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2015-12-07 06:38譚慧靜陳德南李亞琛鄭秀華
地質(zhì)與勘探 2015年6期
譚慧靜，周 丹，陳德南，李亞琛，鄭秀華
(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)
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用于高溫地?zé)峋菽嗯菽瓌┬阅苎芯?/p>
譚慧靜1，周 丹1，陳德南2，李亞琛1，鄭秀華1
(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)
地?zé)峋@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(píng)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(píng)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API G級(jí)油井水泥體系中進(jìn)行性能的初步評(píng)價(jià)。
抗高溫 泡沫劑 復(fù)配體系 泡沫水泥
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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)崴嗟难芯恐邢駻PI G級(jí)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(duì)50多種表面活性劑的發(fā)泡性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)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(píng)價(jià)。
本文對(duì)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(píng)價(jià)，并對(duì)篩選出來的泡沫劑進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)研究，評(píng)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API G級(jí)油井水泥中制備泡沫水泥，評(píng)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) API G級(jí)油井水泥，硅粉。
實(shí)驗(yàn)儀器：泡沫發(fā)生器，量筒，燒杯，Waring Blender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(píng)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(píng)價(jià)(吳安林等，2008；胡鈳等，2010)。具體評(píng)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(píng)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(píng)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(píng)價(jià)：將水泥漿倒入三聯(lián)試模，養(yǎng)護(hù)后對(duì)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(píng)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(píng)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(píng)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。
表1 常溫下各種發(fā)泡劑性能評(píng)價(jià)Table 1 Performance evaluation of foam agents at room temperature
由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到各種泡沫劑比較圖如圖1所示。
圖1 常溫下各發(fā)泡劑的性能評(píng)價(jià)Fig.1 Performance evaluation of foam agents at room temperature
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)椋篖AS>AOS>SLES>SDS>AES，泡沫劑穩(wěn)定性的強(qiáng)弱順序?yàn)椋篈OS>AES>SLES>SDS>LAS，發(fā)泡能力最強(qiáng)的為LAS，但是LAS半衰期相對(duì)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)椋篊AO>CAB>LHSB>LAB-35=CHSB，泡沫劑穩(wěn)定性的強(qiáng)弱順序?yàn)椋篖HSB>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(píng)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(píng)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。
表2 泡沫劑抗高溫性能實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)Table 2 Evaluation of high temperature resistance of foam agents
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。
圖2 常溫與180℃后不同發(fā)泡劑發(fā)泡量評(píng)價(jià)Fig.2 Foaming capacity of foam agents at room temperature and 180℃
圖3 常溫與180℃后不同發(fā)泡劑半衰期評(píng)價(jià)Fig.3 Foaming capacity of foam agents at room temperature and 180℃
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(duì)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(píng)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(píng)價(jià)。
3.3 陰離子/兩性離子復(fù)配體系性能評(píng)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(píng)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(píng)價(jià)其發(fā)泡性能和半衰期，并與單種發(fā)泡劑進(jìn)行對(duì)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)。
實(shí)驗(yàn)配方：100mL水+0.8%發(fā)泡劑。
發(fā)泡劑的配比主要有：
1#：30%SLES+40%CAO+30%CAB；
2#：40%SLES+30%CAO+30%CAB；
3#：50%SLES+30%CAO+20%CAB；
4#：60%SLES+30%CAO+10%CAB；
5#：70%SLES+20%CAO+10%CAB；
6#：63.3%SLES+31.7%CAO+5%CAB。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
表3 陰離子/兩性離子表面活性劑復(fù)配體系性能評(píng)價(jià)Table 3 Performance evaluation of anion/ zwitterions surfactant compound system
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(duì)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(duì)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(píng)價(jià)性能的比較可得如表4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
表4 陰離子/兩性離子表面活性劑復(fù)配體系 與單種表面活性劑發(fā)泡量評(píng)價(jià)Table 4 Foaming capacity of anion/zwitterions surfactant compound system and single one
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(píng)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。
表5 陰離子/兩性離子表面活性劑復(fù)配體系 與單種表面活性劑半衰期評(píng)價(jià)Table 5 Half-life of anion/ zwitterions surfactant compound system and single one
圖4 陰離子/兩性離子復(fù)配體系與單種表面活性劑發(fā)泡量評(píng)價(jià)Fig.4 Foaming capacity of anionic/zwitterions surfactant system and single
圖5 陰離子/兩性離子復(fù)配體系與單種表面活性劑半衰期評(píng)價(jià)Fig.5 Half-life of anionic/zwitterions surfactant system and single one
3.4 泡沫水泥體系性能研究
抗高溫泡沫水泥基漿為API G級(jí)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API G級(jí)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：API G級(jí)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API G級(jí)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?。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?nèi)部的氣孔如圖6所示，該圖為API G級(jí)油井泡沫水泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
表6 泡沫水泥配方Table 6 Formula of foamed cement
表7 泡沫水泥性能評(píng)價(jià)結(jié)果Table 7 Evaluation of foamed cement
圖6 泡沫水泥內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)(放大130倍)Fig.6 Internal porosity structure of foamed cement(enlarge 130 times)
4 結(jié)論
(1) 通過對(duì)各種泡沫劑進(jìn)行常溫和高溫條件的評(píng)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(duì)陰離子/兩性離子復(fù)配體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)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API G級(jí)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。
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Research on Performance of Foam Agents for Foamed Cement Used in High-Temperature Geothermal Wells
TAN Hui-jing1, ZHOU Dan1, CHEN De-nan2, LI Ya-chen1, ZHENG Xiu-hua1
(1.ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083;2.CNOOCEnergyTechnology&ServicesLtd.Drilling&ProductionCompany,Tianjin300452)
In the drilling of geothermal wells, high-temperature resistance foamed cement is used to cementing for that wells have features of high temperature, low formation pressure, and broken formation. It requires that the foam agents can be of high temperature resistance to ensure foamed cement cementing effectively. This study focused on the evaluation and optimization of various kinds of foam agents at room temperature and 180℃ for foaming ability and stability. Then compound evaluation was made for the optimum single surfactant to determine the best distribution system as SLES∶CAO∶CAB=63.3∶31.7∶5, which is compared with single surfactant. Finally, we conducted a preliminary evaluation of the foamed cement with adding the optimum system to API class G oil well cement.
high-temperature resistance, foam agent, compound system, foamed cement
2014-06-16；
2015-09-26；[責(zé)任編輯]郝情情。
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):41572361)資助。
譚慧靜(1990年-)，女，2012年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為中國地質(zhì)大學(xué)(北京)在讀博士，主要研究方向?yàn)榈責(zé)豳Y源的勘探與開發(fā)。E-mail:thj0528@163.com。
P314
A
0495-5331(2015)06-1181-6
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譚慧靜，周 丹，陳德南，李亞琛，鄭秀華
(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)
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用于高溫地?zé)峋菽嗯菽瓌┬阅苎芯?/p>
譚慧靜1，周 丹1，陳德南2，李亞琛1，鄭秀華1
(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)
地?zé)峋@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(píng)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(píng)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API G級(jí)油井水泥體系中進(jìn)行性能的初步評(píng)價(jià)。
抗高溫 泡沫劑 復(fù)配體系 泡沫水泥
Tan Hui-jing,Zhou Dan,Chen De-nan,Li Ya-chen,Zheng Xiu-hua.Research on performance of foam agents for foamed cement used in high-temperature geothermal wells[J].Geology and Exploration,2015,51(6):1181-1186.
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)崴嗟难芯恐邢駻PI G級(jí)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(duì)50多種表面活性劑的發(fā)泡性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)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(píng)價(jià)。
本文對(duì)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(píng)價(jià)，并對(duì)篩選出來的泡沫劑進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)研究，評(píng)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API G級(jí)油井水泥中制備泡沫水泥，評(píng)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) API G級(jí)油井水泥，硅粉。
實(shí)驗(yàn)儀器：泡沫發(fā)生器，量筒，燒杯，Waring Blender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(píng)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(píng)價(jià)(吳安林等，2008；胡鈳等，2010)。具體評(píng)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(píng)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(píng)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(píng)價(jià)：將水泥漿倒入三聯(lián)試模，養(yǎng)護(hù)后對(duì)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(píng)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(píng)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(píng)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。
表1 常溫下各種發(fā)泡劑性能評(píng)價(jià)Table 1 Performance evaluation of foam agents at room temperature
由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到各種泡沫劑比較圖如圖1所示。
圖1 常溫下各發(fā)泡劑的性能評(píng)價(jià)Fig.1 Performance evaluation of foam agents at room temperature
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)椋篖AS>AOS>SLES>SDS>AES，泡沫劑穩(wěn)定性的強(qiáng)弱順序?yàn)椋篈OS>AES>SLES>SDS>LAS，發(fā)泡能力最強(qiáng)的為LAS，但是LAS半衰期相對(duì)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)椋篊AO>CAB>LHSB>LAB-35=CHSB，泡沫劑穩(wěn)定性的強(qiáng)弱順序?yàn)椋篖HSB>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(píng)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(píng)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。
表2 泡沫劑抗高溫性能實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)Table 2 Evaluation of high temperature resistance of foam agents
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。
圖2 常溫與180℃后不同發(fā)泡劑發(fā)泡量評(píng)價(jià)Fig.2 Foaming capacity of foam agents at room temperature and 180℃
圖3 常溫與180℃后不同發(fā)泡劑半衰期評(píng)價(jià)Fig.3 Foaming capacity of foam agents at room temperature and 180℃
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(duì)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(píng)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(píng)價(jià)。
3.3 陰離子/兩性離子復(fù)配體系性能評(píng)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(píng)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(píng)價(jià)其發(fā)泡性能和半衰期，并與單種發(fā)泡劑進(jìn)行對(duì)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)。
實(shí)驗(yàn)配方：100mL水+0.8%發(fā)泡劑。
發(fā)泡劑的配比主要有：
1#：30%SLES+40%CAO+30%CAB；
2#：40%SLES+30%CAO+30%CAB；
3#：50%SLES+30%CAO+20%CAB；
4#：60%SLES+30%CAO+10%CAB；
5#：70%SLES+20%CAO+10%CAB；
6#：63.3%SLES+31.7%CAO+5%CAB。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
表3 陰離子/兩性離子表面活性劑復(fù)配體系性能評(píng)價(jià)Table 3 Performance evaluation of anion/ zwitterions surfactant compound system
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(duì)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(duì)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(píng)價(jià)性能的比較可得如表4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
表4 陰離子/兩性離子表面活性劑復(fù)配體系 與單種表面活性劑發(fā)泡量評(píng)價(jià)Table 4 Foaming capacity of anion/zwitterions surfactant compound system and single one
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(píng)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。
表5 陰離子/兩性離子表面活性劑復(fù)配體系 與單種表面活性劑半衰期評(píng)價(jià)Table 5 Half-life of anion/ zwitterions surfactant compound system and single one
圖4 陰離子/兩性離子復(fù)配體系與單種表面活性劑發(fā)泡量評(píng)價(jià)Fig.4 Foaming capacity of anionic/zwitterions surfactant system and single
圖5 陰離子/兩性離子復(fù)配體系與單種表面活性劑半衰期評(píng)價(jià)Fig.5 Half-life of anionic/zwitterions surfactant system and single one
3.4 泡沫水泥體系性能研究
抗高溫泡沫水泥基漿為API G級(jí)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API G級(jí)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：API G級(jí)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API G級(jí)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?。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?nèi)部的氣孔如圖6所示，該圖為API G級(jí)油井泡沫水泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
表6 泡沫水泥配方Table 6 Formula of foamed cement
表7 泡沫水泥性能評(píng)價(jià)結(jié)果Table 7 Evaluation of foamed cement
圖6 泡沫水泥內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)(放大130倍)Fig.6 Internal porosity structure of foamed cement(enlarge 130 times)
4 結(jié)論
(1) 通過對(duì)各種泡沫劑進(jìn)行常溫和高溫條件的評(píng)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(duì)陰離子/兩性離子復(fù)配體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)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API G級(jí)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。
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[附中文參考文獻(xiàn)]
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Research on Performance of Foam Agents for Foamed Cement Used in High-Temperature Geothermal Wells
TAN Hui-jing1, ZHOU Dan1, CHEN De-nan2, LI Ya-chen1, ZHENG Xiu-hua1
(1.ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083;2.CNOOCEnergyTechnology&ServicesLtd.Drilling&ProductionCompany,Tianjin300452)
In the drilling of geothermal wells, high-temperature resistance foamed cement is used to cementing for that wells have features of high temperature, low formation pressure, and broken formation. It requires that the foam agents can be of high temperature resistance to ensure foamed cement cementing effectively. This study focused on the evaluation and optimization of various kinds of foam agents at room temperature and 180℃ for foaming ability and stability. Then compound evaluation was made for the optimum single surfactant to determine the best distribution system as SLES∶CAO∶CAB=63.3∶31.7∶5, which is compared with single surfactant. Finally, we conducted a preliminary evaluation of the foamed cement with adding the optimum system to API class G oil well cement.
high-temperature resistance, foam agent, compound system, foamed cement
2014-06-16；
2015-09-26；[責(zé)任編輯]郝情情。
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):41572361)資助。
譚慧靜(1990年-)，女，2012年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為中國地質(zhì)大學(xué)(北京)在讀博士，主要研究方向?yàn)榈責(zé)豳Y源的勘探與開發(fā)。E-mail:thj0528@163.com。
P314
A
0495-5331(2015)06-1181-6
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