精品论文-新型泡沫水泥浆的研究与应用.doc

新型泡沫水泥浆的研究与应用 摘 要：由于泡沫水泥具有密度低、强度高防窜性能好等特点，多年来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。新型泡沫水泥浆的研制，旨在研究出一种氮气发气剂和稳泡剂以及与其相配套的水泥外加剂，使其其均匀地分散于水泥浆中而形成泡沫水泥浆。本文记述了泡沫水泥的特点、制备方法、性能和固井工程设计，以及在长庆、南阳、辽河等油田的应用情况。 一、泡沫水泥的特点 泡沫水泥的制备，通常采用物理充气(空气或N2 )法和化学剂充气法。泡沫水泥主要具有以下特点： 1、密度低 强度高 泡沫水泥最突出的优点是密度低、强度高。 泡沫水泥之所以能在较低密度下仍能保持较高的抗压强度，主要是由于气体密度比其他减轻材料低得多。实验表明，泡沫水泥密度最低可达0.42g/cm3 。当密度为1.0g/cm3时，其强度可达5Mpa以上，这是一般低密度水泥浆所不能达到的。 2、 3、 由于泡沫水泥浆具有泡沫的特性，因此其具有一定的触变性。 　 4、防窜性好 泡沫水泥浆在高压下可以变得几乎不可压缩。这是由于真实气体的相对不可压缩性造成的，水泥浆开始稠化时，处于从液态向固态过渡，此时，可以部分地传递静液压力。随着水泥水化的进行，静液压力随之减小，作用于地层的孔隙压力就会快速下降。此时泡沫水泥浆中的气体可以有效地补偿孔隙压力的下降，从而压稳气层。 另外，由于泡沫水泥浆中含有稳泡剂，能够使侵入水泥浆体系中的气体乳化成微小的气泡稳定地存在于泡沫水泥中，与泡沫水泥形成一体，直至内外压力平衡。 二、室内研究 泡沫水泥经过多年的研究和应用，不断发展和完善。尤其是机械充气(N2或空气)法已在国外得到广泛应用，但是这种方法所需设备较多，工艺复杂，需要精心设计和计算机自动控制，难度和费用较高。石油工程技术研究院经过多年的攻关，研发出化学法制备泡沫水泥浆固井技术。 1、新型泡沫水泥的性能 这种化学法制备的泡沫水泥浆是由FCA（发气剂）、FCB（发气剂）、FCF（稳泡剂）、FCP（增强剂）、FCR（缓凝剂）等组成。在水泥浆中，FCA与FCB发生化学反应，生成N2，在FCF的作用下，形成细小均匀、稳定的泡沫水泥浆。 1.1、制备方法 先将一定量的发气剂FCA（性能见表1）干混于水泥中，按API标准制浆，然后将制好水泥浆在低速下(4000rpm)搅拌10秒，同时加入一定量的发气剂FCB（性能见表1）和稳泡剂FCF（性能见表2），则可制成泡沫水泥浆。 表1 FCA和FCB的物理性能 名称 外观 密度 (g/cm3) 细度 (20目筛筛余) 性质 FCA 灰白色粉粒状固体 2.24 ≤50％ 溶于水 FCB 无色液体 1.10 — 易溶于水 表2 FCF稳泡剂的物理性能 名称 外观 密度(g/cm3) 粘度(Pa.s) 可溶性 FCF 浅黄色液体 1.00 0.017 易溶于水 1.2、水灰比的确定 对API G级水泥而言，配制密度1.85g/cm3 水泥浆的水灰比为0.44。而泡沫液膜所需正常水量的多少，主要与发气量多少有关，发气量越大，泡沫液膜的表面积越大，则形成泡沫的需水量就越大；反之，需水量就越小。实验结果见表3。 表3 泡沫液膜的需水量 发气剂加量 发气量 cm3 需水量 ml FCA(g) FC B (ml) FCF (ml) 13.0 4.0 13.0 428 55.0 10.0 3.0 10.0 377 36.5 7.0 2.0 7.0 307 28.0 1.3、稠化时间的测试 由于泡沫水泥具有可压缩性，稠化时间难以按API方法直接测试。实验证明，气泡对稠化时间的影响不大，但做稠化时应先将气泡排除。由于利用化学剂充氮制备的泡沫水泥，除了氮气之外，还有些其它生成物和剩余的反应物，要充分考虑这些因素的影响，剩余的反应物有一定的促凝作用，实验结果表明见表4。 　 表4 反应后残余物对稠化时间的影响 序号 外加剂及掺量 水固比 试验条件 ℃/MPa 稠化时间 min 1 2%FCP 0.6 45/16 235 2 2%FCP+(2.5%FCA+0.5%FCB+2.5%FCF)残 0.6 45/16 156 3 2%FCP+(2%FCA+0.4%FCB+2%FCF)残 0.6 45/16 145 1.4、抗压强度的测试 泡沫水泥浆中含有气泡，其抗压强度的测试应按井眼条件下的实际密度测定。 2、井眼条件下泡沫水泥密度的变化规律 在井眼条件下，泡沫水泥浆受井下温度和压力的影响，实际密度与地面密度相差较大，这种变化可以用模拟井下条件的实验方法进行研究和分析。 实验装置（如图1），试验筒外型尺寸与失水仪试验筒基本相同，只是