化學(xué)發(fā)泡式泡沫水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)方法對比與分析

楊現(xiàn)禹，岳　也，蔡記華

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢430074）

化學(xué)發(fā)泡式泡沫水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)方法對比與分析

楊現(xiàn)禹，岳也，蔡記華

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢430074）

楊現(xiàn)禹等.化學(xué)發(fā)泡式泡沫水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(fā)泡劑條件下，化學(xué)發(fā)泡式泡沫水泥漿的稠度性能，并優(yōu)選出最優(yōu)的測試方法。分析了測試方法誤差的產(chǎn)生原因，并通過力學(xué)分析和計(jì)算對最優(yōu)測試方法的稠度曲線進(jìn)行修正。結(jié)果表明，發(fā)泡劑反應(yīng)剩余物對泡沫水泥漿具有促凝作用，含發(fā)泡劑剩余物的水泥漿稠化時(shí)間比不含發(fā)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(shí)間相差1 min和11 min），但其稠化曲線形態(tài)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(dāng)氣體含量較少或者水泥漿后期稠度增長較快時(shí)，修正前后的稠化時(shí)間可能相差不大，化學(xué)發(fā)泡式泡沫水泥漿修正前后達(dá)到100 Bc的稠化時(shí)間相差3 min。但當(dāng)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(shí)，必須對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后才能使用。

泡沫水泥漿；稠化實(shí)驗(yàn)；力學(xué)計(jì)算；誤差修正

由于泡沫水泥漿具有密度低、強(qiáng)度高、防竄性能好等特點(diǎn)，在國外得到了廣泛的應(yīng)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(guī)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(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行，同時(shí)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(fā)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(xué)發(fā)泡式泡沫水泥漿在相同水灰比、不同加量發(fā)泡劑條件下的稠度性能，優(yōu)選出最優(yōu)測試方法。分析誤差原因并對誤差進(jìn)行修正，了解發(fā)泡劑剩余物以及氣體對水泥漿稠化時(shí)間的影響，同時(shí)通過力學(xué)分析對最優(yōu)測試方法的稠度曲線進(jìn)行修正，判斷測試結(jié)果與修正結(jié)果之間誤差，對化學(xué)發(fā)泡式泡沫水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)測試具有一定的指導(dǎo)意義。

1　水泥漿稠化性能測試原理

常規(guī)水泥漿的稠化實(shí)驗(yàn)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(jī)帶動水泥漿杯旋轉(zhuǎn)，而稠化儀漿杯的槳葉上部卡在電位計(jì)上。這樣在漿杯旋轉(zhuǎn)過程中，會帶動水泥漿附加給攪拌槳葉一個(gè)扭力，扭力會使電位計(jì)上的扭力彈簧變形，電位計(jì)指示位置發(fā)生變化。電位計(jì)相當(dāng)于一個(gè)滑動變阻器，這樣就把扭力信號轉(zhuǎn)換為電信號，顯示在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上[1-4]。隨著時(shí)間的增長，水泥漿開始緩慢稠化，此時(shí)水泥漿對攪拌槳葉上的單位面積作用力越來越大，表現(xiàn)為電位計(jì)電阻越來越大，數(shù)據(jù)系統(tǒng)顯示為稠度的增長[5-8]，當(dāng)稠度增長到100 Bc時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，稠化實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

稠化儀測出的稠度與彈簧片扭矩之間的關(guān)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(shí)存在的問題

測試水泥漿的稠化時(shí)間時(shí)要保證水泥漿充滿整個(gè)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(guī)稠化時(shí)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(jié)果帶來誤差[11-12]，甚至使實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行。為此探討了化學(xué)式泡沫水泥漿稠化時(shí)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(xué)發(fā)泡式泡沫水泥漿，發(fā)泡劑完全反應(yīng)后水泥漿的主要組分為基漿、反應(yīng)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(fā)泡劑和液體發(fā)泡劑反應(yīng)完全放出氣體，在配漿時(shí)只加入反應(yīng)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(nèi)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(fā)泡劑，同時(shí)為穩(wěn)定體系，加入了增黏劑和穩(wěn)泡劑，使用上述3種方法測定了它們的稠化性能。稠化實(shí)驗(yàn)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(fā)泡劑的反應(yīng)剩余物對水泥漿有明顯的促凝作用，稠化時(shí)間由基漿的144 min縮短為90 min左右，但反應(yīng)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(shí)間改變并不大。使用第1種測試方法，忽略反應(yīng)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(shí)間與實(shí)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(yīng)剩余物，但一個(gè)含氣體一個(gè)不含氣體）測出的稠化時(shí)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(shí)間相差1 min和11 min，這在實(shí)際工程應(yīng)用中是允許的。只是從稠化曲線的形態(tài)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(jié)束后，稠度上升更快一些，水泥漿的非液非固時(shí)間更短，有利于水泥漿的防竄性能。

表1　不同稠化實(shí)驗(yàn)方法水泥漿的稠化性能

圖2　不同發(fā)泡劑反應(yīng)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(yōu)選與結(jié)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(jié)果不真實(shí)，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(shí)驗(yàn)結(jié)束后，雖然壓力恢復(fù)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(fù)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(jìn)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?jǐn)?shù)為0.341，并計(jì)算出在65 ℃，35 MPa下的體積分?jǐn)?shù)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(shí)際體積為342.14 mL，上部進(jìn)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(shè)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(chǎn)生的轉(zhuǎn)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(shí)，升溫升壓后其體積變?yōu)?42.14 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(shí)由葉片2產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩M2h為：

式（2）、（3）、（4）中，轉(zhuǎn)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(jìn)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(shè)為B0，假設(shè)稠化儀油對槳葉單位面積上的力為f0，則有：

當(dāng)用第3種方法測出的泡沫水泥漿稠度為B時(shí)，假設(shè)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(zhuǎn)矩之間的關(guān)系如下：

計(jì)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(jì)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(jù)式（10）和式（12）計(jì)算出泡沫水泥漿實(shí)測稠度與修正稠度之間的關(guān)系見表2。經(jīng)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(shí)測稠度為76.5 Bc）的時(shí)間為93 min，與實(shí)測的100 Bc時(shí)的時(shí)間96 min僅相差3 min，相差較小，這主要是因?yàn)橛捎谂菽酀{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(shí)間很短，并且當(dāng)水泥漿稠度較大時(shí)稠化儀油產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相對較小，可以忽略不計(jì)。在實(shí)際工程中這樣的誤差也是允許的[16]。

表2　泡沫水泥漿實(shí)測稠度與修正稠度對應(yīng)關(guān)系

圖5　修正后泡沫水泥漿的稠度曲線

5　結(jié)果分析及討論

1. 發(fā)泡劑反應(yīng)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(tài)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(shí)，為得到較準(zhǔn)確的結(jié)果，需對測得的曲線進(jìn)行修正。當(dāng)氣體含量較少或者水泥漿后期稠度增長較快時(shí)，修正前后的稠化時(shí)間可能相差不大，但當(dāng)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(shí)，必須對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)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(xué)基金項(xiàng)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(jī)理研究”（41072111）；中國石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目“納米材料增強(qiáng)頁巖氣水平井井壁穩(wěn)定性的作用機(jī)理研究”（2014D-5006-0308）；湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“水基鉆井液增強(qiáng)頁巖氣水平井井壁穩(wěn)定性的理論和方法”（2015CFA135）。

楊現(xiàn)禹，男，碩士研究生，1992年生，現(xiàn)主要從事鉆井液和井壁穩(wěn)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）