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1、利用背散射光技术评价水泥发泡剂的稳定性泡沫水泥是一种液 -气- 固三相流体，是一种超低密度水泥 浆。具有密度低，顶替钻井液效率高，延展性好，对水敏地层的 伤害小、减小环空气窜、防止固井漏失等优点。自 20 世纪 70 年 代后首次用于石油固井以来，泡沫水泥的研究与应用发展迅速， 并取得了显著的效果。 目前泡沫水泥常用机械发泡的方式， 将发 泡剂水溶液在特殊装置生成泡沫， 再将一定量的泡沫加入水泥浆 中混合成不同低密度的泡沫水泥浆。 泡沫水泥固井的关键技术是 发泡技术和注水泥技术。 好的泡沫水泥浆必须有好的发泡剂， 在 对机械式发泡的泡沫水泥浆进行实验时，能产生泡沫的物质很 多，但并非所有能产生
2、泡沫的物质都能用于泡沫水泥。 只有在泡 沫和水泥浆混合时薄膜不致破坏， 具有足够的稳定性， 对油井水 泥胶凝材料的凝结和抗压强度无不良影响的发泡剂， 才能用于泡 沫水泥。 评价发泡剂性能好坏的指标很多， 除发泡倍率是主要考 虑的指标外， 对泡沫水泥浆影响最大的指标是泡沫的稳定性。 通 常采用沉陷距和泌水量，泡沫寿命和泡沫半衰期衡量其稳定性 4 。但这些方法干扰因素较多，评价结果较粗，不能准确评价 泡沫的稳定性以及所混配的泡沫水泥浆的稳定性。 因此， 该文采 用背散射光技术对泡沫水泥的稳定性进行评价。1 实验部分1.1 实验材料表面活性剂类 3 和蛋白质类的发泡剂供 6 种：0#、1#、2#、
3、3#、4#、5#，并配置成同样浓度的发泡液。1.2 实验仪器自制带压搅拌发泡器（中石化工程院）、TURBISCAN LA专家型稳定性分析仪（法国 FORMULACTION司）。1.3 实验原理背散射光技术原理：利用 TURBISCANAb专家型稳定性分析 仪，针对不同流体对光线有不同的透射率和背散射率， 同一种流 体的稳定性随时间而变化， 其对光线的透射率和背散射率也不同 2 这一特性，通过考察不同泡沫随时间增加的析水情况、泡沫 粒径随时间的变化情况来对不同发泡剂的稳定性进行评价。稳定性分析仪的检测探头是由一个近红外脉冲光源（入=0.88 um）及两个同步检测器组成，分别探测透过样品的透 射光
4、和被样品反射的背散射光（ BS） 4 。当样品浓度稀，光可 以透过的时候，看的是透射光的信息。当样品浓度高，光无法透 过的时候， 看被颗粒反射的背散射光的信息。 以样品池底部为坐 标的0点，光学探测头从低于样品池底部的 -2 mm处起沿样品测 试室向上扫描，最大高度为 55 mm每40 ?m高度采集一次透射 光和反射光数据。透射光和反射光强度以%表示，其含义是相对标准样品的光通量的百分比。 对于透明体系， 选取透射光的透过 率（T %）为指标，不透明体系则选取背射光的反射率（BS %为指标，泡沫属于不透明体系，其稳定性评价指标为BS扫描曲线给出了不同扫描时间透射光和反射光随样品高度的变化关 系
5、。以样品初始值为对照，样品与之的差值（即变化率）反映其 体系的变化，从而放大了样品在测定时间内微观特征变化 5 。 背散射光光通量的大小还取决于粒径大小，如图1。当颗粒粒径大于0.88卩m时，背散射光的强度是随着颗粒 粒径的增大而降低。1.4 实验方法1.4.1 泡沫制备将计量过容积或重量的发泡剂倒入自制搅拌浆杯中， 旋紧杯 盖，关闭阀门，启动电机带动浆杯内的专用浆叶进行搅拌，转速 在 1500r/min 下搅拌 1 min ，同时通过压力调节器向浆杯施加 0.3-0.5 mPa 的压力，这样浆杯内的泡沫剂通过搅拌和压力的作 用即产生均匀带有一定压力的气泡。1.4.2 泡沫稳定性实验将泡沫缓慢
6、注入一个55 mm高的圆柱形的玻璃样品池中，待 泡沫达到标准高度后， 停止注泡，迅速旋上上盖。 放进 TURBISCAN LAb专家型稳定性分析仪测试孔中开始实验。2 实验结果与分析 利用背散射光技术比较六种泡沫水泥发泡剂的稳定性效果，将 6 种不同发泡液生成的泡沫样品， 分别倒入样品池中， 测量原 始透射光和背散射光强度的变化趋势。对于泡沫体系而言，测量刚开始时，试管内只有两种流体：泡沫和空气，经过一段时间后，泡沫逐渐衰竭，试管底部出水。 图 2、图 3 是部分泡沫样品背散光强度与样品池高度对应的图。 图 2 为泡沫透射光图， 图 3 为泡沫背散射光的图。 图的横坐标为 样品池的高度，左边为
7、样品池的底部，右边为样品池的顶部，其 中有信号段表示泡沫样品液面所占的高度。纵坐标为透色光/ 背散射光的强度， 用百分比表示。 图中曲线表示不同观察点泡沫的 背散射光强度， 背散射光强度增加为正， 背散射光强度降低为负。2.1 泡沫析水高度的比较从图 2 可以看出， 在透射光图的最左边形成了一个峰。 这个 峰是由于样品析水造成的， 因为泡沫对光有很强的散射作用， 光 是无法穿透的，泡沫析出水以后，光就可以透过，我们就可以得 到透射光的信息。峰越宽，析水越多，峰越高，析水的澄清度越 高。通过对 6 种发泡剂形成的泡沫析水高随时间的变化关系作图 进行比较， 可以看出析水量由少到多的顺序为： 0# 2.2 泡 沫直径随时间的变化关系从图 3 的背散射光的图可以看出， 样品的中部的背散射光的 强度在随时间下降，当颗粒粒径大于 880 nm 时，背散射光的强 度是随着颗粒粒径的增大而降低这个变化规律， 说明整个体系泡 沫的粒径大于880 nm,泡沫的粒径由小变大，增大的速度很快。 我们利用背散射光变化率（DELTABS）来进一步说明泡沫随时间 的稳定性。DELTABS个值反应的是颗粒粒径的变化，曲线的斜 率越大，颗粒粒径变化越大，说明泡沫越不稳定（图 4，图 5）。 从图 4 可以看出， 不同发泡剂形成泡沫粒径变化的顺序由小到大 为： 3#