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泡沫减重水泥浆体系及其微观孔隙分布

任强 刘宁泽 罗文丽 高飞 刘景丽 刘岩 杨豫杭 程小伟

任强,刘宁泽,罗文丽,等. 泡沫减重水泥浆体系及其微观孔隙分布[J]. 钻井液与完井液,2023,40(3):376-383 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.03.014
引用本文: 任强,刘宁泽,罗文丽,等. 泡沫减重水泥浆体系及其微观孔隙分布[J]. 钻井液与完井液,2023,40(3):376-383 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.03.014
REN Qiang, LIU Ningze, LUO Wenli, et al.Study on a foam lightweight cement slurry and the distribution of its micro pores[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2023, 40(3):376-383 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.03.014
Citation: REN Qiang, LIU Ningze, LUO Wenli, et al.Study on a foam lightweight cement slurry and the distribution of its micro pores[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2023, 40(3):376-383 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.03.014

泡沫减重水泥浆体系及其微观孔隙分布

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2023.03.014
基金项目: 渤海钻探工程有限公司重大研发项目“减重水泥浆体系关键技术研究与试验”(2022ZD03F)
详细信息
    作者简介:

    任强,高级工程师,1982年生,硕士毕业于西南石油大学油气田材料与应用专业,主要从事油井水泥方面的研究。电话(0317)2710742;E-mail:ren_qiang@cnpc.com.cn

  • 中图分类号: TE256

Study on a Foam Lightweight Cement Slurry and the Distribution of Its Micro Pores

  • 摘要: 泡沫减重水泥浆体系对保障低压易漏地层井下生产安全至关重要。通过亲水链十四烷二酸甲酯、疏水链N,N-二甲基-1,3-二氨基丙烷及刚性链接单体二溴代联苯制备了耐高温高效发泡剂FPJ-S,并通过增黏型稳泡剂和协同型稳泡剂的优选复配得到了耐高温稳泡剂WPJ-S,基于FPJ-S和WPJ-S建立了泡沫减重水泥浆体系,并对其发泡能力及泡沫减重水泥石中的孔隙分布进行了分析。研究结果表明,相较于传统发泡剂,FPJ-S的发泡倍数提高了40%,1 h沉降距降低了58.8%;WPJ-S的稳泡能力和耐温能力均得以提升;建立的泡沫减重水泥浆体系在0.90~1.60 g/cm3下密度可调,浆体沉降稳定性较好,并且不同密度泡沫减重水泥石的24 h抗压强度均大于3 MPa;基于压汞法及工业CT(XCT)技术表征可知,该泡沫减重水泥石的孔隙分布均匀,形态较为规则完整,且未发现大量联通孔。

     

  • 图  1  耐高温高效发泡剂的制备路线

    图  2  WPJ-S对泡沫初始高度的影响

    图  3  WPJ-S对泡沫保留率的影响

    图  4  水灰比对泡沫减重水泥浆密度的影响

    图  5  发泡剂加量对泡沫减重水泥浆密度的影响

    图  6  不同密度泡沫减重水泥石的孔隙分布图

    图  7  不同密度泡沫减重水泥石的  lg(−dVP/dr)−lg(r)拟合曲线

    图  8  不同密度泡沫减重水泥石的孔体积占比

    图  9  不同密度泡沫减重水泥石的孔隙分布重构

    表  1  油井水泥化学组成

    化学成分含量/%化学成分含量/%化学成分含量/%
    CaO62.070Al2O33.608K2O0.675
    SiO220.494MgO1.863SO33.471
    Fe2O34.071Na2O0.250TiO20.262
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    表  2  发泡剂(FPJ-S)性能参数(25 ℃)

    发泡剂临界胶束浓度/
    mmol·L−1
    表面张力/
    mN·m−1
    发泡
    倍数
    1 h沉降距/
    mm
    FPJ-S0.8227.53514
    十二烷基三甲基溴化铵15.7238.62534
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    表  3  HPMC与PEG对起泡能力与稳定性的影响

    稳泡剂
    类型
    分子量不同时间的泡沫高度/mm泡沫
    保留率/%
    0 s30 s3 min5 min
    空白055250042338068.8
    HPMC40057556354050387.5
    400055554752050891.5
    15 00052551550047590.5
    PEG200054853051048087.6
    400053552550048089.7
    600051050049147993.9
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    表  4  CaSt与SDS对起泡能力与稳定性的影响

    稳泡剂
    类型
    加量/
    %
    不同时间的泡沫高度/mm泡沫
    保留率/%
    0 s30 s3min5 min
    空白055250042338068.8
    CaSt0.155353550548888.2
    0.356053651049187.7
    0.556254752750389.5
    SDS0.154753050849189.8
    0.355553251250290.5
    0.555953551750690.5
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    表  5  分散剂加量对水泥浆浆体性能的影响

    SXY/
    %
    流动度/
    cm
    塑性黏度/
    mPa·s
    水泥浆密度/
    g·cm−3
    稳定性
    0.224551.18较好
    0.326501.13较好
    0.428461.06较好
    0.531411.05有气泡上浮
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    表  6  泡沫减重水泥浆体系的各组分配比

    配方降失水剂
    G33S/%
    分散剂
    USZ/%
    发泡剂
    FPJ-S/%
    稳泡剂
    WPJ-S/%
    水灰比
    1#0.650.300.800.070.63
    2#0.700.300.700.060.60
    3#0.700.300.600.060.60
    4#1.000.300.500.060.60
    5#1.100.300.500.040.55
    6#1.100.400.400.040.55
    7#1.200.400.300.020.50
    8#1.200.400.250.020.50
      注:缓凝剂ZH-2加量依据稠化时间可调节。
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    表  7  泡沫减重水泥浆体系的基本性能

    配方ρ/
    g·cm−3
    2 h沉降
    稳定性
    p24 h/MPa
    (80 ℃)
    含气率/
    %
    1#0.9良好3.3248
    2#1.0良好4.6043
    3#1.1良好5.5837
    4#1.2良好7.5331
    5#1.3良好8.3427
    6#1.4良好9.8822
    7#1.5良好11.2718
    8#1.6良好12.3013
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-17
  • 修回日期:  2023-02-06
  • 网络出版日期:  2023-07-21
  • 刊出日期:  2023-05-30

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