利用背散射光技術評價水泥發泡劑的穩定性

劉偉

摘 要：泡沫水泥固井的關鍵技術是發泡技術和注水泥技術。評價發泡劑性能的指標很多，通常采用沉陷距和泌水量等方法干擾因素較多，評價結果較粗，不能準確評價泡沫的穩定性以及所混配的泡沫水泥漿的穩定性。因此，該文采用背散射光技術對泡沫水泥發泡劑的穩定性進行評價，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，計算泡沫穩定性系數等參數，以此對不同發泡劑進行穩定性評價，從而優選性能穩定的發泡劑。同時用此方法也可對泡沫水泥進行穩定性的評價，因此用本方法具有快速、簡便，直觀等優點。

關鍵詞：泡沫水泥 發泡劑 背散射光技術 穩定性

中圖分類號：TU528.04 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（c）-00-02

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、減小環空氣竄、防止固井漏失等優點。自20世紀70年代后首次用于石油固井以來，泡沫水泥的研究與應用發展迅速，并取得了顯著的效果。目前泡沫水泥常用機械發泡的方式，將發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。泡沫水泥固井的關鍵技術是發泡技術和注水泥技術。好的泡沫水泥漿必須有好的發泡劑，在對機械式發泡的泡沫水泥漿進行實驗時，能產生泡沫的物質很多，但并非所有能產生泡沫的物質都能用于泡沫水泥。只有在泡沫和水泥漿混合時薄膜不致破壞，具有足夠的穩定性，對油井水泥膠凝材料的凝結和抗壓強度無不良影響的發泡劑，才能用于泡沫水泥。評價發泡劑性能好壞的指標很多，除發泡倍率是主要考慮的指標外，對泡沫水泥漿影響最大的指標是泡沫的穩定性。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定性[4]。但這些方法干擾因素較多，評價結果較粗，不能準確評價泡沫的穩定性以及所混配的泡沫水泥漿的穩定性。因此，該文采用背散射光技術對泡沫水泥的穩定性進行評價。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

表面活性劑類[3]和蛋白質類的發泡劑供6種：0#、1#、2#、3#、4#、5#，并配置成同樣濃度的發泡液。

1.2 實驗儀器

自制帶壓攪拌發泡器（中石化工程院）、TURBISCAN LAb專家型穩定性分析儀（法國FORMULACTION公司）。

1.3 實驗原理

背散射光技術原理：利用TURBISCAN LAb專家型穩定性分析儀，針對不同流體對光線有不同的透射率和背散射率，同一種流體的穩定性隨時間而變化，其對光線的透射率和背散射率也不同[2]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泡劑的穩定性進行評價。

穩定性分析儀的檢測探頭是由一個近紅外脈沖光源（λ=0.88 um）及兩個同步檢測器組成，分別探測透過樣品的透射光和被樣品反射的背散射光（BS）[4]。當樣品濃度稀，光可以透過的時候，看的是透射光的信息。當樣品濃度高，光無法透過的時候，看被顆粒反射的背散射光的信息。以樣品池底部為坐標的0點，光學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 ?m高度采集一次透射光和反射光數據。透射光和反射光強度以%表示，其含義是相對標準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，不透明體系則選取背射光的反射率（BS %）為指標，泡沫屬于不透明體系，其穩定性評價指標為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關系。以樣品初始值為對照，樣品與之的差值（即變化率）反映其體系的變化，從而放大了樣品在測定時間內微觀特征變化[5]。背散射光光通量的大小還取決于粒徑大小，如圖1。

當顆粒粒徑大于0.88 μm時，背散射光的強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泡劑倒入自制攪拌漿杯中，旋緊杯蓋，關閉閥門，啟動電機帶動漿杯內的專用漿葉進行攪拌，轉速在1500r/min下攪拌1 min，同時通過壓力調節器向漿杯施加0.3-0.5 mPa的壓力，這樣漿杯內的泡沫劑通過攪拌和壓力的作用即產生均勻帶有一定壓力的氣泡。

1.4.2 泡沫穩定性實驗

將泡沫緩慢注入一個55 mm高的圓柱形的玻璃樣品池中，待泡沫達到標準高度后，停止注泡，迅速旋上上蓋。放進TURBISCAN LAb專家型穩定性分析儀測試孔中開始實驗。

2 實驗結果與分析

利用背散射光技術比較六種泡沫水泥發泡劑的穩定性效果，將6種不同發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度的變化趨勢。

對于泡沫體系而言，測量剛開始時，試管內只有兩種流體：泡沫和空氣，經過一段時間后，泡沫逐漸衰竭，試管底部出水。圖2、圖3是部分泡沫樣品背散光強度與樣品池高度對應的圖。圖2為泡沫透射光圖，圖3為泡沫背散射光的圖。圖的橫坐標為樣品池的高度，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。縱坐標為透色光/背散射光的強度，用百分比表示。圖中曲線表示不同觀察點泡沫的背散射光強度，背散射光強度增加為正，背散射光強度降低為負。

2.1 泡沫析水高度的比較

從圖2可以看出，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，因為泡沫對光有很強的散射作用，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6種發泡劑形成的泡沫析水高隨時間的變化關系作圖進行比較，可以看出析水量由少到多的順序為：0#<5#<3#<2#<1#<4#。

2.2 泡沫直徑隨時間的變化關系

從圖3的背散射光的圖可以看出，樣品的中部的背散射光的強度在隨時間下降，當顆粒粒徑大于880 nm時，背散射光的強度是隨著顆粒粒徑的增大而降低這個變化規律，說明整個體系泡沫的粒徑大于880 nm，泡沫的粒徑由小變大，增大的速度很快。我們利用背散射光變化率（DELTA BS）來進一步說明泡沫隨時間的穩定性。DELTABS這個值反應的是顆粒粒徑的變化，曲線的斜率越大，顆粒粒徑變化越大，說明泡沫越不穩定（圖4，圖5）。從圖4可以看出，不同發泡劑形成泡沫粒徑變化的順序由小到大為：3#<5#<0#<1#，2#和4#一樣。我們也可以通過該儀器的軟件計算出泡沫粒徑變化的大小。從圖5中可以看出，1，2，4#樣品的泡沫粒徑在20 min內從不到100 um，變大到700 um，而0，3，5#樣品只是從50 um到100 um的變化，其中3#樣品粒徑只有25um左右的變化，說明3#發泡劑形成的泡沫樣品最穩定。

2.3 泡沫穩定性系數（d1）

除此之外，還可以用穩定性系數（d1）來表征：

從這個公式的計算我們可以看出，穩定性系數其實就是樣品變化的偏差值，偏差越大的，穩定性越差，偏差值越小的，穩定性越好，所以，穩定性系數越小，樣品體系就越穩定。從表1中可以看出3#發泡劑形成的泡沫的穩定性系數最小，因此泡沫的穩定性也最好。

2.4 泡沫水泥漿穩定性分析

除了用背散射光技術評價泡沫的穩定性，實驗還用該方法對泡沫水泥漿進行穩定性評價，分別用0#、1#發泡劑混入水泥漿中，攪拌形成泡沫水泥漿，密度為1.1 g/cm3，測量時間是1 h，由于泡沫水泥漿沒有清水出現，因此沒有透射光的信息。泡沫水泥漿完全是不透明液體，因此為了能更直觀的判斷兩種泡沫水泥漿的穩定性，利用穩定性系數d1進行比較，可以看出0#泡沫水泥漿穩定系數0.21小于2#泡沫水泥漿0.54，說明泡沫水泥漿的穩定性與泡沫的穩定性有直接關系。由于泡沫水泥漿的穩定性無法用常規API 游離水量測定方法測定[6]，因此用本方法具有快速、簡便，且便于在現場應用等優點。

3 結語

（1）采用TURBISCAN LAB穩定性分析儀測試泡沫的穩定性，不僅能觀測到泡沫隨時間的出水情況，還能觀測到泡沫的粒徑隨時間的變化情況；（2）利用穩定性系數（d1）公式計算，可以直觀比較不同泡沫的穩定性；（3）用此方法評價泡沫的穩定性，減少人為操作誤差；（4）穩定性分析儀用來研究泡沫體系的穩定性具有快速、準確的優點。

參考文獻

[1] 王蒙蒙，郭東紅.泡沫劑的發泡性能及其影響因素[J].精細石油化工進展，2007，8（12）：40-41.

[2] 李曉明，蒲曉林，羅興樹.一種分析泡沫鉆井液穩定性的新方法[J].西南石油學院學報，2004，26（2）：47-49.

[3] 郭萬奎，廖廣志，邵振波，等.注氣提高采收率技術[M].北京：石油工業出版社，2003.

[4] 張銳，王瑞和，邱正松，等.利用光散射原理評價泡沫鉆井液的穩定性[J].石油學報，2005，26（1）：105-106.

[5] 王錦，王建立.Turbiscan Lab濃縮體系分散穩定性分析儀在擬薄水鋁石漿液中的應用[M].鋁鎂通訊，2006（2）：22-23.

[6] 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定性研究[J].鉆井液與完井液，2000，17（2）：4-6.