利用背散射光技術(shù)評價泡沫水泥發(fā)泡劑的穩(wěn)定性1修改稿

1、利用背散射光技術(shù)評價泡沫水泥發(fā)泡劑的穩(wěn)定性劉 偉(中石化工程技術(shù)研究院 北京 100101)摘要：泡沫水泥固井的關(guān)鍵技術(shù)是發(fā)泡技術(shù)和注水泥技術(shù)。評價發(fā)泡劑性能的指標(biāo)很多，通常采用沉陷距和泌水量等方法，由于干擾因素較多 ,評價結(jié)果較粗，不能準(zhǔn)確評價泡沫的穩(wěn)定性以及所混配的泡沫水泥漿的穩(wěn)定性。本文采用背散射光技術(shù)對泡沫水泥發(fā)泡劑的穩(wěn)定性進(jìn)行評價，根據(jù)不同流體對光線有不同的透射率和背散射率的原理，利用同一種流體的穩(wěn)定性隨時間而變化，其對光線的透射率和背散射率也不同這一特性，通過考察不同泡沫隨時間增加的析水情況、泡沫粒徑隨時間的變化情況，計算泡沫穩(wěn)定性系數(shù)等參數(shù)，以此對不同發(fā)泡劑進(jìn)行穩(wěn)定性評價，從而優(yōu)

2、選性能穩(wěn)定的發(fā)泡劑。同時用此方法也可對泡沫水泥進(jìn)行穩(wěn)定性的評價，因此用本方法具有快速、簡便，直觀等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：泡沫水泥；發(fā)泡劑；背散射光技術(shù)；穩(wěn)定性引 言泡沫水泥是一種液-氣-固三相流體，是一種超低密度水泥漿。具有密度低，頂替鉆井液效率高，延展性好，對水敏地層的傷害小、減小環(huán)空氣竄、防止固井漏失等優(yōu)點1-2。自20世紀(jì)70年代后首次用于石油固井以來，泡沫水泥的研究與應(yīng)用發(fā)展迅速，并取得了顯著的效果。目前泡沫水泥常用機(jī)械發(fā)泡的方式3，將發(fā)泡劑水溶液在特殊裝置生成泡沫，再將一定量的泡沫加入水泥漿中混合成不同低密度的泡沫水泥漿。泡沫水泥固井的關(guān)鍵技術(shù)是發(fā)泡技術(shù)和注水泥技術(shù)。好的泡沫水泥漿必須有好的

3、發(fā)泡劑4，在對機(jī)械式發(fā)泡的泡沫水泥漿進(jìn)行實驗時，能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)很多，但并非所有能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)都能用于泡沫水泥。只有在泡沫和水泥漿混合時薄膜不致破壞，具有足夠的穩(wěn)定性,對油井水泥膠凝材料的凝結(jié)和抗壓強(qiáng)度無不良影響的發(fā)泡劑，才能用于泡沫水泥。評價發(fā)泡劑性能好壞的指標(biāo)很多，除發(fā)泡倍率是主要考慮的指標(biāo)外，對泡沫水泥漿影響最大的指標(biāo)是泡沫的穩(wěn)定性。通常采用沉陷距和泌水量, 泡沫壽命和泡沫半衰期衡量其穩(wěn)定性5。但這些方法干擾因素較多 ,評價結(jié)果較粗，不能準(zhǔn)確評價泡沫的穩(wěn)定性以及所混配的泡沫水泥漿的穩(wěn)定性。因此，本文采用背散射光技術(shù)對泡沫水泥的穩(wěn)定性進(jìn)行評價。1 實驗部分1.1實驗材料表面活性劑類6和蛋

4、白質(zhì)類7的發(fā)泡劑共4種： 1號、2號、3號、4號，并配置成同樣濃度的發(fā)泡液。1.2實驗儀器自制帶壓攪拌發(fā)泡器(中石化工程院)、turbiscan lab專家型穩(wěn)定性分析儀(法國formulaction公司)。1.3 技術(shù)原理背散射光技術(shù)原理：利用turbiscan lab專家型穩(wěn)定性分析儀，針對不同流體對光線有不同的透射率和背散射率，同一種流體的穩(wěn)定性隨時間而變化，其對光線的透射率和背散射率也不同8這一特性，通過考察不同泡沫隨時間增加的析水情況、泡沫粒徑隨時間的變化情況來對不同發(fā)泡劑的穩(wěn)定性進(jìn)行評價。穩(wěn)定性分析儀的檢測探頭是由一個近紅外脈沖光源（=0.88um）及兩個同步檢測器組成，分別探測透

5、過樣品的透射光和被樣品反射的背散射光（bs）9。當(dāng)樣品濃度稀，光可以透過的時候，看到的是透射光的信息。當(dāng)樣品濃度高，光無法透過的時候，看到的是被顆粒反射的背散射光信息。以樣品池底部為坐標(biāo)的0點，光學(xué)探測頭從低于樣品池底部的-2 mm處起沿樣品測試室向上掃描，最大高度為55 mm，每40 µm高度采集一次透射光和反射光數(shù)據(jù)。透射光和反射光強(qiáng)度以%表示，其含義是相對標(biāo)準(zhǔn)樣品的光通量的百分比。對于透明體系，選取透射光的透過率（t %）為指標(biāo)，不透明體系則選取背射光的反射率（bs %）為指標(biāo)，泡沫屬于不透明體系，其穩(wěn)定性評價指標(biāo)為bs。掃描曲線給出了不同掃描時間透射光和反射光隨樣品高度的變化

6、關(guān)系，從而放大了樣品在測定時間內(nèi)微觀特征變化10。背散射光光通量的大小還取決于粒徑大小，見圖1。0.88um圖1、背散射光強(qiáng)度隨顆粒粒徑的變化關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)顆粒粒徑大于0.88um時，背散射光的強(qiáng)度是隨著顆粒粒徑的增大而降低。1.4 實驗方法1.4.1 泡沫制備將計量過容積或重量的發(fā)泡液倒入自制攪拌漿杯中，旋緊杯蓋，關(guān)閉閥門，啟動電機(jī)帶動漿杯內(nèi)的專用漿葉進(jìn)行攪拌，轉(zhuǎn)速在1500r/min下攪拌1min，同時通過壓力調(diào)節(jié)器向漿杯施加0.3-0.5mpa的壓力，這樣漿杯內(nèi)的泡沫劑通過攪拌和壓力的作用即產(chǎn)生均勻帶有一定壓力的氣泡。1.4.2 泡沫穩(wěn)定性實驗將所形成的泡沫緩慢注入一個55mm高的

7、圓柱形的玻璃樣品池中，待泡沫達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)高度后，停止注泡，迅速旋上上蓋。放進(jìn)turbiscan lab專家型穩(wěn)定性分析儀測試孔中開始實驗。2 實驗結(jié)果與分析利用背散射光技術(shù)比較以上4種發(fā)泡劑的穩(wěn)定性效果，將4種不同發(fā)泡液生成的泡沫樣品，分別倒入樣品池中，測量原始透射光和背散射光強(qiáng)度的變化趨勢。對于泡沫體系而言，測量剛開始時，試管內(nèi)只有兩種流體：泡沫和空氣，經(jīng)過一段時間后，泡沫逐漸衰竭，試管底部出水。2.1利用背散射光技術(shù)的實驗結(jié)果與分析 圖2：1號發(fā)泡劑的turbscan的數(shù)據(jù)圖 圖3：2號發(fā)泡劑的turbscan的數(shù)據(jù)圖 圖4：3號發(fā)泡劑的turbscan的數(shù)據(jù)圖 圖5：4號發(fā)泡劑的turbsc

8、an的數(shù)據(jù)圖以上圖25是4種泡沫樣品背散光強(qiáng)度與樣品池高度對應(yīng)的圖。圖分上下2部分，上部的圖為泡沫透射光圖，下部的圖為泡沫背散射光的圖。圖的橫坐標(biāo)為樣品池的高度，左邊為樣品池的底部，右邊為樣品池的頂部，其中有信號段表示泡沫樣品液面所占的高度。縱坐標(biāo)為背反射光的強(qiáng)度，用百分比表示。圖中曲線表示不同觀察點泡沫的背反射光強(qiáng)度，背散射光強(qiáng)度增加為正，背散射光強(qiáng)度降低為負(fù)，為了更容易地看到各次的變動差別，第一次掃描是顯示粉色, 最后一次掃描顯示是紅色，我們可以從以下幾個方面來評價泡沫的穩(wěn)定性。2.2.1泡沫析水高度的比較從圖25可以看到，樣品在透射光圖的最左邊形成了一個峰。這個峰是由于樣品析水造成的，因

9、為泡沫對光有很強(qiáng)的散射作用，光是無法穿透的，泡沫析出水以后，光就可以透過，我們就可以得到透射光的信息。峰越寬，析水越多，峰越高，析水的澄清度越高。通過對4種泡沫析水高隨時間的變化關(guān)系作圖進(jìn)行比較，可以看出析水量由少到多的順序為：1號3號2號4號。2.2.2泡沫直徑隨時間的變化關(guān)系從背散射光圖25可以看出，樣品中部的背散射光的強(qiáng)度在隨時間下降，說明整個體系泡沫的粒徑大于0.88um ,且泡沫的粒徑逐漸增大。結(jié)合圖1可以看出，泡沫粒徑變化的順序由小到大為：3號1號2號4號。說明3號樣品最穩(wěn)定。2.2.3泡沫穩(wěn)定性系數(shù)除此之外，還可用穩(wěn)定性系數(shù)（d1）來表示。穩(wěn)定性系數(shù)是泡沫樣品變化的偏差值，偏差越

10、大，穩(wěn)定性越差，偏差值越小，穩(wěn)定性越好，所以，穩(wěn)定性系數(shù)越小，泡沫樣品體系就越穩(wěn)定。從表1中可以看出3號泡沫的穩(wěn)定性系數(shù)最小，因此泡沫的穩(wěn)定性也最好。表1 不同泡沫穩(wěn)定系數(shù)樣品名穩(wěn)定性系數(shù)備注3.stab9.64測定時間為17min，測定長度為39.5mm1.stab19.412.stab44.594.stab47.612.2.4與泡沫穩(wěn)定性常規(guī)評價方法比較在常規(guī)泡沫穩(wěn)定性測量中,需將一定體積的發(fā)泡劑溶液,在一定轉(zhuǎn)速下攪拌60 s后,然后倒入一定體積的容器中，測量沉陷距、半衰期、出液時間、泡沫壽命、泌水量，以此來衡量泡沫穩(wěn)定性。實驗通過測量以上4種發(fā)泡劑的性能指標(biāo)來評價發(fā)泡劑的穩(wěn)定性，實驗結(jié)果

11、見表2。表2 六種發(fā)泡劑穩(wěn)定性實驗起泡劑序號1h泌水量/ml出液時間/min半衰期/min沉降距/mm泡沫壽命/1210015140433.733440250235.6411517170503.9可以看出，沉降距越短，出液時間、半衰期越長,泌水量越少，泡沫壽命越大,泡沫就越穩(wěn)定。綜合比較六種發(fā)泡液的各項指標(biāo)，1號、3號穩(wěn)定性相對較好，其他2種穩(wěn)定性相對較差，但由于測量存在人為誤差，精度不夠，還無法完全準(zhǔn)確用量化的指標(biāo)來判斷哪一種發(fā)泡劑穩(wěn)定性更好。但穩(wěn)定性趨勢與用背散射光技術(shù)評價方法一致。2.2.5泡沫水泥漿穩(wěn)定性分析 （1）用常規(guī)密度法。利用以上4種發(fā)泡劑配置的泡沫水

12、泥漿在一定溫度下養(yǎng)護(hù)后，泡沫水泥漿密度變化情況，評價其穩(wěn)定性。表3 4種不同發(fā)泡劑水泥漿50養(yǎng)護(hù)后密度變化情況泡沫水泥漿序號養(yǎng)護(hù)前密度/(g/cm3)養(yǎng)護(hù)后密度/(g/cm3)密度差/(g/cm3)1泡沫水泥漿1.201.320.122泡沫水泥漿1.201.530.333泡沫水泥漿1.201.280.084泡沫水泥漿1.201.560.38可以看出，發(fā)泡劑的穩(wěn)定性越好，其養(yǎng)護(hù)前后密度變化也越小。（2）用背散射光技術(shù)評價.為了驗證上述結(jié)果，利用背散射光技術(shù)評價泡沫水泥漿的穩(wěn)定性，分別用1號、2號、3號泡沫配置泡沫水泥漿，密度1.2g/cm3，測量時間是1h，實驗結(jié)果見表4。表4 泡沫水泥漿穩(wěn)定系

13、數(shù)泡沫水泥漿樣品名穩(wěn)定性系數(shù)備注1泡沫水泥漿0.21測定時間為60min測定長度為39.5mm2泡沫水泥漿0.543泡沫水泥漿0.174泡沫水泥漿0.62可以看出，3號泡沫配置的泡沫水泥漿穩(wěn)定系數(shù)最小，與優(yōu)選的發(fā)泡劑穩(wěn)定性一致，說明泡沫水泥漿的穩(wěn)定性與泡沫的穩(wěn)定性有直接關(guān)系。由于泡沫水泥漿的穩(wěn)定性無法用常規(guī)api 游離水量測定方法測定11，利用背散射光技術(shù)所評價的發(fā)泡劑穩(wěn)定性與用常規(guī)方法評價結(jié)果一致，且該方法放大了樣品在測定時間內(nèi)微觀特征變化，說明用該方法評價泡沫穩(wěn)定性更準(zhǔn)確、簡便，準(zhǔn)確，且便于在現(xiàn)場應(yīng)用等優(yōu)點。3 結(jié) 論 （1）利用背散射光技術(shù)評價發(fā)泡劑的穩(wěn)定性，不僅能觀測到泡沫隨時間的出水

14、情況，還能觀測到泡沫的粒徑隨時間的變化情況；（2）用此方法其評價結(jié)果不僅與常規(guī)泡沫穩(wěn)定性評價方法趨勢一致，而且可快速準(zhǔn)確評價不同發(fā)泡劑的穩(wěn)定性。（3）用此方法也可準(zhǔn)確評價泡沫水泥漿體系的穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)：1 顧軍，尹會存，高德利，等. 泡沫水泥穩(wěn)定性研究j .油田化學(xué)，2004，21 (4)：307-309.2顧軍,何湘清,王學(xué)良，等. 泡沫超低密度油井水泥的試驗研究j.水 泥,2002 ,29(6) :19 -20.3 戴相富,譚勁松,李武幸，等.固井水泥發(fā)泡車的開發(fā)j.石油機(jī)械, 2008,36(9):85-874 王翠花，潘志華. 混凝土發(fā)泡劑的泡沫穩(wěn)定性研究j. 化學(xué)建材,2006,2

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16、錦，王建立.turbiscan lab濃縮體系分散穩(wěn)定性分析儀在擬薄水鋁石漿液中的應(yīng)用.鋁鎂通訊，2006,no2：22-23.11 黃柏宗,李寶貴,李希珍,等。模擬井下溫度壓力條件的水泥漿沉降穩(wěn)定性研究j.鉆井液與完井液，2000,17(2):4-6.using back diffused light technical appraisal foam concrete foaming agent stability abstract: the foam concrete well cementation's key technologies is the foaming techno

17、logy and the cementing technology. there are many target for appraisal foaming agent performance quality's, usually uses the settlement and bleeding and so on that the disturbance factors are many, the measure results are thick, and cannot appraise accurately the stability of froth and the mixed

18、 matches froth cement mortar. therefore, this article carry on the appraisal to stability of the foam concrete using the back diffused light technology to.the different fluid has different transmittance and back scattering rate to the light ,and the identical fluid's stability changes along with the time,which has different transmittance and backscatter rate else.calculate froth stability coefficient and other parameters through inspecting the bleeding situation of di