一种泡沫水泥浆稳泡剂、泡沫水泥浆及其制备方法与流程

本发明涉及固井水泥，尤其涉及一种泡沫水泥浆稳泡剂、泡沫水泥浆及其制备方法。

背景技术：

1、在固井过程中，泡沫水泥浆具有密度低、弹性好、膨胀性好的特点，能够起到防漏、防窜、提高水泥环密封完整性的作用。并且，泡沫水泥浆由气、液、固等三相组成，该三相之间的密度和特性差异较大，导致容易发生泡沫分层与聚集现象。因此，必须向泡沫水泥浆中添加高性能的稳泡剂，来维持泡沫水泥浆体系的相对稳定。

2、目前，国内外比较常用的固井用泡沫水泥浆稳泡剂主要包括两种类型：(1)表面活性剂类及其组合物；(2)有机大分子聚合物类稳泡剂。

3、表面活性剂类及其组合物主要包括学名脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(aes)、α-烯基磺酸盐(aos)、甜菜碱、十二烷基氧化胺等，该类稳泡剂的作用机理为降低液膜阴离子表面活性剂阴离子基团的排斥力，进而实现稳泡，但是稳泡效果一般。其中，美国有关专利中涉及的aes、aos等产品，该类型稳泡剂的作用机理主要是增加泡沫膜的厚度。尤其是贝克休斯于2020年开发出了一种液体稳泡剂，但是该液体稳泡剂的适用温度仅能达到60℃，在添加量为0.2gps时，所测定的泡沫水泥浆的密度差为0.49ppg。

4、专利cn110606684a公开了一种稳泡剂组合物、泡沫水泥浆添加剂及泡沫水泥浆，其中的稳泡剂组合物主要由以下重量份的组分组成：c12-c22烷基酰胺丙基甜菜碱100份，动物角质蛋白水解液100～150份，c8-c14烷基苯磺酸钠75～120份，c6-c20烷基酰胺烷基氧化胺60～100份；所述动物角质蛋白水解液由动物蹄角粉水解得到，质量浓度为25～40％。该稳泡剂组合物在保证泡沫稳定性的基础上，可实现在泡沫液膜上的均匀附着，进而使泡沫水泥浆体系中的泡沫细小均匀，降低了泡沫水泥石的孔隙结构缺陷，有利于提高泡沫水泥石在较低密度下的渗透性和抗压强度。

5、有机大分子聚合物类稳泡剂主要包括聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、纤维素醚类大分子聚合物等也被作为泡沫水泥浆的稳泡剂，常见的主要有羧甲基纤维素(cmc)、羟乙基纤维素(hec)、xc。该类稳泡剂的作用机理是通过增加泡沫液的粘度，降低泡沫流动性，进而大幅度提高泡沫的稳定性，稳泡效果优于表面活性剂类产品。如专利cn201810709222.9公开了一种泡沫水泥浆及其制备方法，其中采用的稳定剂主要成分是黄原胶与温伦胶，实施例中温度是60℃，但是由于黄原胶加量过小，难以干混均匀，极小的加量下增稠效果明显，在低温条件下容易过分增稠，导致配浆困难甚至配浆失败，而当温度升高时，黄原胶等受热导致浆体变稀，增粘稳泡效果急剧下降，难以满足高温稳泡需求，适用温度不超过90℃。

6、综上所述，国内外泡沫水泥浆用稳泡剂适用温度范围窄，超过90℃后稳泡剂增粘效稳泡效果急剧变差，限制了泡沫水泥浆在高温深井中应用。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种泡沫水泥浆稳泡剂、泡沫水泥浆及其制备方法。

2、第一方面，本发明提出了一种泡沫水泥浆稳泡剂，包括颗粒物、悬浮稳定剂和热增粘聚合物。所述颗粒物、悬浮稳定剂和热增粘聚合物的质量比为(6～8)：(0.5～1.5)：(1～3)；最优选为7：1：2。

3、作为本发明的具体实施方式，所述颗粒物包括纳米颗粒和超微颗粒；所述纳米颗粒粒径为10～50nm；所述超微颗粒粒径为48～74μm；也就是将超微颗粒筛分至200～300目；所述纳米颗粒和超微颗粒的配比为(1～3):(4～6)；最优选为2:5；所述纳米颗粒优选为纳米二氧化硅；所述超微颗粒为微硅与硅粉的至少一种。

4、作为本发明的具体实施方式，所述纳米二氧化硅可以是气相法纳米二氧化硅、也可以是沉淀法气相二氧化硅，二氧化硅颗粒粒径范围保证在10～50nm范围内即可；所述超微颗粒，可以是微硅、硅粉、粉煤灰中的一种或者其中的任意两种组成，组成比例可以是任意比例。

5、作为本发明的具体实施方式，所述悬浮稳定剂为黄原胶或温伦胶中的至少一种。所述黄原胶和温伦胶中的一种或者两种组成，具体组成比例可以是任意比例。

6、作为本发明的具体实施方式，所述热增粘聚合物为疏水缔合改性羟乙基纤维素；优选地，所述疏水缔合改性羟乙基纤维素的制备方法包括：将缩水甘油基十六烷基醚通过环氧环开环接枝到羟乙基纤维素上。缩水甘油基十六烷基醚与羟乙基纤维素的摩尔比为(2～4):(6～8)；最优选为3:7。

7、作为本发明的具体实施方式，热增粘聚合物的合成方法可以为：将羟乙基纤维素(hec)和异丙醇与水的混合溶液混合搅拌，通氮气20～60min；缓慢滴加3～10％的氢氧化钠溶液；升温至50～70℃，缓慢加入溶于适量异丙醇的缩水甘油基十六烷基醚，反应6～12小时；用稀盐酸中和至中性后洗涤、过滤，最后在50～70℃下真空干燥6～24h，得到疏水缔合改性羟乙基纤维素的粉末颗粒。

8、所述的稳泡剂的作用机理，主要是利用纳米颗粒的吸附作用，纳米颗粒吸附在气液界面，起到增强泡沫液膜强度，延缓泡沫破碎的作用；悬浮稳定剂在低温条件下，起到低温增稠作用，能提高水泥浆切力，降低泡沫排液速度；热增粘聚合物能够弥补悬浮稳定剂高温变稀的缺点，保持高温下水泥浆粘度，起到高温增粘的稳泡效果；超微颗粒的加入，能够起到预混合和分散颗粒作用，现场应用干混中保证稳泡剂与水泥充分混合均匀。

9、第二方面，本发明提供了一种所述泡沫水泥浆稳泡剂的制备方法，将所述颗粒物、所述悬浮稳定剂和所述热增粘聚合物混合反应，得到泡沫水泥浆稳泡剂。

10、作为本发明的具体实施方式，所述混合反应在旋转条件下进行，旋转速度为30～60rmp/min。

11、作为本发明的具体实施方式，为解决不同颗粒之间的均匀混合问题，本发明优选的实施方案中采用双运动混合方式，将纳米二氧化硅、超微材料、悬浮稳定剂与热增粘聚合物按比例从送料口送入料筒中，装载量为料筒容积的45％～65％，旋紧入料口盖，料筒转速35r/min，叶片转速52r/min，经过20min混拌后出料，即可得到混合均匀的稳定剂scw。

12、第三方面，本发明提供了一种泡沫水泥浆，所述泡沫水泥浆包括所述泡沫水泥浆稳泡剂；所述泡沫水泥浆稳泡剂在泡沫水泥浆中的质量分数比为0.5wt％～1.0wt％。

13、作为本发明的具体实施方式，所述泡沫水泥浆还包括油井水泥、降失水剂、缓凝剂、发泡剂和水。

14、作为本发明的具体实施方式，所述泡沫水泥浆中，以油井水泥为100质量份为基准，其他组分为：

15、降失水剂 5～6份；

16、缓凝剂 0.3～0.5份；

17、发泡剂 1～3份；

18、水 38～40份。

19、作为本发明的具体实施方式，所述油井水泥、降失水剂、缓凝剂、发泡剂和水的用量，根据具体现场施工条件调整其配比即可，本发明中不做限定。

20、第四方面，本发明提供了一种泡沫水泥浆的制备方法，包括以下步骤：

21、s1：将油井水泥与泡沫水泥浆稳定剂混合均匀，得到第一混合物；

22、s2：将水、降失水剂、缓凝剂和所述第一混合物混合均匀，得到第二混合物；

23、s3：将所述第二混合物和发泡剂在惰性气体气氛下混合均匀，得到所述泡沫水泥浆。

24、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s2中，混合方式优选为低速搅拌和高速搅拌混合方式搅拌；所述低速搅拌速率为3000～5000r/min；所述高速搅搅拌为11000～13000r/min。

25、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s2得到的第二混合物的密度为1.88～1.90g/cm3。

26、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s3中，所述惰性气体包括氮气、二氧化碳中的至少一种，优选为氮气；所述发泡剂加入量占水泥浆体积的1％～3％，优选为2％。

27、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s3中的混合方式优选为搅拌，搅拌速率为1000～2000r/min。

28、本发明中的上述原料均可自制，也可商购获得，本发明对此不作特别限定。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

30、1、本发明提供的泡沫水泥浆稳泡剂，主要是利用“界面纳米吸附”、“低温增稠”与“高温增粘”协同稳泡作用，起到增强液膜强度、降低泡沫排液速度、提高高温下水泥浆体稳定性的作用，适用温度范围更广，高温稳泡效果更佳，克服现有稳泡剂适用温度范围窄、低温过分增稠、高温增粘效果变差的缺陷。

31、2、本发明实施例表明本发明的泡沫水泥浆稳泡剂，在加入泡沫水泥浆中1.5％效果最佳，适用温度甚至可达150℃，泡沫水泥浆密度差小于0.03g/cm3。

32、3、本发明的泡沫水泥浆稳泡剂，制备方法简单，绿色环保无污染，符合节能减排的需要；含有所述稳定剂的泡沫水泥浆适用范围更广，具有很好的推广应用价值。