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1、利用背散射光技术评价泡沫水泥发泡剂的稳定性刘 伟(中石化工程技术研究院 北京 100101)摘要：泡沫水泥固井的关键技术是发泡技术和注水泥技术。评价发泡剂性能的指标很多，通常采用沉陷距和泌水量等方法，由于干扰因素较多 ,评价结果较粗，不能准确评价泡沫的稳定性以及所混配的泡沫水泥浆的稳定性。本文采用背散射光技术对泡沫水泥发泡剂的稳定性进行评价，根据不同流体对光线有不同的透射率和背散射率的原理，利用同一种流体的稳定性随时间而变化，其对光线的透射率和背散射率也不同这一特性，通过考察不同泡沫随时间增加的析水情况、泡沫粒径随时间的变化情况，计算泡沫稳定性系数等参数，以此对不同发泡剂进行稳定性评价，从而优
2、选性能稳定的发泡剂。同时用此方法也可对泡沫水泥进行稳定性的评价，因此用本方法具有快速、简便，直观等优点。关键词：泡沫水泥；发泡剂；背散射光技术；稳定性引 言泡沫水泥是一种液-气-固三相流体，是一种超低密度水泥浆。具有密度低，顶替钻井液效率高，延展性好，对水敏地层的伤害小、减小环空气窜、防止固井漏失等优点1-2。自20世纪70年代后首次用于石油固井以来，泡沫水泥的研究与应用发展迅速，并取得了显著的效果。目前泡沫水泥常用机械发泡的方式3，将发泡剂水溶液在特殊装置生成泡沫，再将一定量的泡沫加入水泥浆中混合成不同低密度的泡沫水泥浆。泡沫水泥固井的关键技术是发泡技术和注水泥技术。好的泡沫水泥浆必须有好的
3、发泡剂4，在对机械式发泡的泡沫水泥浆进行实验时，能产生泡沫的物质很多，但并非所有能产生泡沫的物质都能用于泡沫水泥。只有在泡沫和水泥浆混合时薄膜不致破坏，具有足够的稳定性,对油井水泥胶凝材料的凝结和抗压强度无不良影响的发泡剂，才能用于泡沫水泥。评价发泡剂性能好坏的指标很多，除发泡倍率是主要考虑的指标外，对泡沫水泥浆影响最大的指标是泡沫的稳定性。通常采用沉陷距和泌水量, 泡沫寿命和泡沫半衰期衡量其稳定性5。但这些方法干扰因素较多 ,评价结果较粗，不能准确评价泡沫的稳定性以及所混配的泡沫水泥浆的稳定性。因此，本文采用背散射光技术对泡沫水泥的稳定性进行评价。1 实验部分1.1实验材料表面活性剂类6和蛋
4、白质类7的发泡剂共4种： 1号、2号、3号、4号，并配置成同样浓度的发泡液。1.2实验仪器自制带压搅拌发泡器(中石化工程院)、TURBISCAN LAb专家型稳定性分析仪(法国FORMULACTION公司)。1.3 技术原理背散射光技术原理：利用TURBISCAN LAb专家型稳定性分析仪，针对不同流体对光线有不同的透射率和背散射率，同一种流体的稳定性随时间而变化，其对光线的透射率和背散射率也不同8这一特性，通过考察不同泡沫随时间增加的析水情况、泡沫粒径随时间的变化情况来对不同发泡剂的稳定性进行评价。稳定性分析仪的检测探头是由一个近红外脉冲光源（=0.88um）及两个同步检测器组成，分别探测透
5、过样品的透射光和被样品反射的背散射光（BS）9。当样品浓度稀，光可以透过的时候，看到的是透射光的信息。当样品浓度高，光无法透过的时候，看到的是被颗粒反射的背散射光信息。以样品池底部为坐标的0点，光学探测头从低于样品池底部的-2 mm处起沿样品测试室向上扫描，最大高度为55 mm，每40 m高度采集一次透射光和反射光数据。透射光和反射光强度以%表示，其含义是相对标准样品的光通量的百分比。对于透明体系，选取透射光的透过率（T %）为指标，不透明体系则选取背射光的反射率（BS %）为指标，泡沫属于不透明体系，其稳定性评价指标为BS。扫描曲线给出了不同扫描时间透射光和反射光随样品高度的变化关系，从而放
6、大了样品在测定时间内微观特征变化10。背散射光光通量的大小还取决于粒径大小，见图1。0.88um图1、背散射光强度随颗粒粒径的变化关系曲线可以看出，当颗粒粒径大于0.88um时，背散射光的强度是随着颗粒粒径的增大而降低。1.4 实验方法1.4.1 泡沫制备将计量过容积或重量的发泡液倒入自制搅拌浆杯中，旋紧杯盖，关闭阀门，启动电机带动浆杯内的专用浆叶进行搅拌，转速在1500r/min下搅拌1min，同时通过压力调节器向浆杯施加0.3-0.5MPa的压力，这样浆杯内的泡沫剂通过搅拌和压力的作用即产生均匀带有一定压力的气泡。1.4.2 泡沫稳定性实验将所形成的泡沫缓慢注入一个55mm高的圆柱形的玻璃
7、样品池中，待泡沫达到标准高度后，停止注泡，迅速旋上上盖。放进TURBISCAN LAb专家型稳定性分析仪测试孔中开始实验。2 实验结果与分析利用背散射光技术比较以上4种发泡剂的稳定性效果，将4种不同发泡液生成的泡沫样品，分别倒入样品池中，测量原始透射光和背散射光强度的变化趋势。对于泡沫体系而言，测量刚开始时，试管内只有两种流体：泡沫和空气，经过一段时间后，泡沫逐渐衰竭，试管底部出水。2.1利用背散射光技术的实验结果与分析 图2：1号发泡剂的TURBSCAN的数据图 图3：2号发泡剂的TURBSCAN的数据图 图4：3号发泡剂的TURBSCAN的数据图 图5：4号发泡剂的TURBSCAN的数据图
8、以上图25是4种泡沫样品背散光强度与样品池高度对应的图。图分上下2部分，上部的图为泡沫透射光图，下部的图为泡沫背散射光的图。图的横坐标为样品池的高度，左边为样品池的底部，右边为样品池的顶部，其中有信号段表示泡沫样品液面所占的高度。纵坐标为背反射光的强度，用百分比表示。图中曲线表示不同观察点泡沫的背反射光强度，背散射光强度增加为正，背散射光强度降低为负，为了更容易地看到各次的变动差别，第一次扫描是显示粉色, 最后一次扫描显示是红色，我们可以从以下几个方面来评价泡沫的稳定性。2.2.1泡沫析水高度的比较从图25可以看到，样品在透射光图的最左边形成了一个峰。这个峰是由于样品析水造成的，因为泡沫对光有
9、很强的散射作用，光是无法穿透的，泡沫析出水以后，光就可以透过，我们就可以得到透射光的信息。峰越宽，析水越多，峰越高，析水的澄清度越高。通过对4种泡沫析水高随时间的变化关系作图进行比较，可以看出析水量由少到多的顺序为：1号3号2号4号。2.2.2泡沫直径随时间的变化关系从背散射光图25可以看出，样品中部的背散射光的强度在随时间下降，说明整个体系泡沫的粒径大于0.88um ,且泡沫的粒径逐渐增大。结合图1可以看出，泡沫粒径变化的顺序由小到大为：3号1号2号4号。说明3号样品最稳定。2.2.3泡沫稳定性系数除此之外，还可用稳定性系数（d1）来表示。稳定性系数是泡沫样品变化的偏差值，偏差越大，稳定性越
10、差，偏差值越小，稳定性越好，所以，稳定性系数越小，泡沫样品体系就越稳定。从表1中可以看出3号泡沫的稳定性系数最小，因此泡沫的稳定性也最好。表1 不同泡沫稳定系数样品名稳定性系数备注3.stab9.64测定时间为17min，测定长度为39.5mm1.stab19.412.stab44.594.stab47.612.2.4与泡沫稳定性常规评价方法比较在常规泡沫稳定性测量中,需将一定体积的发泡剂溶液,在一定转速下搅拌60 s后,然后倒入一定体积的容器中，测量沉陷距、半衰期、出液时间、泡沫寿命、泌水量，以此来衡量泡沫稳定性。实验通过测量以上4种发泡剂的性能指标来评价发泡剂的稳定性，实验结果见表2。表2
11、 六种发泡剂稳定性实验起泡剂序号1h泌水量/mL出液时间/min半衰期/min沉降距/mm泡沫寿命/h13036220225.1210015140433.733440250235.6411517170503.9可以看出，沉降距越短，出液时间、半衰期越长,泌水量越少，泡沫寿命越大,泡沫就越稳定。综合比较六种发泡液的各项指标，1号、3号稳定性相对较好，其他2种稳定性相对较差，但由于测量存在人为误差，精度不够，还无法完全准确用量化的指标来判断哪一种发泡剂稳定性更好。但稳定性趋势与用背散射光技术评价方法一致。2.2.5泡沫水泥浆稳定性分析 （1）用常规密度法。利用以上4种发泡剂配置的泡沫水泥浆在一定温
12、度下养护后，泡沫水泥浆密度变化情况，评价其稳定性。表3 4种不同发泡剂水泥浆50养护后密度变化情况泡沫水泥浆序号养护前密度/(g/cm3)养护后密度/(g/cm3)密度差/(g/cm3)1泡沫水泥浆1.201.320.122泡沫水泥浆1.201.530.333泡沫水泥浆1.201.280.084泡沫水泥浆1.201.560.38可以看出，发泡剂的稳定性越好，其养护前后密度变化也越小。（2）用背散射光技术评价.为了验证上述结果，利用背散射光技术评价泡沫水泥浆的稳定性，分别用1号、2号、3号泡沫配置泡沫水泥浆，密度1.2g/cm3，测量时间是1h，实验结果见表4。表4 泡沫水泥浆稳定系数泡沫水泥浆
13、样品名稳定性系数备注1泡沫水泥浆0.21测定时间为60min测定长度为39.5mm2泡沫水泥浆0.543泡沫水泥浆0.174泡沫水泥浆0.62可以看出，3号泡沫配置的泡沫水泥浆稳定系数最小，与优选的发泡剂稳定性一致，说明泡沫水泥浆的稳定性与泡沫的稳定性有直接关系。由于泡沫水泥浆的稳定性无法用常规API 游离水量测定方法测定11，利用背散射光技术所评价的发泡剂稳定性与用常规方法评价结果一致，且该方法放大了样品在测定时间内微观特征变化，说明用该方法评价泡沫稳定性更准确、简便，准确，且便于在现场应用等优点。3 结 论 （1）利用背散射光技术评价发泡剂的稳定性，不仅能观测到泡沫随时间的出水情况，还能观
14、测到泡沫的粒径随时间的变化情况；（2）用此方法其评价结果不仅与常规泡沫稳定性评价方法趋势一致，而且可快速准确评价不同发泡剂的稳定性。（3）用此方法也可准确评价泡沫水泥浆体系的稳定性。参考文献：1 顾军，尹会存，高德利，等. 泡沫水泥稳定性研究J .油田化学，2004，21 (4)：307-309.2顾军,何湘清,王学良，等. 泡沫超低密度油井水泥的试验研究J.水 泥,2002 ,29(6) :19 -20.3 戴相富,谭劲松,李武幸，等.固井水泥发泡车的开发J.石油机械, 2008,36(9):85-874 王翠花，潘志华. 混凝土发泡剂的泡沫稳定性研究J. 化学建材,2006,22(3):3
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17、e cementing technology. There are many target for appraisal foaming agent performance qualitys, 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 matches froth c
18、ement 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 fluids stability changes along with the time,which has d
19、ifferent transmittance and backscatter rate else.Calculate froth stability coefficient and other parameters through inspecting the bleeding situation of different froth and changes of the froth particle size along with the time,then carry on the stable appraisal to the different foaming agent, so ch
20、oose foaming agent optimal stable property. Simultaneously it can appraisal the stability of foam concrete using this method.Therefore the advantages are fast ,simple, direct-viewing and so on using this method. Keywords: Foamconcrete Foamingagent Back diffused light technology Stability本论文来自于中石化重点科研项目泡沫低密度水泥固井技术研究，合同编号：P09005作者简介：姓名：刘伟（1965-），女,高级工程师，主任师，1990年毕业于石油大学（华东）钻井专业，2003年石油大学（北京）硕士毕业，现从事固井技术工作。联系电话：010-84988280、13521241912 ，地址:北京市朝阳区北辰东路8号北辰时代大厦520室 邮编：100101。
