化学发泡式泡沫水泥浆稠化实验方法对比与分析

杨现禹，岳　也，蔡记华

（中国地质大学（武汉）工程学院，武汉430074）

化学发泡式泡沫水泥浆稠化实验方法对比与分析

杨现禹，岳也，蔡记华

（中国地质大学（武汉）工程学院，武汉430074）

杨现禹等.化学发泡式泡沫水泥浆稠化实验方法对比与分析[J].钻井液与完井液，2016，33（2）：96-100.

水泥浆的稠化实验使用稠化仪，但泡沫水泥浆中本身含有气体，在加压过程中会造成稠化性能测量误差。针对此问题，采用3种测试方法测试了不同加量发泡剂条件下，化学发泡式泡沫水泥浆的稠度性能，并优选出最优的测试方法。分析了测试方法误差的产生原因，并通过力学分析和计算对最优测试方法的稠度曲线进行修正。结果表明，发泡剂反应剩余物对泡沫水泥浆具有促凝作用，含发泡剂剩余物的水泥浆稠化时间比不含发泡剂剩余物的少41%，其影响不能忽略；使用不含气体和含有气体的水泥浆所测稠化曲线相差不大（不含有和含有气体的水泥浆稠化时间相差1 min和11 min），但其稠化曲线形态有所差别，含有气体的泡沫水泥浆测得的稠化曲线更接近直角稠化；当气体含量较少或者水泥浆后期稠度增长较快时，修正前后的稠化时间可能相差不大，化学发泡式泡沫水泥浆修正前后达到100 Bc的稠化时间相差3 min。但当泡沫水泥浆密度较小、气体含量较大，或者后期稠度增长较慢时，必须对测得的数据进行修正后才能使用。

泡沫水泥浆；稠化实验；力学计算；误差修正

由于泡沫水泥浆具有密度低、强度高、防窜性能好等特点，在国外得到了广泛的应用。它不仅适用于一般低压易漏地层，还适用于气层封固。常规水泥浆稠化性能可以使用稠化仪测得，但浆杯中不能含有气体。泡沫水泥浆中本身含有气体，稠化仪在加压过程中实验难以进行，同时搅拌桨叶不能与水泥浆完全接触，造成测量误差[1-2]，并且无法了解气体和发泡剂剩余物对稠化曲线的影响。针对以上问题，采用3种测试方法对比化学发泡式泡沫水泥浆在相同水灰比、不同加量发泡剂条件下的稠度性能，优选出最优测试方法。分析误差原因并对误差进行修正，了解发泡剂剩余物以及气体对水泥浆稠化时间的影响，同时通过力学分析对最优测试方法的稠度曲线进行修正，判断测试结果与修正结果之间误差，对化学发泡式泡沫水泥浆稠化实验测试具有一定的指导意义。

1　水泥浆稠化性能测试原理

常规水泥浆的稠化实验使用增压稠化仪测得，稠化仪测定水泥浆稠度的原理为：测定过程中电机带动水泥浆杯旋转，而稠化仪浆杯的桨叶上部卡在电位计上。这样在浆杯旋转过程中，会带动水泥浆附加给搅拌桨叶一个扭力，扭力会使电位计上的扭力弹簧变形，电位计指示位置发生变化。电位计相当于一个滑动变阻器，这样就把扭力信号转换为电信号，显示在数据采集系统上[1-4]。随着时间的增长，水泥浆开始缓慢稠化，此时水泥浆对搅拌桨叶上的单位面积作用力越来越大，表现为电位计电阻越来越大，数据系统显示为稠度的增长[5-8]，当稠度增长到100 Bc时，系统报警，稠化实验结束。

稠化仪测出的稠度与弹簧片扭矩之间的关系用以下公式[2]表示：T=7.66+1.96B （1）式中：T为扭矩，N·mm；B为伯登稠度，Bc。

2　泡沫水泥浆测试时存在的问题

测试水泥浆的稠化时间时要保证水泥浆充满整个浆杯，浆杯中水泥浆不能有孔隙和气泡[9-10]。泡沫水泥浆因含有气体，使用常规稠化时间测试方法，在加压过程中，稠化仪浆杯的橡胶密封膜片将会因压力作用而向下凸，从而接触甚至卡死桨叶，给测试结果带来误差[11-12]，甚至使实验难以进行。为此探讨了化学式泡沫水泥浆稠化时间的测试方法。

3　泡沫水泥浆稠化性能测试方法探讨

对于化学发泡式泡沫水泥浆，发泡剂完全反应后水泥浆的主要组分为基浆、反应剩余物、气体以及其他外加剂等[13]。其稠化性能测试方法有以下3种：第一种使用基浆+其他外加剂的稠化性能来替代；第二种在配浆前使固体发泡剂和液体发泡剂反应完全放出气体，在配浆时只加入反应剩余物，使用这样配制的水泥浆的稠化性能代替泡沫水泥浆的稠化性能；第三种是使用带孔的稠化仪浆杯橡胶密封膜片，直接测试含有气体的泡沫水泥浆的稠化性能。带孔的浆杯密封膜片见图1，在稠化仪加压过程中，小孔可以平衡浆杯内部和外部的压力，如此便不会因密封膜片下凸而挤压桨叶。

图1　带孔的浆杯密封膜片

为了对比和分析3种测试方法，采用水灰比为0.52的基浆，加入不同加量的发泡剂，同时为稳定体系，加入了增黏剂和稳泡剂，使用上述3种方法测定了它们的稠化性能。稠化实验方法及配方见表1，稠化曲线见图2和图3。由表1可以看出，发泡剂的反应剩余物对水泥浆有明显的促凝作用，稠化时间由基浆的144 min缩短为90 min左右，但反应剩余物的加量从（1.4%TW701+0.8%TW702）增加到（2.1%TW701+1.2%TW702），稠化时间改变并不大。使用第1种测试方法，忽略反应剩余物对水泥浆的影响，采用这种方法测出的泡沫水泥浆的稠化时间与实际差别较大。由图2和图3可以看出，使用这2种方法（考虑反应剩余物，但一个含气体一个不含气体）测出的稠化时间差别不大。对于密度为1.42 g/cm3和1.20 g/cm3的泡沫水泥浆，含有气泡和不含气泡的稠化时间相差1 min和11 min，这在实际工程应用中是允许的。只是从稠化曲线的形态上来讲，它们还有一些不同，使用第3种方法测出的稠化曲线更接近直角稠化，即在初始稠度结束后，稠度上升更快一些，水泥浆的非液非固时间更短，有利于水泥浆的防窜性能。

表1　不同稠化实验方法水泥浆的稠化性能

图2　不同发泡剂反应剩余物对水泥浆稠化性能的影响

图3　不同配方水泥浆的稠化曲线

4　测试方法优选与结果修正

对于第3种方法，泡沫水泥浆含有气体，是可以压缩的，在高温高压条件下泡沫水泥浆体积变小，浆杯中原来是水泥浆的部分因水泥浆体积缩小而被液压稠化油取代，从而造成测试结果不真实，这也可能是第3种方法测试的初始稠度偏低的原因。稠化实验结束后，虽然压力恢复为常温常压，但由于水泥浆稠化后能够承受一定的压力，水泥浆并没有恢复到原来的体积。

以上述密度为1.20 g/cm3的泡沫水泥浆为例，探讨对第3种方法测得的稠化曲线进行修正。水泥浆基浆的密度为1.82 g/cm3，泡沫水泥浆的密度为1.20 g/cm3，可得其在常温常压下的气体体积分数为0.341，并计算出在65 ℃，35 MPa下的体积分数为0.001 7。稠化仪浆杯的尺寸为φ7.35 cm× 11.5 cm，容积为487.94 mL，加入密度为1.20 g/cm3的泡沫水泥浆，升温升压至65 ℃、35 MPa后，浆杯中泡沫水泥浆的实际体积为342.14 mL，上部进入的稠化仪油的体积为145.80 mL。搅拌桨叶有2种叶片，叶片1和叶片2，见图4。

图4　搅拌浆杯及搅拌叶片图

假设作用在叶片单位面积上的作用力为f，则对叶片1和叶片2产生的转矩M1和M2为[14]：

浆杯中加入密度为1.20 g/cm3的泡沫水泥浆时，升温升压后其体积变为342.14 mL，高度为8.06 cm，由浆叶尺寸可知，叶片1全部浸没在水泥浆中，而叶片2浸没入水泥浆的深度为7.71 cm。

此时由叶片2产生的转矩M2h为：

式（2）、（3）、（4）中，转矩单位为N·mm，f单位为N/mm2。为对泡沫水泥浆的稠化曲线进行修正，须首先求出稠化仪油和泡沫水泥浆对搅拌桨叶单位面积上的力，为此需测定出浆杯装满稠化仪油在65 ℃、35 MPa的稠度，设为B0，假设稠化仪油对桨叶单位面积上的力为f0，则有：

当用第3种方法测出的泡沫水泥浆稠度为B时，假设泡沫水泥浆对搅拌桨叶单位面积上的作用力为f1，叶片1全部浸入水泥浆中，叶片2只有部分浸入水泥浆中，而叶片2另外的部分浸入在稠化仪油中，因此其稠度与转矩之间的关系如下：

计算得到：

整理可得到泡沫水泥浆对搅拌桨叶单位面积上的作用力为：

由此得到泡沫水泥浆的修正稠度为：

用稠化仪测得稠化仪油在65 ℃、35 MPa的稠度为5.4 Bc，即B0为5.4 Bc，由式（7）计算得到稠化仪油对搅拌桨叶的单位面积作用力f0=3.163×10-3N/mm2，则根据式（10）和式（12）计算出泡沫水泥浆实测稠度与修正稠度之间的关系见表2。经过修正后的稠化曲线如图5所示。由表2和图5可知，密度为1.20 g/cm3的泡沫水泥浆修正稠度为100 Bc（实测稠度为76.5 Bc）的时间为93 min，与实测的100 Bc时的时间96 min仅相差3 min，相差较小，这主要是因为由于泡沫水泥浆的直角稠化特性，稠度在后期增长较快[15]，从76.5 Bc增加到100 Bc时间很短，并且当水泥浆稠度较大时稠化仪油产生的转矩相对较小，可以忽略不计。在实际工程中这样的误差也是允许的[16]。

表2　泡沫水泥浆实测稠度与修正稠度对应关系

图5　修正后泡沫水泥浆的稠度曲线

5　结果分析及讨论

1. 发泡剂反应剩余物对泡沫水泥浆具有促凝作用，其影响不能忽略。

2.使用不含气体和含有气体水泥浆所测得的稠化曲线相差不大，这可能是气体含量较少的原因。但它们的稠化曲线形态有所差别，与不含气体水泥浆相比，使用含有气体的泡沫水泥浆测得的稠化曲线更接近直角稠化。

3.在使用含有气体的泡沫水泥浆测试稠化性能时，为得到较准确的结果，需对测得的曲线进行修正。当气体含量较少或者水泥浆后期稠度增长较快时，修正前后的稠化时间可能相差不大，但当泡沫水泥浆密度较小、气体含量较大，或者后期稠度增长较慢时，必须对测得的数据进行修正后才能使用。

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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

国家自然科学基金项目“纳米架桥材料在低孔低渗煤层气藏钻完井过程中的暂堵机理研究”（41072111）；中国石油科技创新基金项目“纳米材料增强页岩气水平井井壁稳定性的作用机理研究”（2014D-5006-0308）；湖北省自然科学基金重点项目“水基钻井液增强页岩气水平井井壁稳定性的理论和方法”（2015CFA135）。

杨现禹，男，硕士研究生，1992年生，现主要从事钻井液和井壁稳定研究。电话 18771059931；E-mail：yangxianyuu@163.com。通讯作者：蔡记华，电话 13871296614，E-mail：catchercai@126.com。

（2016-01-08；HGF=1601C5；编辑王超）