de vidrio huecas con una resistencia a la compresión superior a 100 MPa. La aparición de esta tecnología permite que el sistema de lechada de cemento de baja densidad compuesto de microsílice y microperlas logre un sistema de lechada de cemento de densidad ultrabaja con una densidad de aproximadamente 1,0 g/cm3 y alta resistencia y estabilidad a alta presión. En los últimos años, para cumplir con los requisitos de las operaciones de perforación y adaptarse a las necesidades de estructuras complejas de pozos, también han aumentado los requisitos de fluidos de perforación de baja densidad, lo que ha llevado al desarrollo y madurez gradual de la espuma de microperlas de gas de baja densidad. -tecnología de lechada de cemento de densidad. En los últimos años, las empresas extranjeras han adoptado en su mayoría tecnología de lechada de cemento de baja densidad basada en lechada de cemento de baja densidad con microperlas [14-16], utilizando tecnología de espuma para reducir aún más la densidad de la lechada de cemento. Existen serios problemas de perforación en formaciones de presión anormalmente baja en el área de Samaria en el centro y sur de México. El gradiente de presión de fractura de las formaciones en esta área es muy bajo (0.879~1.198g/cm3). Primero prepare una lechada de cemento de microperlas con una densidad de 1,32 ~ 1,44 g/cm3 y luego infle la lechada de cemento a una densidad de 0,998 g/cm3. Desde la introducción de la tecnología de lechada de cemento de baja densidad con microesferas de espuma, los operadores han podido hacer circular con éxito la lechada de cemento sobre el revestimiento, mejorando la calidad de la cementación en el área.
En 2006, Zhang Hongjun et al. [17] en China desarrollaron un sistema de lechada de cemento de densidad ultrabaja con una densidad de 1,04-1,20 g/cm3 utilizando perlas de vidrio huecas HGS producidas por 3M Company y Lo aplicó con éxito en el pozo de exploración profunda clave petroquímica Tashen 1. En 2007, Sun Fuquan et al. [18] desarrollaron un sistema de lechada de cemento de densidad ultrabaja con una densidad de 0,96 g/cm3 basado en la investigación de nuevas microesferas huecas resistentes a la presión y combinado con la teoría de gradación de partículas. El sistema tiene buena estabilidad y la resistencia del cemento a 48 h (70 ℃) no es inferior a 18 MPa. En 2009, Sun Xinhua et al. [19] utilizaron perlas de vidrio con alta resistencia, buena esfericidad y tamaño de partícula uniforme, y guiados por la teoría del empaquetamiento cerrado, desarrollaron un sistema de lechada de cemento de densidad ultrabaja con una densidad de 1,0 a 1,0. 1,30 g/cm3.
En 2008, Wan Wei et al. [20] utilizaron cemento ultrafino y perlas flotantes con propiedades de activación para desarrollar una lechada de cemento de densidad ultrabaja con una densidad de 1,10 a 1,50 g/cm3 basada en partículas. sistema de gradación, que tiene las ventajas de alta estabilidad, sin contracción del volumen de cemento y resistencia estable a altas temperaturas. En 2009, se desarrolló una densidad ultrabaja de 1,15 g/cm3 utilizando perlas de vidrio extranjeras HGS18000 y perlas flotantes de uso común. Sistema de lechada de cemento de densidad. En 2008, Cheng Rongchao et al. [21] introdujeron la teoría de la geometría fractal en el modelo de gradación de partículas y establecieron un modelo de gradación fractal de grupos de partículas. Sobre esta base, se creó un sistema de lechada de cemento de baja densidad con una densidad de 1,4 g/cm3. desarrollado en el pozo profundo de Tarim. Se ha aplicado y utilizado además microperlas de 3M, cemento ultrafino, etc. para desarrollar un sistema de lechada de cemento de baja densidad con una densidad de 1,10 g/cm3.
Se puede observar que la mayoría de estos sistemas de baja y ultrabaja densidad utilizan productos HGS de 3M como agentes aclarantes. En la actualidad, no existen informes relevantes sobre la aplicación de campo de productos domésticos de microperlas de vidrio huecas, por lo que es necesario fortalecer la investigación en esta área.
2 El estado actual de la investigación de microesferas huecas de alta resistencia en el país y en el extranjero
2.1 Investigación sobre microesferas de vidrio huecas extranjeras
La tecnología actual de producción de vidrio hueco Las microesferas se componen principalmente de Está controlado por varios grandes fabricantes extranjeros [12], como 3M, PQ, Emerson y la japonesa Asahi Glass Co., Ltd. Entre ellos, los productos de la empresa estadounidense 3M ocupan la mayor parte del mercado nacional y extranjero. campos de la ingeniería petrolera. Después de años de investigación, la empresa 3M en los Estados Unidos ha formado múltiples series de productos de microesferas huecas y ha formado 7 series HGS de productos de microesferas de vidrio huecas de alto rendimiento [15]. La Tabla 1 muestra el rendimiento de las perlas de vidrio huecas de alto rendimiento de 3M y la Tabla 2 muestra los principales productos de perlas de vidrio de 3M.
Tabla 1 Rendimiento de las microesferas de vidrio huecas de alto rendimiento de 3M Company
Como se puede ver en la Tabla 1: El componente principal de las microesferas de vidrio huecas de alto rendimiento de 3M Company es la sílice sodacálcica. El vidrio ácido tiene propiedades químicas estables y una temperatura de reblandecimiento de hasta 600°C, por lo que es resistente a altas temperaturas.
Tabla 2 Comparación de rendimiento de la serie HGS de perlas de vidrio huecas de 3M Company
Se puede ver en la Tabla 2:
1) Cinco productos, HGS2000 -HGS6000, la distribución del tamaño de las partículas es muy cercana y su resistencia a la compresión está relacionada con la densidad. Cuanto mayor es la densidad, mayor es la resistencia a la compresión del producto. Por lo tanto, cuando los tamaños de partículas de las microperlas son similares, la capacidad de soportar presión de las microperlas está relacionada con su densidad. Cuanto mayor es la densidad, mayor es la resistencia a la compresión de las microperlas.
2) Ambos productos, HGS10000 y HGS18000, tienen una densidad de 0,6 g/cm3, que tiene un tamaño de partícula relativamente pequeño y tiene mayor resistencia. Por lo tanto, bajo la misma densidad de microperlas, la capacidad de soportar presión de las microperlas está relacionada con su tamaño de partícula. Cuanto menor sea el tamaño de partícula, mayor será la resistencia a la compresión de las microperlas.
2.2 Investigación sobre microesferas de vidrio huecas nacionales
Aún falta investigación nacional sobre microesferas de vidrio huecas de baja densidad y alta resistencia y depende casi por completo de las importaciones. Aunque las unidades de investigación nacionales comenzaron a utilizar el método de fusión en horno para desarrollar perlas de vidrio huecas en la década de 1970 [22-24], aún no se ha logrado una producción a gran escala. A principios de la década de 1990, algunos fabricantes nacionales gastaron enormes sumas de dinero para introducir una línea de desarrollo y producción de microperlas de vidrio huecas. Sin embargo, el rendimiento de las microperlas producidas era demasiado pobre para cumplir con los requisitos de alto rendimiento.
En la actualidad, sólo el Instituto de Tecnología Física y Química de la Academia de Ciencias de China ha informado sobre investigaciones nacionales sobre microesferas de vidrio huecas de alto rendimiento. Pan Shunlong y otros del Instituto de Tecnología Física y Química de la Academia China de Ciencias [22] desarrollaron un nuevo proceso de producción de perlas de vidrio huecas basado en el método químico suave que no sólo puede mejorar el rendimiento de las perlas sino también aumentar la tasa de abalorios de las cuentas. La Tabla 3 muestra el comportamiento de resistencia a la presión de las perlas de vidrio huecas desarrolladas.
Tabla 3 Rendimiento de las perlas de vidrio huecas domésticas
Se puede ver en la Tabla 3: cuando la densidad es de 0,21 g/cm3, la tasa de rotura de las perlas de vidrio bajo una presión de 12 MPa es hasta el 40,6%; cuando la densidad alcanza los 0,50 g/cm3, la tasa de trituración bajo una presión de 12 MPa es sólo del 5,1%.
Esto muestra que a medida que aumenta la densidad de las perlas de vidrio huecas, aumenta la capacidad de soportar presión. Al comparar la Tabla 2, se puede ver que todavía existe una gran brecha entre la investigación nacional sobre perlas de vidrio huecas de alto rendimiento y la investigación en países extranjeros.
3 Investigación teórica sobre microesferas huecas en el país y en el extranjero
En la actualidad, los principales métodos para preparar microesferas de vidrio huecas en el país y en el extranjero incluyen el método de plantilla, el método de emulsión, el método de secado por aspersión, método de polvo, método de gota líquida y método de gel seco [25-30], pero no hay informes relevantes sobre la teoría de preparación sistemática de microperlas de vidrio huecas [31-34]. Según la naturaleza física de estos métodos, el autor los divide en tres categorías: uno es el método de precipitación química; el otro es el método de secar la solución en bolas; el tercero es el método de fundir el polvo en bolas;
3.1 Preparación de esferas huecas mediante el método de precipitación química
El método de precipitación química utiliza principalmente materiales para depositarlos sobre una plantilla preestablecida y luego retira la plantilla para obtener esferas huecas. Primero, seleccione una sustancia específica como plantilla [24-27] (como microesferas de plantilla duras como microesferas de poliestireno, SiO2 y plantillas blandas como micelas y líquidos de emulsión) y controle el ensamblaje, la adsorción y la precipitación de los precursores en la superficie de la plantilla, así como el uso de métodos físicos y químicos tales como el método sol-gel para formar una cubierta de recubrimiento de superficie, y luego retirar la plantilla mediante métodos de disolución, calentamiento o reacción química para obtener microesferas de estructura hueca del material deseado.
La Figura 1 es un diagrama esquemático de la preparación de microesferas huecas mediante precipitación química. Incluye principalmente tres pasos: (1) Seleccionar una bola sólida esférica de tamaño apropiado como plantilla (2) Usar el método sol-gel, el método de autoensamblaje capa por capa, el método de reacción de interfaz y otros métodos para precipitar en el; superficie de la esfera sólida para formar una cáscara (3) ) Utilice métodos como disolución, calentamiento o reacciones químicas para eliminar la plantilla dentro de la cáscara;
Figura 1 Principio de preparación de esferas huecas mediante el método de precipitación química
Este método puede controlar el espesor de la cáscara controlando el aumento de reactivos seleccionando el tamaño de la esfera plantilla preestablecida; Controlar el tamaño del hueco.
3.2 Preparación de esferas huecas mediante el método de secado en solución
El método de gotitas, el método de emulsión y el método de secado por aspersión [28~31] pertenecen todos a este tipo de método. Las materias primas utilizadas en este método deben ser solubles en agua. Primero, los materiales se disuelven en agua para formar un sistema estable; luego se usa un generador de gotas para hacer que la solución caiga en un secador o horno vertical de alta temperatura y aire. se sopla durante el proceso de caída para formar bolas huecas, seguido de secado, refinación, enfriamiento y recolección (Figura 2). El equipo principal para este tipo de método incluye hornos de gotas verticales, generadores de gotas, etc.
Figura 2 Esquema de preparación de esferas huecas mediante el método de secado de solución
3.3 Preparación de esferas huecas mediante fusión de polvo
El método de fusión térmica principalmente lleva el material a un nivel alto. -Estado fundido a temperatura. Las partículas fundidas forman formas esféricas bajo la acción de la tensión superficial y se soplan o se espuman internamente para formar bolas huecas (Figura 3). El método de pulvimetalurgia comúnmente utilizado y el método de gel seco [32 ~ 34] pertenecen a este tipo de método.
Figura 3 Principio de preparación de esferas huecas mediante el método de fusión
Aunque los procesos mencionados anteriormente son diferentes, todos incluyen principalmente dos teorías: una es la teoría esférica y la otra es la teoría hueca; . Hay tres tipos principales de teorías de formación de bolas: utilizando plantillas de esferas preestablecidas, formación de bolas bajo la gravedad de gotas y formación de bolas debido a la tensión superficial en estado fundido. Hay tres tipos principales de teorías de vaciado: eliminar el núcleo preestablecido, inflar para volverse hueco y hacer espuma interna para volverse hueco.
4 Conclusiones y sugerencias
4.1 Conclusiones
1) Con la promoción de la tecnología de pozos profundos y ultraprofundos y el aumento de formaciones agotadas en energía, la densidad del fluido de perforación estable a alta presión y la tecnología de lechada de cemento de baja densidad se utilizan cada vez más. Sin embargo, la mayoría de las perlas de vidrio huecas de alto rendimiento que se utilizan actualmente en China son productos de empresas extranjeras de 3M. y desarrollo de perlas de vidrio huecas de alto rendimiento.
2) Cuando la composición de las microesferas de vidrio huecas es similar, la capacidad de soportar presión está relacionada con la densidad, el tamaño de partícula y otros factores; cuando el tamaño de partícula de las microperlas es similar, la capacidad de soportar presión; De las microperlas está relacionada con su densidad, cuanto mayor es la densidad de las microperlas, mayor es la resistencia a la compresión; bajo la misma densidad de microperlas, la capacidad de soportar presión de las microperlas está relacionada con su tamaño de partícula. mayor será la resistencia a la compresión de las microperlas.
3) En la actualidad, existen tres principios fundamentales para fabricar bolas huecas: precipitación química, secado de la solución en bolas y fusión del polvo en bolas.
Aunque estos métodos teóricos tienen diferentes procesos, todos incluyen principalmente la teoría de la esferificación y la teoría del vaciamiento. Hay tres tipos principales de teorías de esferificación y también hay tres tipos principales de teorías de vaciamiento.
4.2 Recomendaciones
A través de la investigación y el análisis, se recomienda realizar investigaciones sobre materiales de reducción de densidad de microperlas huecas de alto rendimiento desde los siguientes aspectos:
1) Para microperlas huecas La composición química de la capa exterior de la perla se estudia para obtener una capa exterior bien cementada y resistente a altas temperaturas.
2) En el proceso de formación de bolas, se recomienda utilizar el método de formación de bolas por fusión a alta temperatura. En comparación con los métodos de precipitación química y secado de soluciones, la estructura formada por el material en estado fundido a alta temperatura será más densa.
3) En el proceso hueco, se recomienda utilizar el método inflable. El hueco y el tamaño de la carcasa esférica se pueden controlar controlando las tasas de alimentación y suministro de aire. El método de preajuste del núcleo es más adecuado para el método de precipitación química; el método de formación de espuma interna es difícil de controlar el tamaño de la espuma y puede hacer que la cubierta sea fácilmente desigual.
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