VELAYATI Arian，ROOSTAEI Morteza，RASOOLIMANESH Rasool，SOLEYMANI Mohammad，F(xiàn)ATTAHPOUR 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

泡沫水泥是由基漿、發(fā)泡劑、穩(wěn)定劑和氣體組成的混合物，氣體通常經(jīng)加壓注入基漿[1-2]，主要用來封固低壓易漏地層。泡沫水泥廣泛應用于各類油氣井固井作業(yè)，包括深水無隔水管固井、低破裂壓力梯度固井、水平井固井、注蒸汽井固井以及高溫高壓固井等[3]，還可用于產(chǎn)層以替代常規(guī)機械工具（如砂篩和礫石充填）進行防砂作業(yè)[4-9]。20世紀80年代初，泡沫水泥在油氣井中的應用迅速發(fā)展。幾十年來，泡沫水泥一直是研究熱點，尤其在改進水泥漿中泡沫尺寸分布方面，學者們進行了大量研究[10-11]。

通過在水泥漿組分中添加減輕劑得到常規(guī)低密度水泥漿，密度為1.32～1.44 g/cm3，能夠有效避免常規(guī)水泥漿在易漏地層中的井漏[11]；密度低于該范圍的水泥漿抗壓強度會降低，滲透率增大，無法進行有效的地層封固。為了使水泥達到固井作業(yè)所要求而減輕劑無法實現(xiàn)的低密度，前人研發(fā)了泡沫水泥。除了具有低密度外，泡沫水泥還具有韌性和膨脹性，在設計合理時可達到低滲透率和高抗壓強度，進行有效的地層封固，阻止氣竄，控制水泥漿濾失，改善除泥效果。所以設計泡沫水泥漿時需要考慮泡沫的穩(wěn)定性、發(fā)泡劑和穩(wěn)定劑的類型、水灰比（WCR）、高壓高溫條件下的性能、作業(yè)及實驗設備的局限性等[12-13]。

膠質氣體泡沫（CGA）由具有優(yōu)良膠質特性的球狀微氣泡組成[14]，CGA體系已得到廣泛應用，在石油行業(yè)被用于優(yōu)化鉆井液及提高采收率[15]。本文將CGA作為泡沫組分用于水泥漿，并通過加入空心球和微塊改良CGA基泡沫水泥體系，通過室內實驗測試泡沫水泥的密度、抗壓強度、滲透率、孔隙度以及泡沫穩(wěn)定性等來評價其性能。

1 方法與材料

在實驗室內制備了CGA基泡沫水泥，在高溫高壓條件下測試泡沫水泥的性能需要采用非常復雜的方法和特殊設備，因此本文大部分測試在大氣壓和室溫條件下開展，泡沫水泥制備及常壓下的性能測試均按照API中建議的程序執(zhí)行[16]。

表1列出了本文所用3種水泥漿的配方，其中配方1是含CGA的泡沫水泥，配方2和3在配方1的基礎上利用微球和微塊改善水泥漿性能。在實驗室中制備純泡沫水泥（配方1）和改性泡沫水泥（配方2和配方3），對水泥的孔隙度、滲透率、強度、脆性、彈性、自由水含量、泡沫穩(wěn)定性和密度等物理性質進行測試，并依據(jù)測試結果對泡沫水泥性能進行評價和優(yōu)化。配方3是最終優(yōu)化得到的改性CGA泡沫水泥，其顆粒尺寸分布最優(yōu)，可以滿足礦場應用需求。

表1 泡沫水泥漿配方

1.1 膠質氣體泡沫（CGA）

CGA由直徑為10～100 μm的微泡組成，微泡被表面活性劑膜包裹[14,17]。流體將表面活性劑和聚合物結合形成微泡體系，其中表面活性劑產(chǎn)生表面張力包裹微泡，而生物聚合物作為增黏劑和穩(wěn)定劑。CGA具備膠質特性，能夠以穩(wěn)定的流速通過管道和孔道。由于微泡體積極小、表面活性劑膜厚度大，CGA的穩(wěn)定性高。

泡沫的穩(wěn)定性主要取決于氣泡的尺寸和聚并現(xiàn)象，氣泡尺寸的增加會導致泡沫的穩(wěn)定性急劇下降；氣泡聚并時生成較大的氣泡，快速上升到表面或形成氣袋，可以通過控制CGA外殼的表面活性劑分子排布來阻止相鄰氣泡的聚并。微泡與普通氣泡不同，普通氣泡具有單層表面活性劑膜，而微泡的外殼由 3層表面活性劑膜組成。其中，內層將內核與黏性層分隔開；外層向外疏水、向內親水；中間層向內疏水、向外親水[14]。因此，CGA具有疏水外邊界，而常規(guī)氣泡具有親水邊界。

CGA的性能取決于配方、材料和制備方法。本研究采用的CGA密度為400 kg/m3，低剪切速率下黏度為60 Pa·s，pH值為9，半衰期為200 h，耐溫101 ℃，耐壓 27 576 kPa，由水、Na2CO3、NaOH、NaCl、KCl、增黏劑、聚合物共混物、石灰石和表面活性劑合成。圖2顯示了CGA的光學顯微圖像。

1.2 樣品制備

圖1 本文所用CGA的光學顯微照片

在實驗室制備表1所列的3種水泥漿。采用常規(guī)攪拌器配制配方1水泥漿，首先將API G級水泥與淡水在4 000 r/min的轉速下攪拌4 min；然后，將CGA加入混合物，以同樣轉速攪拌5 min。泡沫結構通常隨著剪切過程的變化而變化，可能不斷產(chǎn)生破壞并不斷重組。為了研究高剪切速率對泡沫網(wǎng)絡結構的影響，將CGA倒入容器，然后在旋轉黏度計中以600 r/min的轉速剪切1 min，觀察CGA氣泡結構的變化。由圖2可見，在高剪切速率下，流體中的氣泡變小。氣泡越小，泡沫越穩(wěn)定。

圖2 高速剪切前后CGA的外觀

對于配方2和3水泥漿，空心球在加入攪拌器之前需要與干水泥混合，而微塊需在4 000 r/min的轉速下先與水混合 1 min?？招那蚺c水泥干混合物和CGA的混合程序與配方1相同。水泥漿制備好后要立即進行密度測試，而其他測試都需要利用不同尺寸的圓筒橡膠套在大氣壓力和室溫下使水泥漿凝固。水泥漿凝固時間為 7 d，水泥樣品的凝固過程通過觀察樣品表面進行監(jiān)測（多余的水泥漿倒入一次性塑料水杯中）。

1.3 泡沫穩(wěn)定性測試

泡沫的穩(wěn)定性在泡沫水泥設計中至關重要，必須一直保持到水泥注入環(huán)空并凝固。測量泡沫穩(wěn)定性的常規(guī)方法之一為自由水測試，由于自由水的形成可能導致氣泡從基漿中析出，因此優(yōu)化水泥漿配方時應盡可能減少余量水。然而設計低密度水泥樣品時，需要考慮提高水灰比。本研究中將制備好的水泥漿倒入250 mL的量筒內密封2 h，通過自由水含量測試評估氣泡的析出現(xiàn)象，監(jiān)測泡沫穩(wěn)定性；采用密度梯度法評價水泥樣品的穩(wěn)定性，即將圓筒狀水泥樣品截成3等份，測量樣本長度，并在空氣和水中測量每塊樣品的質量。根據(jù)阿基米德原理計算每塊樣品的密度，如（1）式所示[16]：

在大氣壓力和室溫下采用自由水測試和密度梯度測試兩種方法評價泡沫的穩(wěn)定性。泡沫不穩(wěn)定通常表現(xiàn)為存在自由流體、水泥漿頂部大氣泡逸出、水泥頂部出現(xiàn)過大裂隙、產(chǎn)生條紋（由氣泡析出導致），以及樣品由上到下顏色由淺變深、由上到下密度變化大。此外，采用單軸抗壓強度分析儀（UCA）測試高溫高壓下泡沫穩(wěn)定性。

1.4 孔隙度和滲透率測試

水泥的孔隙度和滲透率會影響地層封固的效果，低孔滲水泥能夠防止流體由地層穿過水泥柱[1]，而水泥結構中泡沫的存在，尤其是泡沫發(fā)生聚并的情況下，將導致其孔隙度和滲透率升高。

本文采用飽和法測量孔隙度。首先測量硬化水泥樣品的干重，然后將樣品浸入水中飽和水，定時測量濕樣品的質量，質量不再變化時認為樣品飽和。根據(jù)（2）式計算水泥孔隙體積，其與水泥樣品體積之比為有效孔隙度。

采用空氣滲透率法測定水泥樣品的滲透率，根據(jù)實驗室測量結果，利用達西公式計算滲透率。孔壁處的氣體滑脫現(xiàn)象導致氣測滲透率高于液測滲透率，即克林肯伯格效應，克林肯伯格給出了液測滲透率與氣測滲透率的關系式[18]：

在不同流壓下進行滲透率測試并外推至無限壓力條件，由此可得修正系數(shù)b。Jones和Owens給出了砂巖液測滲透率與氣測滲透率的關系式，亦可用于計算樣品的液測滲透率[19]。后文所述滲透率數(shù)據(jù)均為液測滲透率，采用（3）式計算。

1.5 力學性能測試

對硬化的泡沫水泥樣品進行單軸抗壓強度測試，確定其強度和彈性。根據(jù)國際巖石力學學會（ISRM）和美國材料測試標準協(xié)會（ASTM）的建議，將固化硬化后的水泥樣品制備成長徑比為2.5的圓筒狀。采用液壓裝置進行單軸抗壓強度測試，利用線性可變差動變壓器（LVDT）記錄樣品的軸向和徑向位移。

Ravi等[20]認為抗壓強度并不是地層封固的唯一有效參數(shù)；Iverson等[21]指出與泡沫水泥和含彈性材料的水泥相比，純水泥的彈性較差。本研究的單軸抗壓強度測試中，根據(jù)每項測試的應力-應變圖獲取樣品的泊松比和彈性模量。彈性模量為應力與應變之比（（4）式）[22]，即應力-應變圖直線段的斜率。彈性模量是表征材料剛性的參數(shù)，彈性模量值高則表明材料呈脆性，低則呈韌性。油井水泥的彈性模量一般為1～10 GPa[10]。樣品受到擠壓時會在垂直受力的方向產(chǎn)生膨脹，即泊松效應；用泊松比表示，即徑向與軸向應變比值的負值（見（5）式）[22]。油井水泥的泊松比為0.12～0.15[10]。

1.6 密度測試

將制備好的泡沫水泥漿倒入置于電子秤上的量筒中測量水泥漿的質量和體積，計算密度。泡沫水泥漿的密度取決于氣體體積分數(shù)（泡沫占比）和無泡沫基漿密度。在水泥漿配方中加入微球、微硅石、CGA來降低密度，其中配方3的水泥漿密度與清水接近。

2 結果與討論

根據(jù)表1配方配制3種水泥漿，其中配方1采用兩種水灰比配制。3種水泥（漿）物性測試結果如表2所示。

表2 泡沫水泥（漿）物理性質測試結果

與樣品1相比，樣品2通過提高水灰比和泡沫體積分數(shù)進一步降低水泥漿密度，但是從測試結果來看，水泥的自由水含量、孔隙度上升而抗壓強度下降。與樣品2相比，樣品3和4不僅水泥性能更佳，還通過在水泥漿組分中加入空心球使密度進一步下降。

2.1 泡沫穩(wěn)定性評價和降低水泥漿密度機理

采用自由水測試和密度梯度測試測定水泥漿的泡沫穩(wěn)定性。自由水測試過程中，僅發(fā)現(xiàn)痕量自由流體，未觀察到氣泡逸出現(xiàn)象，樣品頂部無過大裂隙且未觀察到氣泡析出跡象；測得的自由水含量如表2所示，樣品4在提高水灰比的同時將自由水含量降低到零。

從套筒中取出固化的圓筒狀水泥樣品，并切割成3等份用于密度梯度測試。圖3為不同水泥的密度梯度剖面，圖4為樣品4切割后實物圖。水泥由上到下密度變化是因氣泡密度低從而具有上升至頂部的趨勢引起的。固井作業(yè)要求整個水泥柱上下密度相近，防止密度變化過大導致流體由地層流入井筒。由圖3可見，盡管各泡沫水泥樣品密度剖面在可接受范圍內，但還是要在優(yōu)化過程中降低樣品頂部到底部的密度變化量。改性泡沫水泥樣品 4基本實現(xiàn)了頂?shù)酌芏纫恢?，其他樣品密度變化較大。細粒微硅石的加入對樣品 4的泡沫穩(wěn)定性具有重要影響，大大降低了密度變化量。

圖3 水泥樣品密度梯度剖面

圖4 水泥樣品4切割后實物圖

在含有發(fā)泡劑的常規(guī)泡沫水泥中，利用穩(wěn)定劑來穩(wěn)定水泥漿剪切過程中生成的氣泡；本研究在水泥漿中加入CGA后進行剪切，形成穩(wěn)定的微泡網(wǎng)絡結構，且不會聚并成較大氣泡。隨著水泥的硬化，水泥樣品內形成微孔隙空間，使得水泥密度下降（見圖5）。配方2和3水泥的密度下降機理類似，當微粒（微球和微硅石）置于較大水泥顆粒之間時，使得水泥基質的密度、孔隙度和滲透率下降，但不會形成孔隙空間。根據(jù)API 10A，G級水泥顆粒密度為3.24 g/cm3，水灰比為0.44時水泥漿密度為1 920 kg/m3。在水泥漿中加入CGA，水灰比為1.00時水泥漿密度降到1 232 kg/m3。在配方2和3中，通過將空心球和微硅石加入水泥漿進一步降低密度，配方 3中利用微硅石實現(xiàn)縱向密度變化量的最小化，水泥樣品的性能得以改善。

圖5 CGA基泡沫水泥樣品

2.2 孔隙度和滲透率評價

多孔高滲透性水泥用于封隔易漏地層時有效期較短。從表2可以看出，孔隙度和滲透率隨著水灰比和泡沫體積分數(shù)的增加而上升。與水灰比為1.00的樣品2相比，樣品3的泡沫體積分數(shù)較低，水泥顆粒之間存在微球，因此孔隙度和滲透率較低。同理樣品 4的性能更優(yōu)，微球和微硅石在增強水泥的物理性能和降低孔隙度和滲透率方面發(fā)揮了重要作用。測試結果證明樣品2、樣品3、樣品4的孔隙度分別是43%，34%，24%，而滲透率分別為 11.58×10-3，4.85×10-3，0.70×10-3μm2。

2.3 力學性能評價

在大氣壓和室溫條件下測量不同水泥樣品的抗壓強度，測量結果見表2。從測量結果可以看出，提高泡沫體積分數(shù)和水灰比導致水泥抗壓強度下降，彈性模量隨著水灰比的上升而下降。當泡沫水泥的彈性模量低、泊松比高，抗壓強度在可接受范圍內時，表現(xiàn)出韌性特征，具有更強的彈性和柔性，有助于承受區(qū)域地應力。從圖6的單軸抗壓強度測試結果可以看出樣品 4滿足性能要求，采用切線彈性模量法求得彈性模量值。

圖6 水泥樣品4的應力-應變剖面

對樣品1和樣品2進行單軸抗壓強度分析測試，以明確壓力和溫度對水泥樣品穩(wěn)定性的影響。該測試通過測量水泥體積的減少量來表征泡沫穩(wěn)定性，泡沫破裂導致水泥體積減小則表示水泥中的泡沫失穩(wěn)。測試壓力為3 445 kPa、溫度為60 ℃，測試后泡沫水泥體積與初始體積（測試開始前）比較，樣品2（泡沫體積分數(shù)為 20%）的體積減少了約 5%，樣品 1體積減少2%?？紤]到流體損耗和自由水亦會造成水泥收縮，筆者認為本研究的泡沫水泥在高溫高壓下表現(xiàn)穩(wěn)定。

2.4 CGA基泡沫水泥與常規(guī)泡沫水泥的對比

本文所用純水泥（基漿）采用API G級水泥配制，表3列出了純水泥的部分物性參數(shù)。Spaulding研究了常規(guī)泡沫水泥含不同體積分數(shù)泡沫時的性能[13]，由于現(xiàn)場應用中通常采用 10%的泡沫體積分數(shù)，本文將Spaulding泡沫體積分數(shù)為10%時的研究成果與本研究中CGA基泡沫水泥（樣品1）的測試結果進行對比，以分析常規(guī)泡沫水泥和CGA基泡沫水泥的性能差異。

表3 Spaulding研究[13]和本文研究泡沫水泥與純水泥之間的性能對比

從表3可以看出，本文在水泥中加入CGA會導致孔隙度上升，抗壓強度、滲透率和彈性模量均減小，形成了密度、滲透率和抗壓強度較低但膨脹性和韌性較強的水泥（高泊松比和低彈性模量）。Spaulding對常規(guī)泡沫水泥所做的測試結果也呈相同的變化趨勢，但孔隙度變化范圍比CGA基泡沫水泥更大，滲透率變化小[13]。Spaulding實驗得到的抗壓強度較高是由所用水泥的等級（API H級）和品質引起的，與泡沫組分無關?？傮w來看，CGA基泡沫水泥的性能與常規(guī)泡沫水泥相當。

3 結論

將 CGA作為泡沫組分合成了一種新型的泡沫水泥體系，在泡沫水泥中加入微球和微硅石進一步改善水泥的力學性能和物理性能，使水泥漿密度降到1 040 kg/m3；形成的泡沫穩(wěn)定且不受高溫高壓影響；自由水含量為零，孔隙度為 24%，滲透率為 0.7×10-3μm2；CGA基泡沫水泥彈性模量低、泊松比高，抗壓強度足夠高。水泥漿中加入CGA后形成穩(wěn)定的微泡網(wǎng)絡結構，且不會聚并成較大氣泡，隨著水泥的硬化，水泥樣品內形成微孔隙空間，使得水泥密度下降；加入微粒（微球和微硅石）后，微粒置于較大水泥顆粒之間，使得水泥漿的密度、孔隙度和滲透率下降；微硅石的加入使縱向密度變化最小化，水泥樣品的性能得以改善。

符號注釋：

b——克林肯伯格因子，MPa；E——彈性模量，GPa；Kg——氣測滲透率，10-3μm2；Kl——液測滲透率，10-3μm2；ma——樣品在空氣中的質量，g；mw——排開水質量，g；p——平均流壓，MPa；Vp——孔隙體積，cm3；Wd——樣品干重，g；Ww——樣品的飽和濕重，g；ε——應變，無因次；εl——軸向應變，無因次；εt——橫向應變，無因次；?——泊松比；ρs——水泥樣品密度，g/cm3；ρw——水的密度，g/cm3；σ——應力，GPa。