利用背散射光技術評價水泥發(fā)泡劑的穩(wěn)定性

1、利用背散射光技術評價水泥發(fā)泡劑的穩(wěn)定性泡沫水泥是一種液 -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(huán)空氣竄、防止固井漏失等優(yōu)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(fā)展迅速， 并取得了顯著的效果。 目前泡沫水泥常用機械發(fā)泡的方式， 將發(fā) 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(fā)泡技術和注水泥技術。 好的泡沫水泥漿必須有好的發(fā)泡劑， 在 對機械式發(fā)泡的泡沫水泥漿進行實驗時，能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)很 多，但并非所有能產(chǎn)生

2、泡沫的物質(zhì)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(wěn)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(fā)泡劑， 才能用于泡 沫水泥。 評價發(fā)泡劑性能好壞的指標很多， 除發(fā)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(wěn)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(wěn)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(wěn)定性以及所混配的泡沫水泥漿的穩(wěn)定性。 因此， 該文采 用背散射光技術對泡沫水泥的穩(wěn)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(zhì)類的發(fā)泡劑供 6 種：0#、1#、2#、

3、3#、4#、5#，并配置成同樣濃度的發(fā)泡液。1.2 實驗儀器自制帶壓攪拌發(fā)泡器（中石化工程院）、TURBISCAN LA專家型穩(wěn)定性分析儀（法國 FORMULACTION司）。1.3 實驗原理背散射光技術原理：利用 TURBISCANAb專家型穩(wěn)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(wěn)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(fā)泡劑的穩(wěn)定性進行評價。穩(wěn)定性分析儀的檢測探頭是由一個近紅外脈沖光源（入=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

4、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(shù)據(jù)。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(wěn)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

5、。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(nèi)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卩m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(fā)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(nèi)的專用漿葉進行攪拌，轉(zhuǎn)速 在 1500r/min 下攪拌 1 min ，同時通過壓力調(diào)節(jié)器向漿杯施加 0.3-0.5 mPa 的壓力，這樣漿杯內(nèi)的泡沫劑通過攪拌和壓力的作 用即產(chǎn)生均勻帶有一定壓力的氣泡。1.4.2 泡沫穩(wěn)定性實驗將泡沫緩慢

6、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(wěn)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(fā)泡劑的穩(wěn)定性效果，將 6 種不同發(fā)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(nèi)只有兩種流體：泡沫和空氣，經(jīng)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

7、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(fā)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# 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(guī)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（DE