地熱井泡沫水泥泡沫劑性能研究范文

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《地質與勘探雜志》2015年第五期

［摘要］

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

［關鍵詞］

抗高溫；泡沫劑；復配體系；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、強度較高、隔熱性好等特點。由于其優良的性能，泡沫水泥廣泛應用于國內外油田和低壓力高溫地熱鉆井中(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，國外在地熱水泥的研究中向APIG級油井水泥中加入硅粉并進行發泡進行泡沫水泥的制備(Rickard，1985)。在地熱井固井作業應用中，泡沫水泥中泡沫劑需要保證其抗高溫性能(董海燕等，2014)。Sandia實驗室對50多種表面活性劑的發泡性能進行了實驗評價(Randetal．，1979)。陰離子表面活性劑發泡能力強，應用范圍廣，被大量地用作發泡劑;兩性離子表面活性劑性能較為穩定，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格較高，一般不用于作為發泡劑。已有研究證明，表面活性劑的復配體系常常優于單種發泡劑，因此在表面活性劑的應用中，通常不是使用單種發泡劑，而是選擇兩種發泡劑或者多種發泡劑進行復配使用(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同作用，即能夠起到增效作用，互相彌補各自性能上的缺陷，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烈的相互作用(王祖模等，1992)。本實驗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行實驗評價。本文對十種發泡劑進行了發泡量與半衰期的室內實驗篩選評價，并對篩選出來的泡沫劑進行復配實驗研究，評價其抗高溫性能，得到了抗高溫性能較好的泡沫劑復配體系。將抗高溫泡沫劑復配體系加入到APIG級油井水泥中制備泡沫水泥，評價其優良的性能。

2實驗材料與實驗方法

實驗材料:(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;穩泡劑為XC。(2)APIG級油井水泥，硅粉。實驗儀器:泡沫發生器，量筒，燒杯，WaringBlender攪拌機，高溫滾子爐，維卡儀，壓力試驗機，電子天平，秒表，三聯試模(50mm×50mm×50mm)。泡沫劑評價指標:由于泡沫非常不穩定，泡沫劑所起泡沫的優劣也影響了泡沫水泥的質量。在泡沫劑的篩選中，主要是從發泡能力、泡沫劑的穩定性、抗高溫性能以及泡沫結構幾個方面進行評價(吳安林等，2008;胡鈳等，2010)。具體評價指標有:發泡量(V)和半衰期(T1/2)。發泡量(V)就是加入發泡劑攪拌后泡沫達到的最大容積，可以用來衡量發泡劑的發泡性能，而半衰期(T1/2)就是當泡沫倒入容器后析出原溶液一半體積所用的時間，用來衡量發泡劑的穩定性(周風山，1991)。泡沫劑測試方法:按照實驗要求配制溶液，并且將100mL溶液放入到儀器中，進行攪拌發泡，攪拌速度為3000r/min，攪拌時間為2min，然后加入到燒杯中記錄其發泡量V和半衰期T1/2。泡沫水泥評價指標:密度低于1.25g/cm3，流動度大于15cm。泡沫水泥測試方法(顧軍等，2004;胡煥校等，2011):(1)密度評價:稱量量筒的質量，并測定總體積;制備泡沫水泥漿，將泡沫泥漿倒滿量筒中，并用刮片把頂部刮平，稱總重量。容器里的水泥漿質量除以容器體積得到密度值。(2)抗壓強度評價:將水泥漿倒入三聯試模，養護后對試樣進行加壓，加荷速率為71.7kN/min±7.2kN/min，抗壓強度等于試樣破裂所需的力除以抗壓強度試驗機承載盤所接觸的最小橫截面積。(3)初凝時間評價:將攪拌好的水泥漿裝入凝結時間測定試模，在所要求條件下養護，達到初凝狀態后，記錄初凝時間。(4)穩定性評價:把水泥漿試樣倒進250mL量筒。把量筒放在一個穩定、無振動的桌面上靜止2h后測定表面游離液體積。

3實驗結果與分析

3.1常溫條件下單種發泡劑性能評價實驗條件:室溫，自來水配制溶液，敞口放置。實驗配方:100mL+泡沫劑。實驗結果證明常溫下綜合性能較強的表面活性劑有為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泡能力較強，兩性離子表面活性劑穩定性較好。陰離子表面活性劑中發泡量能力的大小順序為:LAS＞AOS＞SLES＞SDS＞AES，泡沫劑穩定性的強弱順序為:AOS＞AES＞SLES＞SDS＞LAS，發泡能力最強的為LAS，但是LAS半衰期相對較低，AOS與SLES在常溫下的發泡能力和穩定性較好，在陰離子表面活性劑中總體性能較優，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泡量能力的大小順序為:CAO＞CAB＞LHSB＞LAB－35=CHSB，泡沫劑穩定性的強弱順序為:LHSB＞CHSB＞CAB＞CAO＞LAB－35，發泡能力最強的為CAO，且穩定性較好，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高溫條件下單種發泡劑性能評價實驗條件:常溫條件與180℃高溫陳化3h，自來水配制溶液，敞口放置。實驗配方:100mL水+泡沫劑+0.25%XC。該實驗在泡沫劑中加入0.25%的穩泡劑XC，并且進行常溫和高溫條件下的實驗評價。實驗結果證明抗高溫性能較強的表面活性劑為SLES、SDS、CAB、CAO。泡沫劑起泡能力及半衰期測試結果見表2。由表2實驗數據中發泡量和半衰期在常溫和180℃陳化3h后的實驗結果可得圖2與圖3。從表2、圖2和圖3可知，常溫下的發泡能力: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。泡沫劑的發泡量在高溫陳化后，發泡量變化不大，發泡能力保持較強水平。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，所有的發泡劑高溫陳化后泡沫更加均勻細小。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。通過高溫評價后優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進行復配體系的實驗評價。

3.3陰離子/兩性離子復配體系性能評價根據單種表面活性劑常溫和高溫條件下的實驗評價結果，選擇陰離子表面活性劑SLES與兩性離子表面活性劑CAO、CAB進行復配，主要評價其發泡性能和半衰期，并與單種發泡劑進行對比。主要設計了以下六種復配方案進行實驗(Jitenetal．，2003)。由表3可知，各配方的泡沫結構較好，均勻細小。隨著泡沫劑中SLES的配比增大，發泡量逐漸增大，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的發泡量與半衰期相對均較大，因此選擇方案6的復配方案進行進一步實驗研究。將復配體系與單種發泡劑進行評價性能的比較可得如表4實驗數據。根據表4和表5實驗數據得到復配體系與單種表面活性劑的發泡量和半衰期比較如圖4圖5所示。由表4、表5、圖4、圖5評價結果可知，陰離子與兩性離子進行復配以后，其發泡量和半衰期的都優于單種發泡劑的發泡量和半衰期，兩種不同的表面活性劑進行復配時，能夠將其性能進一步優化。這是由于陰離子表面活性劑與兩性離子表面活性劑產生協同作用，使得陰離子表面活性劑表面張力降低，可以增大發泡量，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，并且加入穩泡劑XC，設計以下幾組泡沫水泥配方，并且進行了水泥漿密度、抗壓強度、90℃凝結時間以及游離液的實驗測試。實驗結果表明，該泡沫劑復配體系在APIG級油井水泥中能夠保持良好的泡沫穩定性，抗高溫性能良好，高溫養護后具有較高的抗壓強度，且初凝時間符合固井要求。實驗配方: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，抗壓強度遠大于10MPa，在90℃時的初凝時間大于90min，靜置2h后的游離液含量小于1.0%，均符合地熱井中的固井要求。泡沫劑在泡沫水泥中能夠保持良好的抗高溫性能。泡沫水泥內部的氣孔如圖6所示，該圖為APIG級油井泡沫水泥的內部結構。

4結論

(1)通過對各種泡沫劑進行常溫和高溫條件的評價優選，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/兩性離子復配體系進行實驗評價以及與單種發泡劑性能比較可知，SLES+CAO+CAB復配發泡劑性能優于各單種發泡劑，且最佳配比為SLES∶CAB∶CAO=63.3∶31.7∶5。(3)將復配泡沫劑加入到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定性。

作者：譚慧靜 周丹 陳德南 李亞琛 鄭秀華 單位：中國地質大學 中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司