用于高温地热井泡沫水泥泡沫剂性能研究

谭慧静，周 丹，陈德南，李亚琛，郑秀华

(1. 中国地质大学(北京)，北京 100083；2. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)



用于高温地热井泡沫水泥泡沫剂性能研究

谭慧静1，周 丹1，陈德南2，李亚琛1，郑秀华1

(1. 中国地质大学(北京)，北京 100083；2. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

地热井钻井具有高温、地层压力低、地层破碎等特点，采用抗高温泡沫水泥进行固井，要求泡沫剂具有一定的抗高温性能。本文评价和优选了多种泡沫剂在常温和180℃高温下的起泡能力、稳定性，并且将优选出来的单种发泡剂进行复配评价，得到最佳的复配体系为SLES∶CAO∶CAB=63.3∶31.7∶5，并且与单种发泡剂进行比较，将所得最佳复配体系加入到API G级油井水泥体系中进行性能的初步评价。

抗高温 泡沫剂 复配体系 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、液相和气相组成的多相体系，具有密度低、强度较高、隔热性好等特点。由于其优良的性能，泡沫水泥广泛应用于国内外油田和低压力高温地热钻井中(黄柏宗等，1996；刘崇建等，2001；顾军等，2002；刘建红等，2011)。泡沫水泥密度一般小于1.4g/cm3，通常为0.8～1.4g/cm3(Rozieresetal.，1990)，水泥体系中密度的降低主要是由于泡沫剂的加入。低密度水泥在地层压力较低的地层中可以有效地平衡地层压力，防止井漏。早在1985年，国外在地热水泥的研究中向API G级油井水泥中加入硅粉并进行发泡进行泡沫水泥的制备(Rickard，1985)。在地热井固井作业应用中，泡沫水泥中泡沫剂需要保证其抗高温性能(董海燕等，2014)。Sandia实验室对50多种表面活性剂的发泡性能进行了实验评价(Randetal.，1979)。阴离子表面活性剂发泡能力强，应用范围广，被大量地用作发泡剂；两性离子表面活性剂性能较为稳定，刺激性低，耐硬水性好，适用范围广，可用于与其他种类表面活性剂复配(张雪勤等，2009)；非离子型表面活性剂则具有分散、乳化和一定的耐硬水能力；阳离子型表面活性剂由于价格较高，一般不用于作为发泡剂。已有研究证明，表面活性剂的复配体系常常优于单种发泡剂，因此在表面活性剂的应用中，通常不是使用单种发泡剂，而是选择两种发泡剂或者多种发泡剂进行复配使用(王寿红等，1994)。这主要是由于两种或者两种以上的表面活性剂具有协同作用，即能够起到增效作用，互相弥补各自性能上的缺陷，派生出来新的性能(赵国玺，1987; Lucassenetal.，1988)。阴离子表面活性剂与两性离子表面活性剂复配，能够形成胶束能力，降低表面张力，由于两性离子表面活性剂分子中具有正电荷存在，溶液中的阴离子表面活性剂和两性离子表面活性剂之间存在强烈的相互作用(王祖模等，1992)。本实验主要选用阴离子型和两性离子型这两种类型的表面活性剂进行实验评价。

本文对十种发泡剂进行了发泡量与半衰期的室内实验筛选评价，并对筛选出来的泡沫剂进行复配实验研究，评价其抗高温性能，得到了抗高温性能较好的泡沫剂复配体系。将抗高温泡沫剂复配体系加入到API G级油井水泥中制备泡沫水泥，评价其优良的性能。

2 实验材料与实验方法

实验材料：

(1) 泡沫剂：阴离子表面活性剂有AOS、SLES、SDS、LAS、AES；两性离子表面活性剂有CAB、CAO、LHSB、LAB-35、CHSB；稳泡剂为XC。

(2) API G级油井水泥，硅粉。

实验仪器：泡沫发生器，量筒，烧杯，Waring Blender搅拌机，高温滚子炉，维卡仪，压力试验机，电子天平，秒表，三联试模(50mm×50mm×50mm)。

泡沫剂评价指标：由于泡沫非常不稳定，泡沫剂所起泡沫的优劣也影响了泡沫水泥的质量。在泡沫剂的筛选中，主要是从发泡能力、泡沫剂的稳定性、抗高温性能以及泡沫结构几个方面进行评价(吴安林等，2008；胡钶等，2010)。具体评价指标有：发泡量(V)和半衰期(T1/2)。发泡量(V)就是加入发泡剂搅拌后泡沫达到的最大容积，可以用来衡量发泡剂的发泡性能，而半衰期(T1/2)就是当泡沫倒入容器后析出原溶液一半体积所用的时间，用来衡量发泡剂的稳定性(周风山，1991)。

泡沫剂测试方法：按照实验要求配制溶液，并且将100mL溶液放入到仪器中，进行搅拌发泡，搅拌速度为3000r/min，搅拌时间为2min，然后加入到烧杯中记录其发泡量V和半衰期T1/2。

泡沫水泥评价指标：密度低于1.25g/cm3，流动度大于15cm。

泡沫水泥测试方法(顾军等，2004；胡焕校等，2011)：(1)密度评价：称量量筒的质量，并测定总体积；制备泡沫水泥浆，将泡沫泥浆倒满量筒中，并用刮片把顶部刮平，称总重量。容器里的水泥浆质量除以容器体积得到密度值。(2)抗压强度评价：将水泥浆倒入三联试模，养护后对试样进行加压，加荷速率为71.7kN/min±7.2kN/min，抗压强度等于试样破裂所需的力除以抗压强度试验机承载盘所接触的最小横截面积。(3)初凝时间评价：将搅拌好的水泥浆装入凝结时间测定试模，在所要求条件下养护，达到初凝状态后，记录初凝时间。(4)稳定性评价：把水泥浆试样倒进250mL量筒。把量筒放在一个稳定、无振动的桌面上静止2h后测定表面游离液体积。

3 实验结果与分析

3.1 常温条件下单种发泡剂性能评价

实验条件：室温，自来水配制溶液，敞口放置。

实验配方：100mL+泡沫剂。

实验结果证明常温下综合性能较强的表面活性剂有为AOS、SLES、SDS、LAS、CAB、CAO以及LHSB。泡沫剂起泡能力及半衰期测试结果如表1。

表1 常温下各种发泡剂性能评价Table 1 Performance evaluation of foam agents at room temperature

由表1实验数据得到各种泡沫剂比较图如图1所示。

图1 常温下各发泡剂的性能评价Fig.1 Performance evaluation of foam agents at room temperature

由表1和图1可以知，在各浓度条件下，阴离子表面活性剂的发泡能力较强，两性离子表面活性剂稳定性较好。阴离子表面活性剂中发泡量能力的大小顺序为：LAS>AOS>SLES>SDS>AES，泡沫剂稳定性的强弱顺序为：AOS>AES>SLES>SDS>LAS，发泡能力最强的为LAS，但是LAS半衰期相对较低，AOS与SLES在常温下的发泡能力和稳定性较好，在阴离子表面活性剂中总体性能较优，因此综合性能较好的有AOS、SLES、SDS和LAS。两性离子表面活性剂中发泡量能力的大小顺序为：CAO>CAB>LHSB>LAB-35=CHSB，泡沫剂稳定性的强弱顺序为：LHSB>CHSB>CAB>CAO>LAB-35，发泡能力最强的为CAO，且稳定性较好，半衰期较大除了LAB-35，其他四种两性离子表面活性剂的半衰期均较大，常温下两性离子表面活性剂性能较好的有CAO，CAB，LHSB。因此，常温下综合性能较强的表面活性剂有为AOS、SLES、SDS、LAS、CAB、CAO以及LHSB。

3.2 高温条件下单种发泡剂性能评价

实验条件：常温条件与180℃高温陈化3h，自来水配制溶液，敞口放置。

实验配方：100mL水+泡沫剂+0.25%XC。

该实验在泡沫剂中加入0.25%的稳泡剂XC，并且进行常温和高温条件下的实验评价。实验结果证明抗高温性能较强的表面活性剂为SLES、SDS、CAB、CAO。泡沫剂起泡能力及半衰期测试结果见表2。

表2 泡沫剂抗高温性能实验评价Table 2 Evaluation of high temperature resistance of foam agents

由表2实验数据中发泡量和半衰期在常温和180℃陈化3h后的实验结果可得图2与图3。

图2 常温与180℃后不同发泡剂发泡量评价Fig.2 Foaming capacity of foam agents at room temperature and 180℃

图3 常温与180℃后不同发泡剂半衰期评价Fig.3 Foaming capacity of foam agents at room temperature and 180℃

从表2、图2和图3可知，常温下的发泡能力：LAS>SDS>AOS=SLES>CAO>CAB，180℃高温陈化后：LAS>SDS>AOS>SLES，常温下的半衰期：SDS>SLES>AOS>LAS>CAO>CAB，180℃高温陈化后：SLES>SDS>AOS>CAO>CAB>LAS。泡沫剂的发泡量在高温陈化后，发泡量变化不大，发泡能力保持较强水平。但半衰期均有明显降低，SLES、SDS在高温陈化后，半衰期仍旧较大。两性离子表面活性剂的变化比率相对较小，所有的发泡剂高温陈化后泡沫更加均匀细小。综合比较，抗高温性能较好的阴离子表面活性剂有SLES和SDS，两性离子表面活性剂有CAO与CAB。

通过高温评价后优选出来抗高温性能较好的表面活性剂，选择其中的三种SLES、CAO和CAB进行复配体系的实验评价。

3.3 阴离子/两性离子复配体系性能评价

根据单种表面活性剂常温和高温条件下的实验评价结果，选择阴离子表面活性剂SLES与两性离子表面活性剂CAO、CAB进行复配，主要评价其发泡性能和半衰期，并与单种发泡剂进行对比。主要设计了以下六种复配方案进行实验(Jitenetal.，2003)。

实验配方：100mL水+0.8%发泡剂。

发泡剂的配比主要有：

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。

实验结果如表3所示。

表3 阴离子/两性离子表面活性剂复配体系性能评价Table 3 Performance evaluation of anion/ zwitterions surfactant compound system

由表3可知，各配方的泡沫结构较好，均匀细小。随着泡沫剂中SLES的配比增大，发泡量逐渐增大，而两性离子表面活性剂对半衰期的影响较大，增大两性离子表面活性剂的加量，半衰期延长。但是方案6的发泡量与半衰期相对均较大，因此选择方案6的复配方案进行进一步实验研究。

将复配体系与单种发泡剂进行评价性能的比较可得如表4实验数据。

表4 阴离子/两性离子表面活性剂复配体系 与单种表面活性剂发泡量评价Table 4 Foaming capacity of anion/zwitterions surfactant compound system and single one

根据表4和表5实验数据得到复配体系与单种表面活性剂的发泡量和半衰期比较如图4图5所示。

由表4、表5、图4、图5评价结果可知，阴离子与两性离子进行复配以后，其发泡量和半衰期的都优于单种发泡剂的发泡量和半衰期，两种不同的表面活性剂进行复配时，能够将其性能进一步优化。这是由于阴离子表面活性剂与两性离子表面活性剂产生协同作用，使得阴离子表面活性剂表面张力降低，可以增大发泡量，且可以延长半衰期。

表5 阴离子/两性离子表面活性剂复配体系 与单种表面活性剂半衰期评价Table 5 Half-life of anion/ zwitterions surfactant compound system and single one

图4 阴离子/两性离子复配体系与单种表面活性剂发泡量评价Fig.4 Foaming capacity of anionic/zwitterions surfactant system and single

图5 阴离子/两性离子复配体系与单种表面活性剂半衰期评价Fig.5 Half-life of anionic/zwitterions surfactant system and single one

3.4 泡沫水泥体系性能研究

抗高温泡沫水泥基浆为API G级油井水泥+35%硅粉。将泡沫剂复配体系(SLES∶CAO∶CAB =63.3∶31.7∶5)加入到基浆水泥体系中，并且加入稳泡剂XC，设计以下几组泡沫水泥配方，并且进行了水泥浆密度、抗压强度、90℃凝结时间以及游离液的实验测试。实验结果表明，该泡沫剂复配体系在API G级油井水泥中能够保持良好的泡沫稳定性，抗高温性能良好，高温养护后具有较高的抗压强度，且初凝时间符合固井要求。

实验配方：API G级油井水泥+35%硅粉+水+泡沫剂+XC。

由表6和表7可知，将泡沫剂复配体系加入到API G级油井水泥中，泡沫水泥的密度能够低于1.25g/cm3，抗压强度远大于10MPa，在90℃时的初凝时间大于90min，静置2h后的游离液含量小于1.0%，均符合地热井中的固井要求。泡沫剂在泡沫水泥中能够保持良好的抗高温性能。泡沫水泥内部的气孔如图6所示，该图为API G级油井泡沫水泥的内部结构。

表6 泡沫水泥配方Table 6 Formula of foamed cement

表7 泡沫水泥性能评价结果Table 7 Evaluation of foamed cement

图6 泡沫水泥内部气孔结构(放大130倍)Fig.6 Internal porosity structure of foamed cement(enlarge 130 times)

4 结论

(1) 通过对各种泡沫剂进行常温和高温条件的评价优选，得到抗高温性能较好的泡沫剂有SLES、SDS、CAO和CAB。

(2) 通过对阴离子/两性离子复配体系进行实验评价以及与单种发泡剂性能比较可知，SLES+CAO+CAB复配发泡剂性能优于各单种发泡剂，且最佳配比为SLES∶CAB∶CAO= 63.3∶31.7∶5。

(3) 将复配泡沫剂加入到API G级油井水泥基浆中，能够得到性能良好的抗高温泡沫水泥体系，泡沫剂在水泥体系中具有良好的抗高温稳定性。

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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；[责任编辑]郝情情。

国家自然科学基金项目(编号:41572361)资助。

谭慧静(1990年-)，女，2012年毕业于中国地质大学(北京)，获学士学位，现为中国地质大学(北京)在读博士，主要研究方向为地热资源的勘探与开发。E-mail:thj0528@163.com。

P314

A

0495-5331(2015)06-1181-6