胶质气体泡沫基泡沫水泥体系

VELAYATI Arian，ROOSTAEI Morteza，RASOOLIMANESH Rasool，SOLEYMANI Mohammad，FATTAHPOUR Vahidoddin

（1.University of Alberta,Edmonton T6G 2R3,Canada; 2.RGL Reservoir Management Inc.,Leduc T9E 0B7,Canada;3.Supervisor of Design and Exploitation Unit at Ehyasepahan Iron Mines (EIM),Tehran 8175977955,Iran;4.Drilling Technologies Director,RIPI,Tehran 1485733111,Iran）

0 引言

泡沫水泥是由基浆、发泡剂、稳定剂和气体组成的混合物，气体通常经加压注入基浆[1-2]，主要用来封固低压易漏地层。泡沫水泥广泛应用于各类油气井固井作业，包括深水无隔水管固井、低破裂压力梯度固井、水平井固井、注蒸汽井固井以及高温高压固井等[3]，还可用于产层以替代常规机械工具（如砂筛和砾石充填）进行防砂作业[4-9]。20世纪80年代初，泡沫水泥在油气井中的应用迅速发展。几十年来，泡沫水泥一直是研究热点，尤其在改进水泥浆中泡沫尺寸分布方面，学者们进行了大量研究[10-11]。

通过在水泥浆组分中添加减轻剂得到常规低密度水泥浆，密度为1.32～1.44 g/cm3，能够有效避免常规水泥浆在易漏地层中的井漏[11]；密度低于该范围的水泥浆抗压强度会降低，渗透率增大，无法进行有效的地层封固。为了使水泥达到固井作业所要求而减轻剂无法实现的低密度，前人研发了泡沫水泥。除了具有低密度外，泡沫水泥还具有韧性和膨胀性，在设计合理时可达到低渗透率和高抗压强度，进行有效的地层封固，阻止气窜，控制水泥浆滤失，改善除泥效果。所以设计泡沫水泥浆时需要考虑泡沫的稳定性、发泡剂和稳定剂的类型、水灰比（WCR）、高压高温条件下的性能、作业及实验设备的局限性等[12-13]。

胶质气体泡沫（CGA）由具有优良胶质特性的球状微气泡组成[14]，CGA体系已得到广泛应用，在石油行业被用于优化钻井液及提高采收率[15]。本文将CGA作为泡沫组分用于水泥浆，并通过加入空心球和微块改良CGA基泡沫水泥体系，通过室内实验测试泡沫水泥的密度、抗压强度、渗透率、孔隙度以及泡沫稳定性等来评价其性能。

1 方法与材料

在实验室内制备了CGA基泡沫水泥，在高温高压条件下测试泡沫水泥的性能需要采用非常复杂的方法和特殊设备，因此本文大部分测试在大气压和室温条件下开展，泡沫水泥制备及常压下的性能测试均按照API中建议的程序执行[16]。

表1列出了本文所用3种水泥浆的配方，其中配方1是含CGA的泡沫水泥，配方2和3在配方1的基础上利用微球和微块改善水泥浆性能。在实验室中制备纯泡沫水泥（配方1）和改性泡沫水泥（配方2和配方3），对水泥的孔隙度、渗透率、强度、脆性、弹性、自由水含量、泡沫稳定性和密度等物理性质进行测试，并依据测试结果对泡沫水泥性能进行评价和优化。配方3是最终优化得到的改性CGA泡沫水泥，其颗粒尺寸分布最优，可以满足矿场应用需求。

表1 泡沫水泥浆配方

1.1 胶质气体泡沫（CGA）

CGA由直径为10～100 μm的微泡组成，微泡被表面活性剂膜包裹[14,17]。流体将表面活性剂和聚合物结合形成微泡体系，其中表面活性剂产生表面张力包裹微泡，而生物聚合物作为增黏剂和稳定剂。CGA具备胶质特性，能够以稳定的流速通过管道和孔道。由于微泡体积极小、表面活性剂膜厚度大，CGA的稳定性高。

泡沫的稳定性主要取决于气泡的尺寸和聚并现象，气泡尺寸的增加会导致泡沫的稳定性急剧下降；气泡聚并时生成较大的气泡，快速上升到表面或形成气袋，可以通过控制CGA外壳的表面活性剂分子排布来阻止相邻气泡的聚并。微泡与普通气泡不同，普通气泡具有单层表面活性剂膜，而微泡的外壳由 3层表面活性剂膜组成。其中，内层将内核与黏性层分隔开；外层向外疏水、向内亲水；中间层向内疏水、向外亲水[14]。因此，CGA具有疏水外边界，而常规气泡具有亲水边界。

CGA的性能取决于配方、材料和制备方法。本研究采用的CGA密度为400 kg/m3，低剪切速率下黏度为60 Pa·s，pH值为9，半衰期为200 h，耐温101 ℃，耐压 27 576 kPa，由水、Na2CO3、NaOH、NaCl、KCl、增黏剂、聚合物共混物、石灰石和表面活性剂合成。图2显示了CGA的光学显微图像。

1.2 样品制备

图1 本文所用CGA的光学显微照片

在实验室制备表1所列的3种水泥浆。采用常规搅拌器配制配方1水泥浆，首先将API G级水泥与淡水在4 000 r/min的转速下搅拌4 min；然后，将CGA加入混合物，以同样转速搅拌5 min。泡沫结构通常随着剪切过程的变化而变化，可能不断产生破坏并不断重组。为了研究高剪切速率对泡沫网络结构的影响，将CGA倒入容器，然后在旋转黏度计中以600 r/min的转速剪切1 min，观察CGA气泡结构的变化。由图2可见，在高剪切速率下，流体中的气泡变小。气泡越小，泡沫越稳定。

图2 高速剪切前后CGA的外观

对于配方2和3水泥浆，空心球在加入搅拌器之前需要与干水泥混合，而微块需在4 000 r/min的转速下先与水混合 1 min。空心球与水泥干混合物和CGA的混合程序与配方1相同。水泥浆制备好后要立即进行密度测试，而其他测试都需要利用不同尺寸的圆筒橡胶套在大气压力和室温下使水泥浆凝固。水泥浆凝固时间为 7 d，水泥样品的凝固过程通过观察样品表面进行监测（多余的水泥浆倒入一次性塑料水杯中）。

1.3 泡沫稳定性测试

泡沫的稳定性在泡沫水泥设计中至关重要，必须一直保持到水泥注入环空并凝固。测量泡沫稳定性的常规方法之一为自由水测试，由于自由水的形成可能导致气泡从基浆中析出，因此优化水泥浆配方时应尽可能减少余量水。然而设计低密度水泥样品时，需要考虑提高水灰比。本研究中将制备好的水泥浆倒入250 mL的量筒内密封2 h，通过自由水含量测试评估气泡的析出现象，监测泡沫稳定性；采用密度梯度法评价水泥样品的稳定性，即将圆筒状水泥样品截成3等份，测量样本长度，并在空气和水中测量每块样品的质量。根据阿基米德原理计算每块样品的密度，如（1）式所示[16]：

在大气压力和室温下采用自由水测试和密度梯度测试两种方法评价泡沫的稳定性。泡沫不稳定通常表现为存在自由流体、水泥浆顶部大气泡逸出、水泥顶部出现过大裂隙、产生条纹（由气泡析出导致），以及样品由上到下颜色由浅变深、由上到下密度变化大。此外，采用单轴抗压强度分析仪（UCA）测试高温高压下泡沫稳定性。

1.4 孔隙度和渗透率测试

水泥的孔隙度和渗透率会影响地层封固的效果，低孔渗水泥能够防止流体由地层穿过水泥柱[1]，而水泥结构中泡沫的存在，尤其是泡沫发生聚并的情况下，将导致其孔隙度和渗透率升高。

本文采用饱和法测量孔隙度。首先测量硬化水泥样品的干重，然后将样品浸入水中饱和水，定时测量湿样品的质量，质量不再变化时认为样品饱和。根据（2）式计算水泥孔隙体积，其与水泥样品体积之比为有效孔隙度。

采用空气渗透率法测定水泥样品的渗透率，根据实验室测量结果，利用达西公式计算渗透率。孔壁处的气体滑脱现象导致气测渗透率高于液测渗透率，即克林肯伯格效应，克林肯伯格给出了液测渗透率与气测渗透率的关系式[18]：

在不同流压下进行渗透率测试并外推至无限压力条件，由此可得修正系数b。Jones和Owens给出了砂岩液测渗透率与气测渗透率的关系式，亦可用于计算样品的液测渗透率[19]。后文所述渗透率数据均为液测渗透率，采用（3）式计算。

1.5 力学性能测试

对硬化的泡沫水泥样品进行单轴抗压强度测试，确定其强度和弹性。根据国际岩石力学学会（ISRM）和美国材料测试标准协会（ASTM）的建议，将固化硬化后的水泥样品制备成长径比为2.5的圆筒状。采用液压装置进行单轴抗压强度测试，利用线性可变差动变压器（LVDT）记录样品的轴向和径向位移。

Ravi等[20]认为抗压强度并不是地层封固的唯一有效参数；Iverson等[21]指出与泡沫水泥和含弹性材料的水泥相比，纯水泥的弹性较差。本研究的单轴抗压强度测试中，根据每项测试的应力-应变图获取样品的泊松比和弹性模量。弹性模量为应力与应变之比（（4）式）[22]，即应力-应变图直线段的斜率。弹性模量是表征材料刚性的参数，弹性模量值高则表明材料呈脆性，低则呈韧性。油井水泥的弹性模量一般为1～10 GPa[10]。样品受到挤压时会在垂直受力的方向产生膨胀，即泊松效应；用泊松比表示，即径向与轴向应变比值的负值（见（5）式）[22]。油井水泥的泊松比为0.12～0.15[10]。

1.6 密度测试

将制备好的泡沫水泥浆倒入置于电子秤上的量筒中测量水泥浆的质量和体积，计算密度。泡沫水泥浆的密度取决于气体体积分数（泡沫占比）和无泡沫基浆密度。在水泥浆配方中加入微球、微硅石、CGA来降低密度，其中配方3的水泥浆密度与清水接近。

2 结果与讨论

根据表1配方配制3种水泥浆，其中配方1采用两种水灰比配制。3种水泥（浆）物性测试结果如表2所示。

表2 泡沫水泥（浆）物理性质测试结果

与样品1相比，样品2通过提高水灰比和泡沫体积分数进一步降低水泥浆密度，但是从测试结果来看，水泥的自由水含量、孔隙度上升而抗压强度下降。与样品2相比，样品3和4不仅水泥性能更佳，还通过在水泥浆组分中加入空心球使密度进一步下降。

2.1 泡沫稳定性评价和降低水泥浆密度机理

采用自由水测试和密度梯度测试测定水泥浆的泡沫稳定性。自由水测试过程中，仅发现痕量自由流体，未观察到气泡逸出现象，样品顶部无过大裂隙且未观察到气泡析出迹象；测得的自由水含量如表2所示，样品4在提高水灰比的同时将自由水含量降低到零。

从套筒中取出固化的圆筒状水泥样品，并切割成3等份用于密度梯度测试。图3为不同水泥的密度梯度剖面，图4为样品4切割后实物图。水泥由上到下密度变化是因气泡密度低从而具有上升至顶部的趋势引起的。固井作业要求整个水泥柱上下密度相近，防止密度变化过大导致流体由地层流入井筒。由图3可见，尽管各泡沫水泥样品密度剖面在可接受范围内，但还是要在优化过程中降低样品顶部到底部的密度变化量。改性泡沫水泥样品 4基本实现了顶底密度一致，其他样品密度变化较大。细粒微硅石的加入对样品 4的泡沫稳定性具有重要影响，大大降低了密度变化量。

图3 水泥样品密度梯度剖面

图4 水泥样品4切割后实物图

在含有发泡剂的常规泡沫水泥中，利用稳定剂来稳定水泥浆剪切过程中生成的气泡；本研究在水泥浆中加入CGA后进行剪切，形成稳定的微泡网络结构，且不会聚并成较大气泡。随着水泥的硬化，水泥样品内形成微孔隙空间，使得水泥密度下降（见图5）。配方2和3水泥的密度下降机理类似，当微粒（微球和微硅石）置于较大水泥颗粒之间时，使得水泥基质的密度、孔隙度和渗透率下降，但不会形成孔隙空间。根据API 10A，G级水泥颗粒密度为3.24 g/cm3，水灰比为0.44时水泥浆密度为1 920 kg/m3。在水泥浆中加入CGA，水灰比为1.00时水泥浆密度降到1 232 kg/m3。在配方2和3中，通过将空心球和微硅石加入水泥浆进一步降低密度，配方 3中利用微硅石实现纵向密度变化量的最小化，水泥样品的性能得以改善。

图5 CGA基泡沫水泥样品

2.2 孔隙度和渗透率评价

多孔高渗透性水泥用于封隔易漏地层时有效期较短。从表2可以看出，孔隙度和渗透率随着水灰比和泡沫体积分数的增加而上升。与水灰比为1.00的样品2相比，样品3的泡沫体积分数较低，水泥颗粒之间存在微球，因此孔隙度和渗透率较低。同理样品 4的性能更优，微球和微硅石在增强水泥的物理性能和降低孔隙度和渗透率方面发挥了重要作用。测试结果证明样品2、样品3、样品4的孔隙度分别是43%，34%，24%，而渗透率分别为 11.58×10-3，4.85×10-3，0.70×10-3μm2。

2.3 力学性能评价

在大气压和室温条件下测量不同水泥样品的抗压强度，测量结果见表2。从测量结果可以看出，提高泡沫体积分数和水灰比导致水泥抗压强度下降，弹性模量随着水灰比的上升而下降。当泡沫水泥的弹性模量低、泊松比高，抗压强度在可接受范围内时，表现出韧性特征，具有更强的弹性和柔性，有助于承受区域地应力。从图6的单轴抗压强度测试结果可以看出样品 4满足性能要求，采用切线弹性模量法求得弹性模量值。

图6 水泥样品4的应力-应变剖面

对样品1和样品2进行单轴抗压强度分析测试，以明确压力和温度对水泥样品稳定性的影响。该测试通过测量水泥体积的减少量来表征泡沫稳定性，泡沫破裂导致水泥体积减小则表示水泥中的泡沫失稳。测试压力为3 445 kPa、温度为60 ℃，测试后泡沫水泥体积与初始体积（测试开始前）比较，样品2（泡沫体积分数为 20%）的体积减少了约 5%，样品 1体积减少2%。考虑到流体损耗和自由水亦会造成水泥收缩，笔者认为本研究的泡沫水泥在高温高压下表现稳定。

2.4 CGA基泡沫水泥与常规泡沫水泥的对比

本文所用纯水泥（基浆）采用API G级水泥配制，表3列出了纯水泥的部分物性参数。Spaulding研究了常规泡沫水泥含不同体积分数泡沫时的性能[13]，由于现场应用中通常采用 10%的泡沫体积分数，本文将Spaulding泡沫体积分数为10%时的研究成果与本研究中CGA基泡沫水泥（样品1）的测试结果进行对比，以分析常规泡沫水泥和CGA基泡沫水泥的性能差异。

表3 Spaulding研究[13]和本文研究泡沫水泥与纯水泥之间的性能对比

从表3可以看出，本文在水泥中加入CGA会导致孔隙度上升，抗压强度、渗透率和弹性模量均减小，形成了密度、渗透率和抗压强度较低但膨胀性和韧性较强的水泥（高泊松比和低弹性模量）。Spaulding对常规泡沫水泥所做的测试结果也呈相同的变化趋势，但孔隙度变化范围比CGA基泡沫水泥更大，渗透率变化小[13]。Spaulding实验得到的抗压强度较高是由所用水泥的等级（API H级）和品质引起的，与泡沫组分无关。总体来看，CGA基泡沫水泥的性能与常规泡沫水泥相当。

3 结论

将 CGA作为泡沫组分合成了一种新型的泡沫水泥体系，在泡沫水泥中加入微球和微硅石进一步改善水泥的力学性能和物理性能，使水泥浆密度降到1 040 kg/m3；形成的泡沫稳定且不受高温高压影响；自由水含量为零，孔隙度为 24%，渗透率为 0.7×10-3μm2；CGA基泡沫水泥弹性模量低、泊松比高，抗压强度足够高。水泥浆中加入CGA后形成稳定的微泡网络结构，且不会聚并成较大气泡，随着水泥的硬化，水泥样品内形成微孔隙空间，使得水泥密度下降；加入微粒（微球和微硅石）后，微粒置于较大水泥颗粒之间，使得水泥浆的密度、孔隙度和渗透率下降；微硅石的加入使纵向密度变化最小化，水泥样品的性能得以改善。

符号注释：

b——克林肯伯格因子，MPa；E——弹性模量，GPa；Kg——气测渗透率，10-3μm2；Kl——液测渗透率，10-3μm2；ma——样品在空气中的质量，g；mw——排开水质量，g；p——平均流压，MPa；Vp——孔隙体积，cm3；Wd——样品干重，g；Ww——样品的饱和湿重，g；ε——应变，无因次；εl——轴向应变，无因次；εt——横向应变，无因次；ʋ——泊松比；ρs——水泥样品密度，g/cm3；ρw——水的密度，g/cm3；σ——应力，GPa。