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發(fā)布時(shí)間：2022-01-18 09:09:45

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地?zé)?/a>井鉆井具有高溫、地層壓力低、地層破碎等特點(diǎn)，采用抗高溫泡沫水泥進(jìn)行固井，要求泡沫劑具有一定的抗高溫性能。本文評價(jià)和優(yōu)選了多種泡沫劑在常溫和180℃高溫下的起泡能力、穩(wěn)定性，并且將優(yōu)選出來的單種發(fā)泡劑進(jìn)行復(fù)配評價(jià)，得到最佳的復(fù)配體系為SLES∶CAO∶CAB=63.3∶31.7∶5，并且與單種發(fā)泡劑進(jìn)行比較，將所得最佳復(fù)配體系加入到APIG級油井水泥體系中進(jìn)行性能的初步評價(jià)。

［關(guān)鍵詞］

抗高溫；泡沫劑；復(fù)配體系；泡沫水泥

1引言

泡沫水泥是具高分散性的由固相、液相和氣相組成的多相體系，具有密度低、強(qiáng)度較高、隔熱性好等特點(diǎn)。由于其優(yōu)良的性能，泡沫水泥廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外油田和低壓力高溫地?zé)徙@井中(黃柏宗等，1996;劉崇建等，2001;顧軍等，2002;劉建紅等，2011)。泡沫水泥密度一般小于1.4g/cm3，通常為0.8～1.4g/cm3(Rozieresetal．，1990)，水泥體系中密度的降低主要是由于泡沫劑的加入。低密度水泥在地層壓力較低的地層中可以有效地平衡地層壓力，防止井漏。早在1985年，國外在地?zé)崴嗟?a href="http://www.ruiyinglinkage.com/gongchengzazhi/dzyktzz/685881.html" target="_blank">研究中向APIG級油井水泥中加入硅粉并進(jìn)行發(fā)泡進(jìn)行泡沫水泥的制備(Rickard，1985)。在地?zé)峋叹鳂I(yè)應(yīng)用中，泡沫水泥中泡沫劑需要保證其抗高溫性能(董海燕等，2014)。Sandia實(shí)驗(yàn)室對50多種表面活性劑的發(fā)泡性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評價(jià)(Randetal．，1979)。陰離子表面活性劑發(fā)泡能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，被大量地用作發(fā)泡劑;兩性離子表面活性劑性能較為穩(wěn)定，刺激性低，耐硬水性好，適用范圍廣，可用于與其他種類表面活性劑復(fù)配(張雪勤等，2009);非離子型表面活性劑則具有分散、乳化和一定的耐硬水能力;陽離子型表面活性劑由于價(jià)格較高，一般不用于作為發(fā)泡劑。已有研究證明，表面活性劑的復(fù)配體系常常優(yōu)于單種發(fā)泡劑，因此在表面活性劑的應(yīng)用中，通常不是使用單種發(fā)泡劑，而是選擇兩種發(fā)泡劑或者多種發(fā)泡劑進(jìn)行復(fù)配使用(王壽紅等，1994)。這主要是由于兩種或者兩種以上的表面活性劑具有協(xié)同作用，即能夠起到增效作用，互相彌補(bǔ)各自性能上的缺陷，派生出來新的性能(趙國璽，1987;Lucassenetal．，1988)。陰離子表面活性劑與兩性離子表面活性劑復(fù)配，能夠形成膠束能力，降低表面張力，由于兩性離子表面活性劑分子中具有正電荷存在，溶液中的陰離子表面活性劑和兩性離子表面活性劑之間存在強(qiáng)烈的相互作用(王祖模等，1992)。本實(shí)驗(yàn)主要選用陰離子型和兩性離子型這兩種類型的表面活性劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評價(jià)。本文對十種發(fā)泡劑進(jìn)行了發(fā)泡量與半衰期的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)篩選評價(jià)，并對篩選出來的泡沫劑進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)研究，評價(jià)其抗高溫性能，得到了抗高溫性能較好的泡沫劑復(fù)配體系。將抗高溫泡沫劑復(fù)配體系加入到APIG級油井水泥中制備泡沫水泥，評價(jià)其優(yōu)良的性能。

2實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料:(1)泡沫劑:陰離子表面活性劑有AOS、SLES、SDS、LAS、AES;兩性離子表面活性劑有CAB、CAO、LHSB、LAB－35、CHSB;穩(wěn)泡劑為XC。(2)APIG級油井水泥，硅粉。實(shí)驗(yàn)儀器:泡沫發(fā)生器，量筒，燒杯，WaringBlender攪拌機(jī)，高溫滾子爐，維卡儀，壓力試驗(yàn)機(jī)，電子天平，秒表，三聯(lián)試模(50mm×50mm×50mm)。泡沫劑評價(jià)指標(biāo):由于泡沫非常不穩(wěn)定，泡沫劑所起泡沫的優(yōu)劣也影響了泡沫水泥的質(zhì)量。在泡沫劑的篩選中，主要是從發(fā)泡能力、泡沫劑的穩(wěn)定性、抗高溫性能以及泡沫結(jié)構(gòu)幾個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)(吳安林等，2008;胡鈳等，2010)。具體評價(jià)指標(biāo)有:發(fā)泡量(V)和半衰期(T1/2)。發(fā)泡量(V)就是加入發(fā)泡劑攪拌后泡沫達(dá)到的最大容積，可以用來衡量發(fā)泡劑的發(fā)泡性能，而半衰期(T1/2)就是當(dāng)泡沫倒入容器后析出原溶液一半體積所用的時(shí)間，用來衡量發(fā)泡劑的穩(wěn)定性(周風(fēng)山，1991)。泡沫劑測試方法:按照實(shí)驗(yàn)要求配制溶液，并且將100mL溶液放入到儀器中，進(jìn)行攪拌發(fā)泡，攪拌速度為3000r/min，攪拌時(shí)間為2min，然后加入到燒杯中記錄其發(fā)泡量V和半衰期T1/2。泡沫水泥評價(jià)指標(biāo):密度低于1.25g/cm3，流動(dòng)度大于15cm。泡沫水泥測試方法(顧軍等，2004;胡煥校等，2011):(1)密度評價(jià):稱量量筒的質(zhì)量，并測定總體積;制備泡沫水泥漿，將泡沫泥漿倒?jié)M量筒中，并用刮片把頂部刮平，稱總重量。容器里的水泥漿質(zhì)量除以容器體積得到密度值。(2)抗壓強(qiáng)度評價(jià):將水泥漿倒入三聯(lián)試模，養(yǎng)護(hù)后對試樣進(jìn)行加壓，加荷速率為71.7kN/min±7.2kN/min，抗壓強(qiáng)度等于試樣破裂所需的力除以抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)承載盤所接觸的最小橫截面積。(3)初凝時(shí)間評價(jià):將攪拌好的水泥漿裝入凝結(jié)時(shí)間測定試模，在所要求條件下養(yǎng)護(hù)，達(dá)到初凝狀態(tài)后，記錄初凝時(shí)間。(4)穩(wěn)定性評價(jià):把水泥漿試樣倒進(jìn)250mL量筒。把量筒放在一個(gè)穩(wěn)定、無振動(dòng)的桌面上靜止2h后測定表面游離液體積。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1常溫條件下單種發(fā)泡劑性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)條件:室溫，自來水配制溶液，敞口放置。實(shí)驗(yàn)配方:100mL+泡沫劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明常溫下綜合性能較強(qiáng)的表面活性劑有為AOS、SLES、SDS、LAS、CAB、CAO以及LHSB。泡沫劑起泡能力及半衰期測試結(jié)果如表1。由表1和圖1可以知，在各濃度條件下，陰離子表面活性劑的發(fā)泡能力較強(qiáng)，兩性離子表面活性劑穩(wěn)定性較好。陰離子表面活性劑中發(fā)泡量能力的大小順序?yàn)?LAS＞AOS＞SLES＞SDS＞AES，泡沫劑穩(wěn)定性的強(qiáng)弱順序?yàn)?AOS＞AES＞SLES＞SDS＞LAS，發(fā)泡能力最強(qiáng)的為LAS，但是LAS半衰期相對較低，AOS與SLES在常溫下的發(fā)泡能力和穩(wěn)定性較好，在陰離子表面活性劑中總體性能較優(yōu)，因此綜合性能較好的有AOS、SLES、SDS和LAS。兩性離子表面活性劑中發(fā)泡量能力的大小順序?yàn)?CAO＞CAB＞LHSB＞LAB－35=CHSB，泡沫劑穩(wěn)定性的強(qiáng)弱順序?yàn)?LHSB＞CHSB＞CAB＞CAO＞LAB－35，發(fā)泡能力最強(qiáng)的為CAO，且穩(wěn)定性較好，半衰期較大除了LAB－35，其他四種兩性離子表面活性劑的半衰期均較大，常溫下兩性離子表面活性劑性能較好的有CAO，CAB，LHSB。因此，常溫下綜合性能較強(qiáng)的表面活性劑有為AOS、SLES、SDS、LAS、CAB、CAO以及LHSB。

3.2高溫條件下單種發(fā)泡劑性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)條件:常溫條件與180℃高溫陳化3h，自來水配制溶液，敞口放置。實(shí)驗(yàn)配方:100mL水+泡沫劑+0.25%XC。該實(shí)驗(yàn)在泡沫劑中加入0.25%的穩(wěn)泡劑XC，并且進(jìn)行常溫和高溫條件下的實(shí)驗(yàn)評價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明抗高溫性能較強(qiáng)的表面活性劑為SLES、SDS、CAB、CAO。泡沫劑起泡能力及半衰期測試結(jié)果見表2。由表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)泡量和半衰期在常溫和180℃陳化3h后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得圖2與圖3。從表2、圖2和圖3可知，常溫下的發(fā)泡能力:LAS＞SDS＞AOS=SLES＞CAO＞CAB，180℃高溫陳化后:LAS＞SDS＞AOS＞SLES，常溫下的半衰期:SDS＞SLES＞AOS＞LAS＞CAO＞CAB，180℃高溫陳化后:SLES＞SDS＞AOS＞CAO＞CAB＞LAS。泡沫劑的發(fā)泡量在高溫陳化后，發(fā)泡量變化不大，發(fā)泡能力保持較強(qiáng)水平。但半衰期均有明顯降低，SLES、SDS在高溫陳化后，半衰期仍舊較大。兩性離子表面活性劑的變化比率相對較小，所有的發(fā)泡劑高溫陳化后泡沫更加均勻細(xì)小。綜合比較，抗高溫性能較好的陰離子表面活性劑有SLES和SDS，兩性離子表面活性劑有CAO與CAB。通過高溫評價(jià)后優(yōu)選出來抗高溫性能較好的表面活性劑，選擇其中的三種SLES、CAO和CAB進(jìn)行復(fù)配體系的實(shí)驗(yàn)評價(jià)。

3.3陰離子/兩性離子復(fù)配體系性能評價(jià)根據(jù)單種表面活性劑常溫和高溫條件下的實(shí)驗(yàn)評價(jià)結(jié)果，選擇陰離子表面活性劑SLES與兩性離子表面活性劑CAO、CAB進(jìn)行復(fù)配，主要評價(jià)其發(fā)泡性能和半衰期，并與單種發(fā)泡劑進(jìn)行對比。主要設(shè)計(jì)了以下六種復(fù)配方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(Jitenetal．，2003)。由表3可知，各配方的泡沫結(jié)構(gòu)較好，均勻細(xì)小。隨著泡沫劑中SLES的配比增大，發(fā)泡量逐漸增大，而兩性離子表面活性劑對半衰期的影響較大，增大兩性離子表面活性劑的加量，半衰期延長。但是方案6的發(fā)泡量與半衰期相對均較大，因此選擇方案6的復(fù)配方案進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。將復(fù)配體系與單種發(fā)泡劑進(jìn)行評價(jià)性能的比較可得如表4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)表4和表5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到復(fù)配體系與單種表面活性劑的發(fā)泡量和半衰期比較如圖4圖5所示。由表4、表5、圖4、圖5評價(jià)結(jié)果可知，陰離子與兩性離子進(jìn)行復(fù)配以后，其發(fā)泡量和半衰期的都優(yōu)于單種發(fā)泡劑的發(fā)泡量和半衰期，兩種不同的表面活性劑進(jìn)行復(fù)配時(shí)，能夠?qū)⑵湫阅苓M(jìn)一步優(yōu)化。這是由于陰離子表面活性劑與兩性離子表面活性劑產(chǎn)生協(xié)同作用，使得陰離子表面活性劑表面張力降低，可以增大發(fā)泡量，且可以延長半衰期。

3.4泡沫水泥體系性能研究抗高溫泡沫水泥基漿為APIG級油井水泥+35%硅粉。將泡沫劑復(fù)配體系(SLES∶CAO∶CAB=63.3∶31.7∶5)加入到基漿水泥體系中，并且加入穩(wěn)泡劑XC，設(shè)計(jì)以下幾組泡沫水泥配方，并且進(jìn)行了水泥漿密度、抗壓強(qiáng)度、90℃凝結(jié)時(shí)間以及游離液的實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該泡沫劑復(fù)配體系在APIG級油井水泥中能夠保持良好的泡沫穩(wěn)定性，抗高溫性能良好，高溫養(yǎng)護(hù)后具有較高的抗壓強(qiáng)度，且初凝時(shí)間符合固井要求。實(shí)驗(yàn)配方:APIG級油井水泥+35%硅粉+水+泡沫劑+XC。由表6和表7可知，將泡沫劑復(fù)配體系加入到APIG級油井水泥中，泡沫水泥的密度能夠低于1.25g/cm3，抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于10MPa，在90℃時(shí)的初凝時(shí)間大于90min，靜置2h后的游離液含量小于1.0%，均符合地?zé)峋械墓叹蟆Ｅ菽瓌┰谂菽嘀心軌虮３至己玫目垢邷匦阅堋Ｅ菽鄡?nèi)部的氣孔如圖6所示，該圖為APIG級油井泡沫水泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

4結(jié)論

(1)通過對各種泡沫劑進(jìn)行常溫和高溫條件的評價(jià)優(yōu)選，得到抗高溫性能較好的泡沫劑有SLES、SDS、CAO和CAB。(2)通過對陰離子/兩性離子復(fù)配體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評價(jià)以及與單種發(fā)泡劑性能比較可知，SLES+CAO+CAB復(fù)配發(fā)泡劑性能優(yōu)于各單種發(fā)泡劑，且最佳配比為SLES∶CAB∶CAO=63.3∶31.7∶5。(3)將復(fù)配泡沫劑加入到APIG級油井水泥基漿中，能夠得到性能良好的抗高溫泡沫水泥體系，泡沫劑在水泥體系中具有良好的抗高溫穩(wěn)定性。

作者：譚慧靜 周丹 陳德南 李亞琛 鄭秀華 單位：中國地質(zhì)大學(xué) 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司