化學發泡式泡沫水泥漿稠化實驗方法對比與分析

楊現禹，岳　也，蔡記華

（中國地質大學（武漢）工程學院，武漢430074）

化學發泡式泡沫水泥漿稠化實驗方法對比與分析

楊現禹，岳也，蔡記華

（中國地質大學（武漢）工程學院，武漢430074）

楊現禹等.化學發泡式泡沫水泥漿稠化實驗方法對比與分析[J].鉆井液與完井液，2016，33（2）：96-100.

水泥漿的稠化實驗使用稠化儀，但泡沫水泥漿中本身含有氣體，在加壓過程中會造成稠化性能測量誤差。針對此問題，采用3種測試方法測試了不同加量發泡劑條件下，化學發泡式泡沫水泥漿的稠度性能，并優選出最優的測試方法。分析了測試方法誤差的產生原因，并通過力學分析和計算對最優測試方法的稠度曲線進行修正。結果表明，發泡劑反應剩余物對泡沫水泥漿具有促凝作用，含發泡劑剩余物的水泥漿稠化時間比不含發泡劑剩余物的少41%，其影響不能忽略；使用不含氣體和含有氣體的水泥漿所測稠化曲線相差不大（不含有和含有氣體的水泥漿稠化時間相差1 min和11 min），但其稠化曲線形態有所差別，含有氣體的泡沫水泥漿測得的稠化曲線更接近直角稠化；當氣體含量較少或者水泥漿后期稠度增長較快時，修正前后的稠化時間可能相差不大，化學發泡式泡沫水泥漿修正前后達到100 Bc的稠化時間相差3 min。但當泡沫水泥漿密度較小、氣體含量較大，或者后期稠度增長較慢時，必須對測得的數據進行修正后才能使用。

泡沫水泥漿；稠化實驗；力學計算；誤差修正

由于泡沫水泥漿具有密度低、強度高、防竄性能好等特點，在國外得到了廣泛的應用。它不僅適用于一般低壓易漏地層，還適用于氣層封固。常規水泥漿稠化性能可以使用稠化儀測得，但漿杯中不能含有氣體。泡沫水泥漿中本身含有氣體，稠化儀在加壓過程中實驗難以進行，同時攪拌槳葉不能與水泥漿完全接觸，造成測量誤差[1-2]，并且無法了解氣體和發泡劑剩余物對稠化曲線的影響。針對以上問題，采用3種測試方法對比化學發泡式泡沫水泥漿在相同水灰比、不同加量發泡劑條件下的稠度性能，優選出最優測試方法。分析誤差原因并對誤差進行修正，了解發泡劑剩余物以及氣體對水泥漿稠化時間的影響，同時通過力學分析對最優測試方法的稠度曲線進行修正，判斷測試結果與修正結果之間誤差，對化學發泡式泡沫水泥漿稠化實驗測試具有一定的指導意義。

1　水泥漿稠化性能測試原理

常規水泥漿的稠化實驗使用增壓稠化儀測得，稠化儀測定水泥漿稠度的原理為：測定過程中電機帶動水泥漿杯旋轉，而稠化儀漿杯的槳葉上部卡在電位計上。這樣在漿杯旋轉過程中，會帶動水泥漿附加給攪拌槳葉一個扭力，扭力會使電位計上的扭力彈簧變形，電位計指示位置發生變化。電位計相當于一個滑動變阻器，這樣就把扭力信號轉換為電信號，顯示在數據采集系統上[1-4]。隨著時間的增長，水泥漿開始緩慢稠化，此時水泥漿對攪拌槳葉上的單位面積作用力越來越大，表現為電位計電阻越來越大，數據系統顯示為稠度的增長[5-8]，當稠度增長到100 Bc時，系統報警，稠化實驗結束。

稠化儀測出的稠度與彈簧片扭矩之間的關系用以下公式[2]表示：T=7.66+1.96B （1）式中：T為扭矩，N·mm；B為伯登稠度，Bc。

2　泡沫水泥漿測試時存在的問題

測試水泥漿的稠化時間時要保證水泥漿充滿整個漿杯，漿杯中水泥漿不能有孔隙和氣泡[9-10]。泡沫水泥漿因含有氣體，使用常規稠化時間測試方法，在加壓過程中，稠化儀漿杯的橡膠密封膜片將會因壓力作用而向下凸，從而接觸甚至卡死槳葉，給測試結果帶來誤差[11-12]，甚至使實驗難以進行。為此探討了化學式泡沫水泥漿稠化時間的測試方法。

3　泡沫水泥漿稠化性能測試方法探討

對于化學發泡式泡沫水泥漿，發泡劑完全反應后水泥漿的主要組分為基漿、反應剩余物、氣體以及其他外加劑等[13]。其稠化性能測試方法有以下3種：第一種使用基漿+其他外加劑的稠化性能來替代；第二種在配漿前使固體發泡劑和液體發泡劑反應完全放出氣體，在配漿時只加入反應剩余物，使用這樣配制的水泥漿的稠化性能代替泡沫水泥漿的稠化性能；第三種是使用帶孔的稠化儀漿杯橡膠密封膜片，直接測試含有氣體的泡沫水泥漿的稠化性能。帶孔的漿杯密封膜片見圖1，在稠化儀加壓過程中，小孔可以平衡漿杯內部和外部的壓力，如此便不會因密封膜片下凸而擠壓槳葉。

圖1　帶孔的漿杯密封膜片

為了對比和分析3種測試方法，采用水灰比為0.52的基漿，加入不同加量的發泡劑，同時為穩定體系，加入了增黏劑和穩泡劑，使用上述3種方法測定了它們的稠化性能。稠化實驗方法及配方見表1，稠化曲線見圖2和圖3。由表1可以看出，發泡劑的反應剩余物對水泥漿有明顯的促凝作用，稠化時間由基漿的144 min縮短為90 min左右，但反應剩余物的加量從（1.4%TW701+0.8%TW702）增加到（2.1%TW701+1.2%TW702），稠化時間改變并不大。使用第1種測試方法，忽略反應剩余物對水泥漿的影響，采用這種方法測出的泡沫水泥漿的稠化時間與實際差別較大。由圖2和圖3可以看出，使用這2種方法（考慮反應剩余物，但一個含氣體一個不含氣體）測出的稠化時間差別不大。對于密度為1.42 g/cm3和1.20 g/cm3的泡沫水泥漿，含有氣泡和不含氣泡的稠化時間相差1 min和11 min，這在實際工程應用中是允許的。只是從稠化曲線的形態上來講，它們還有一些不同，使用第3種方法測出的稠化曲線更接近直角稠化，即在初始稠度結束后，稠度上升更快一些，水泥漿的非液非固時間更短，有利于水泥漿的防竄性能。

表1　不同稠化實驗方法水泥漿的稠化性能

圖2　不同發泡劑反應剩余物對水泥漿稠化性能的影響

圖3　不同配方水泥漿的稠化曲線

4　測試方法優選與結果修正

對于第3種方法，泡沫水泥漿含有氣體，是可以壓縮的，在高溫高壓條件下泡沫水泥漿體積變小，漿杯中原來是水泥漿的部分因水泥漿體積縮小而被液壓稠化油取代，從而造成測試結果不真實，這也可能是第3種方法測試的初始稠度偏低的原因。稠化實驗結束后，雖然壓力恢復為常溫常壓，但由于水泥漿稠化后能夠承受一定的壓力，水泥漿并沒有恢復到原來的體積。

以上述密度為1.20 g/cm3的泡沫水泥漿為例，探討對第3種方法測得的稠化曲線進行修正。水泥漿基漿的密度為1.82 g/cm3，泡沫水泥漿的密度為1.20 g/cm3，可得其在常溫常壓下的氣體體積分數為0.341，并計算出在65 ℃，35 MPa下的體積分數為0.001 7。稠化儀漿杯的尺寸為φ7.35 cm× 11.5 cm，容積為487.94 mL，加入密度為1.20 g/cm3的泡沫水泥漿，升溫升壓至65 ℃、35 MPa后，漿杯中泡沫水泥漿的實際體積為342.14 mL，上部進入的稠化儀油的體積為145.80 mL。攪拌槳葉有2種葉片，葉片1和葉片2，見圖4。

圖4　攪拌漿杯及攪拌葉片圖

假設作用在葉片單位面積上的作用力為f，則對葉片1和葉片2產生的轉矩M1和M2為[14]：

漿杯中加入密度為1.20 g/cm3的泡沫水泥漿時，升溫升壓后其體積變為342.14 mL，高度為8.06 cm，由漿葉尺寸可知，葉片1全部浸沒在水泥漿中，而葉片2浸沒入水泥漿的深度為7.71 cm。

此時由葉片2產生的轉矩M2h為：

式（2）、（3）、（4）中，轉矩單位為N·mm，f單位為N/mm2。為對泡沫水泥漿的稠化曲線進行修正，須首先求出稠化儀油和泡沫水泥漿對攪拌槳葉單位面積上的力，為此需測定出漿杯裝滿稠化儀油在65 ℃、35 MPa的稠度，設為B0，假設稠化儀油對槳葉單位面積上的力為f0，則有：

當用第3種方法測出的泡沫水泥漿稠度為B時，假設泡沫水泥漿對攪拌槳葉單位面積上的作用力為f1，葉片1全部浸入水泥漿中，葉片2只有部分浸入水泥漿中，而葉片2另外的部分浸入在稠化儀油中，因此其稠度與轉矩之間的關系如下：

計算得到：

整理可得到泡沫水泥漿對攪拌槳葉單位面積上的作用力為：

由此得到泡沫水泥漿的修正稠度為：

用稠化儀測得稠化儀油在65 ℃、35 MPa的稠度為5.4 Bc，即B0為5.4 Bc，由式（7）計算得到稠化儀油對攪拌槳葉的單位面積作用力f0=3.163×10-3N/mm2，則根據式（10）和式（12）計算出泡沫水泥漿實測稠度與修正稠度之間的關系見表2。經過修正后的稠化曲線如圖5所示。由表2和圖5可知，密度為1.20 g/cm3的泡沫水泥漿修正稠度為100 Bc（實測稠度為76.5 Bc）的時間為93 min，與實測的100 Bc時的時間96 min僅相差3 min，相差較小，這主要是因為由于泡沫水泥漿的直角稠化特性，稠度在后期增長較快[15]，從76.5 Bc增加到100 Bc時間很短，并且當水泥漿稠度較大時稠化儀油產生的轉矩相對較小，可以忽略不計。在實際工程中這樣的誤差也是允許的[16]。

表2　泡沫水泥漿實測稠度與修正稠度對應關系

圖5　修正后泡沫水泥漿的稠度曲線

5　結果分析及討論

1. 發泡劑反應剩余物對泡沫水泥漿具有促凝作用，其影響不能忽略。

2.使用不含氣體和含有氣體水泥漿所測得的稠化曲線相差不大，這可能是氣體含量較少的原因。但它們的稠化曲線形態有所差別，與不含氣體水泥漿相比，使用含有氣體的泡沫水泥漿測得的稠化曲線更接近直角稠化。

3.在使用含有氣體的泡沫水泥漿測試稠化性能時，為得到較準確的結果，需對測得的曲線進行修正。當氣體含量較少或者水泥漿后期稠度增長較快時，修正前后的稠化時間可能相差不大，但當泡沫水泥漿密度較小、氣體含量較大，或者后期稠度增長較慢時，必須對測得的數據進行修正后才能使用。

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Comparison and Analysis of Thickening Experiment Methods for Chemically Foamed Cement Slurry

YANG Xianyu, YUE Ye, CAI Jihua
(Faculty of Engineering, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan, Hubei 430074, China)

Consistency tester is used to measure the thickening of cement slurry. For foamed cement slurries, air contained in the slurries often results in errors in consistencies measured. To minimize the effects of air on the consistency of cement slurry, three methods have been used to measure the consistencies of foamed cement slurries treated with different concentrations of foamers, and an optimized measuring method has been selected. Sources of the errors have been analyzed, and the consistency curves obtained from the optimized measuring method corrected through mechanical analyses and calculation. It was found that the residue foamers in cement slurry accelerated the thickening process, and the thickening time of the cement slurry containing residue foamer was 41% less than that of the cement slurry with no residue foamer, indicating that the effects of residue foamer should not be ignored. In two consistency tests with one cement slurry containing air and another one containing no air in it, the differences in thickening times were small (1 min and 11 min, respectively), while the shapes of the thickening curves were quite different; the thickening curve of the foamed cement slurry was more of right-angled. Cement slurry containing less air, or cement slurry with later consistency increasing faster, difference between the thickening times before and after correction was small; for chemically foamed cement slurries, this time difference was only 3 min when the consistencies before and after correction had both reached 100 Bc. For cement slurries with low density and high air content, or cement slurry with its later consistency increasing slowly, the consistency measured has to be corrected.

Foamed cement slurry; Thickening test; Mechanical calculation; Error correction

TE256.3

A

1001-5620（2016）02-0096-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.02.021

國家自然科學基金項目“納米架橋材料在低孔低滲煤層氣藏鉆完井過程中的暫堵機理研究”（41072111）；中國石油科技創新基金項目“納米材料增強頁巖氣水平井井壁穩定性的作用機理研究”（2014D-5006-0308）；湖北省自然科學基金重點項目“水基鉆井液增強頁巖氣水平井井壁穩定性的理論和方法”（2015CFA135）。

楊現禹，男，碩士研究生，1992年生，現主要從事鉆井液和井壁穩定研究。電話 18771059931；E-mail：yangxianyuu@163.com。通訊作者：蔡記華，電話 13871296614，E-mail：catchercai@126.com。

（2016-01-08；HGF=1601C5；編輯王超）