一種泡沫水泥漿配制裝置及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種泡沫水泥漿配制裝置，該裝置主要包括由循環(huán)管路與混合缸、活塞缸構(gòu)成配料循環(huán)系統(tǒng)以及由取樣器通過循環(huán)管路與與混合缸、活塞缸構(gòu)成取樣循環(huán)系統(tǒng)；利用該裝置，泡沫水泥漿的配制和取樣的整個過程都在帶壓的條件下進(jìn)行，水泥漿和發(fā)泡添加劑通過充氮的方式在配料循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)混合均勻，并形成具有成膜微氣泡球狀結(jié)構(gòu)的泡沫水泥漿；通過調(diào)節(jié)充氮量和配料循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)時間調(diào)節(jié)泡沫水泥漿的密度；通過配料循環(huán)系統(tǒng)和取樣循環(huán)系統(tǒng)對泡沫水泥漿的密度和泡沫水泥石的強度和滲透率等參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確的評價，對現(xiàn)場推廣泡沫水泥漿的應(yīng)用具有指導(dǎo)性的作用。
【專利說明】一種泡沬水泥漿配制裝置及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于油田低密度固井【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種在帶壓密閉的條件下對泡沫水泥 漿進(jìn)行循環(huán)配制和取樣的泡沫水泥漿配制裝置及其應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002] 泡沫水泥是指在常規(guī)水泥漿中混入一定量的泡沫，形成固、液、氣三相且具有高度 分散性的多相體系。泡沫水泥固井主要是降低水泥漿密度，從而降低環(huán)空水泥漿段的液柱 壓力，以解決低壓易漏油層的固井漏失問題，并起到保護(hù)油層的作用。泡沫水泥漿雖然在50 多年前就己被用于建筑行業(yè)，但是在國內(nèi)，對使用泡沫水泥進(jìn)行固井施工的研究始于1985 年，隨后其相繼在各個油田得以研究和發(fā)展，此外隨著發(fā)泡和穩(wěn)泡技術(shù)的發(fā)展，以及固井設(shè) 備性能的提高，使得泡沫低密度水泥固井技術(shù)得到迅速發(fā)展，先后形成了物理發(fā)泡機械混 合和化學(xué)反應(yīng)發(fā)泡兩種施工技術(shù)。
[0003] 化學(xué)發(fā)泡產(chǎn)生的泡沫水泥漿在油田中主要是用在表層套管固井中起填充的作用。 由于化學(xué)發(fā)泡的水泥漿中含有強氧化劑，對泡沫水泥石的整體性能會產(chǎn)生破壞，且化學(xué)發(fā) 泡的化學(xué)劑中亞硝酸鹽和氨具有腐蝕性和毒性，亞硝酸鹽和氧化劑與水泥漿外加劑相互之 間的作用關(guān)系復(fù)雜，對于在油層和其他復(fù)雜地層的使用局限較多，所以沒有推廣。與化學(xué)反 應(yīng)生成氮氣相比，采用物理發(fā)泡機械混合技術(shù)，例如機械充氮所獲得的泡沫水泥的強度明 顯要高。隨著泡沫固井技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)盡管泡沫固井技術(shù)已在現(xiàn)場展開，但是對于物理發(fā) 泡的研究剛剛起步，且研究內(nèi)容主要集中在泡沫水泥漿配制方法、施工方法、工藝流程以及 相關(guān)固井理論等方面，在研究和應(yīng)用的廣度和深度上尚存在不足。
[0004] 例如，中國專利CN102632552A公開了一種泡沫水泥漿的生產(chǎn)方法和裝置，該方法 通過水泥漿攪拌主機攪拌輸出水泥漿，通過將實時測量的水泥漿流量與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比來 控制水泥漿流量，通過實時測量水泥漿比重和氣泡群密度獲得泡沫水泥漿容重，并將其與 預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比來控制泡沫水泥漿容重。該方法比較復(fù)雜，對人員的操作水平要求比較高。
[0005] 再例如，中國專利CN200920137636. 5公開了一種充氣泡沫水泥漿機械式配氣發(fā) 泡機組，該機組可以根據(jù)石油固井作業(yè)的不同需要，通過機械式連續(xù)配氣發(fā)泡配制出不同 密度的充氣泡沫水泥漿，該機組偏重于物理機械發(fā)泡，對泡沫水泥漿并不具有取樣和養(yǎng)護(hù) 的功能。
[0006] 顯然，現(xiàn)有泡沫水泥漿技術(shù)均存在這樣或那樣的問題，而新開發(fā)泡沫水泥漿技術(shù) 也不盡如人意，因此，要進(jìn)一步加強物理發(fā)泡技術(shù)在油田低密度固井【技術(shù)領(lǐng)域】的應(yīng)用，需要 加強實驗室模擬技術(shù)的研究。
[0007] 目前，實驗室內(nèi)對泡沫水泥漿的研究還僅限于從理論上對泡沫水泥漿的性能影響 規(guī)律進(jìn)行研究，例如，室內(nèi)模擬水泥車泵后充氮發(fā)泡，是將發(fā)泡液加入水泥漿中，通過常規(guī) 的泡沫水泥漿混合裝置，如常規(guī)固井水泥漿攪拌漿杯，通過改造成密閉攪拌漿杯。將水泥和 發(fā)泡液在攪拌漿杯里充氮攪拌生成泡沫水泥漿，攪拌結(jié)束后，必須泄壓后在常壓下測定泡 沫水泥漿密度和制取后續(xù)水泥石抗壓強度和滲透率實驗所需的模塊，整個過程不能在帶壓 的情況下進(jìn)行，沒有完全模擬現(xiàn)場固井施工過程。
[0008] 現(xiàn)場泡沫固井注水泥施工過程中，由于井下條件比較復(fù)雜，泡沫水泥漿的流動都 存在一定壓力，而且泡沫水泥漿的體積和密度變化都受壓力的影響，因此，上述常壓條件下 的泡沫水泥漿的室內(nèi)研究檢測不能準(zhǔn)確評價實際應(yīng)用過程中泡沫水泥漿的性能，這嚴(yán)重阻 礙了泡沫水泥漿的物理發(fā)泡的實驗室研究，進(jìn)而進(jìn)一步影響到物理發(fā)泡技術(shù)在油田低密度 固井【技術(shù)領(lǐng)域】的應(yīng)用。
[0009] 因此，目前存在的問題是需要研究開發(fā)一種可以在實驗室里模擬井下條件進(jìn)行 泡沫水泥漿配制和取樣的裝置，以及應(yīng)用該裝置配制泡沫水泥漿的方法，用來對泡沫水泥 漿的密度和強度變化規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確的評價，對現(xiàn)場推廣泡沫水泥漿的應(yīng)用具有指導(dǎo)性的作 用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種泡沫水泥漿配 制裝置，該裝置在密閉帶壓的條件下將水泥漿和發(fā)泡液通過充氮的方式循環(huán)混合均勻，并 通過調(diào)節(jié)充氮量和循環(huán)時間調(diào)節(jié)泡沫水泥漿的密度，同時平行的取樣系統(tǒng)可以用于測量帶 壓的條件下的泡沫水泥石相關(guān)性能參數(shù)，從而對泡沫水泥石的強度和滲透率變化規(guī)律進(jìn)行 評價。
[0011] 本發(fā)明還提供了一種上述泡沫水泥漿配制裝置在泡沫水泥漿固井模擬試驗中的 應(yīng)用，該應(yīng)用是模擬井下條件在密閉帶壓的條件下進(jìn)行泡沫水泥漿循環(huán)配漿及取樣，進(jìn)而 對泡沫水泥漿的密度和泡沫水泥石的強度變化規(guī)律進(jìn)行評價，從而對現(xiàn)場推廣泡沫水泥漿 的應(yīng)用提供指導(dǎo)。
[0012] 本發(fā)明還提供了一種上述泡沫水泥漿配制裝置在配制泡沫水泥漿中的應(yīng)用，該應(yīng) 用是在密閉帶壓的條件下進(jìn)行泡沫水泥漿循環(huán)配制及取樣檢測，由此配制出油田固井施工 所需密度的泡沫水泥漿，所獲得的泡沫水泥漿性能可以很好的滿足固井質(zhì)量要求。
[0013] 為此，本發(fā)明提供了一種泡沫水泥漿配制裝置，其包括用于混合泡沫水泥漿的混 合缸，和向所述混合缸供入原料的供料組件，其中，在所述混合缸內(nèi)設(shè)置有攪拌槳，所述攪 拌楽以500?600rpm的轉(zhuǎn)速攪拌混合泡沫水泥楽。
[0014] 本發(fā)明中，所述原料包括水泥漿和發(fā)泡添加劑。所述發(fā)泡添加劑包括發(fā)泡液和穩(wěn) 泡劑等。優(yōu)選所述發(fā)泡添加劑為發(fā)泡液。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明，在所述混合缸的上端還連通地設(shè)置有活塞缸，在所述活塞缸內(nèi)設(shè)置 有能沿所述缸體的軸線往復(fù)運動的第一活塞，其中，在所述第一活塞上設(shè)置有允許泡沫水 泥漿從所述混合缸內(nèi)部向所述活塞缸內(nèi)部流動的單向連通機構(gòu)。
[0016] 在本發(fā)明的一個實施方式中，所述單向連通機構(gòu)包括但不限于單向閥。
[0017] 在本發(fā)明的另一個實施方式中，上述活塞缸中的所述第一活塞的直徑為100? 150mm〇
[0018] 根據(jù)本發(fā)明，所述裝置還包括用于使泡沫水泥漿從所述活塞缸返回到混合缸的循 環(huán)管路。所述循環(huán)管路分別與所述混合缸和所述活塞缸相連，并與所述混合缸和所述活塞 缸構(gòu)成配料循環(huán)系統(tǒng)，用于泡沫水泥漿的循環(huán)配制，并通過調(diào)節(jié)循環(huán)時間來控制泡沫水泥 漿的密度。
[0019] 如上文所述，現(xiàn)場泡沫固井注水泥施工過程中，泡沫水泥漿的流動都存在一定壓 力，而且泡沫水泥漿的體積和密度變化都受壓力的影響，因此對泡沫水泥漿的物理發(fā)泡的 實驗室研究最關(guān)鍵的是模擬井下的帶壓的條件，要真實的測定泡沫水泥漿的性能，需在密 閉帶壓的條件下進(jìn)行。
[0020] 因此，在本發(fā)明中，所述裝置為密閉耐壓裝置，所述裝置中的接口均采用密封連 接，所述密封連接可以是任何密封連接，例如可以是絲扣密封連接、磁力攪拌密封連接或〇 型圈卯合密封連接等等。所述混合缸和所述活塞缸的缸體均由能夠至少承受6. 9MPa的壓 力的耐壓金屬材料構(gòu)成，其壁厚例如，可以為8?10mm。所述耐壓金屬材料優(yōu)選為不銹鋼材 料或鋁合金。所述循環(huán)管路中的管線均為無縫鋼管，其直徑為8?10mm。
[0021] 本發(fā)明中，所述混合缸和所述活塞缸既可以采用固定連接，例如焊接，也可以采用 可拆裝式連接。優(yōu)選所述混合缸和所述活塞缸以能拆裝的方式密封連接，例如，可以采用密 封圈密封，并以螺旋絲扣的方式或法蘭的方式連接。這樣的結(jié)構(gòu)使得混合缸和活塞缸可以 很方便的結(jié)合和分開，以方便徹底放出泡沫水泥漿，清洗活塞缸、混合缸以及攪拌漿。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明，所述裝置還包括取樣器，所述取樣器的進(jìn)口連通于活塞缸，所述取樣 器的出口連通于混合缸。所述取樣器與混合缸、活塞缸構(gòu)成取樣循環(huán)系統(tǒng)。在配料循環(huán)系 統(tǒng)關(guān)閉時，所述取樣循環(huán)系統(tǒng)既可以方便取樣檢測，也可以用于循環(huán)配料。
[0023] 在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施方式中，所述裝置還包括取樣器，所述取樣器的進(jìn)口 連通于所述循環(huán)管路的上游部分，所述取樣器的出口連通于所述循環(huán)管路的下游部分，由 此在循環(huán)管路上游部分和下游部分之間形成配料循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)回路；所述取樣器與配料 循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)回路形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并通過循環(huán)管路與混合缸、活塞缸構(gòu)成取樣循環(huán)系統(tǒng)。 這樣的結(jié)構(gòu)可以方便所述取樣器與所述活塞缸和所述混合缸的密封連接，有利于保證配料 循環(huán)系統(tǒng)的密閉，并且在循環(huán)管路上的循環(huán)回路關(guān)閉時，所述取樣循環(huán)系統(tǒng)既可用于循環(huán) 配料，也可以方便取樣檢測，例如可以用于檢測泡沫水泥漿的密度，并為后續(xù)泡沫水泥石強 度試驗制模。
[0024] 本發(fā)明中，所述取樣器由內(nèi)筒及外筒組成，這種結(jié)構(gòu)可以方便方便脫模。所述內(nèi)筒 具有兩瓣式結(jié)構(gòu)，所述外筒上下兩端設(shè)有手動球閥，這種結(jié)構(gòu)可以方便取下取樣器。
[0025] 在本發(fā)明的一個實施方式中，上述取樣器的內(nèi)筒的內(nèi)徑為50?60mm，長度為80? 100mm。
[0026] 在本發(fā)明中，所述活塞缸上還設(shè)置有卸荷組件，所述卸荷組件，例如，可以包括壓 力表、壓力傳感器和排氣卸荷閥。壓力表用于在線監(jiān)測活塞缸內(nèi)的壓力，排氣卸荷閥由排氣 閥和單向閥組成。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到排氣閥的開啟壓力6. 9MPa時，排氣閥自動開啟，系統(tǒng)壓 力卸荷至6.9MPa以下。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明，所述裝置還包括用于驅(qū)動活塞缸內(nèi)的活塞沿所述缸體的軸線往復(fù)運 動的活塞驅(qū)動裝置。
[0028] 在本發(fā)明的一個【具體實施方式】中，所述活塞驅(qū)動裝置包括氣動缸。在所述氣動缸 內(nèi)設(shè)置有能沿所述缸體的軸線往復(fù)運動的第二活塞，該第二活塞的下端與活塞驅(qū)動連桿的 一端相連，該活塞驅(qū)動連桿另一端與活塞缸內(nèi)的第一活塞的上端相連，由此可以驅(qū)動活塞 缸內(nèi)的第一活塞沿活塞缸體的軸線往復(fù)運動。在活塞驅(qū)動連桿上設(shè)置有限位裝置，可以將 活塞缸里的第一活塞行程限制在混合缸里攪拌漿之上和活塞缸上頂部之下的區(qū)間內(nèi)?；钊?缸中的第一活塞行程參數(shù)可以根據(jù)裝置參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。
[0029] 在本發(fā)明的另一個【具體實施方式】中，所述活塞驅(qū)動裝置還包括連接于氣動缸側(cè)壁 的供氣組件，其將所述氣體供入氣動缸，用于驅(qū)動氣動缸內(nèi)的第二活塞以及活塞缸內(nèi)的第 一活塞的運動，氣動缸的驅(qū)動壓力為〇. 5?I. OMPa。所述氣體包括但不限于高壓的壓縮空 氣和氮氣。優(yōu)選所述氣體為空氣。
[0030] 本發(fā)明中，在所述混合缸的側(cè)壁下端設(shè)置有排水組件。在所述混合缸的底部軸心 部位設(shè)置有攪拌驅(qū)動裝置。所述攪拌驅(qū)動裝置可以為任何驅(qū)動裝置，所述攪拌驅(qū)動裝置優(yōu) 選為磁力驅(qū)動裝置，該裝置應(yīng)用永磁材料或電磁鐵所產(chǎn)生的磁力作用，實現(xiàn)力或轉(zhuǎn)矩(功 率）無接觸傳遞，其優(yōu)點是可以將力的軸傳遞動力的動密封轉(zhuǎn)化為靜密封，實現(xiàn)動力的零泄 漏傳遞、可避免振動傳遞，實現(xiàn)機器的平穩(wěn)工作，且其主動件與被動件之間有間隙，結(jié)構(gòu)簡 單，維護(hù)方便。因此，采用該裝置可以有利于實現(xiàn)與混合缸的密封連接。
[0031] 在本發(fā)明中，所述供料組件包括水泥漿缸、向水泥漿缸供水的供水管路以及將水 泥漿缸中的水泥漿和發(fā)泡添加劑等供入混合缸的供料管路。
[0032] 在一個具體實施例中，所述供料管路的一端與水泥楽缸相連，另一端與混合缸相 連，在所述水泥漿缸和所述混合缸的供料管路上之間還設(shè)置有第三三通閥和排水口，所述 第三三通閥三個端口分別與所述水泥漿缸、所述混合缸和所述排水口相連通，用于切換并 連通水泥漿缸和所述混合缸之間的供料通道或所述水泥漿缸和排水口之間的排水通道。當(dāng) 供料組件處于供料狀態(tài)時，供料通道連通，將水泥漿、發(fā)泡添加劑等從水泥漿缸供入混合 缸。當(dāng)供料組件處于排水或清洗狀態(tài)時，排水通道聯(lián)通，將所述水泥漿缸內(nèi)多余的水泥漿、 發(fā)泡添加劑或清洗液從排水口排出。
[0033] 在本發(fā)明中，所述泡沫水泥漿配制裝置還包括用于向所述混合缸供入氮氣的供氮 組件。所述供氮組件，例如，可以包括高壓氮氣源、流量計、兩通閥以及單向閥。
[0034] 在本發(fā)明的一個【具體實施方式】中，將水泥漿和發(fā)泡添加劑放入水泥漿缸中，并通 過供料管路將水泥漿和發(fā)泡添加劑供入混合缸，然后關(guān)閉供料管路；同時，打開供氮管路的 閥門和高壓氮氣源，向混合缸中供入氮氣，壓力值可以根據(jù)試驗條件或現(xiàn)場操作條件設(shè)定； 混合缸內(nèi)的水泥漿、發(fā)泡液與氮氣在密閉帶壓的條件下通過磁力攪拌形成具有成膜微氣泡 球狀結(jié)構(gòu)的泡沫水泥漿，啟動氣動缸推動混合缸和活塞缸里的活塞運動，建立配料循環(huán)通 道，通過配料循環(huán)系統(tǒng)將泡沫水泥漿混合均勻，并通過調(diào)節(jié)充氮量和配料循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán) 時間調(diào)節(jié)泡沫水泥漿的密度，制得所需密度的泡沫水泥漿。
[0035] 根據(jù)本發(fā)明，所述裝置還包括電腦控制系統(tǒng)，其主要采集活塞缸中端活塞上下壓 力、氮氣注入壓力和循環(huán)系統(tǒng)排量，利用電腦控制系統(tǒng)還可以根據(jù)本發(fā)明裝置的參數(shù)設(shè)定 并控制活塞缸中的活塞行程參數(shù)，并根據(jù)試驗條件或現(xiàn)場操作條件設(shè)定并控制活塞缸中的 活塞上下壓力、氮氣注入壓力、配料循環(huán)系統(tǒng)及取樣循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)時間等。
[0036] 本發(fā)明還提供了一種根據(jù)上文中所述的裝置在泡沫水泥漿固井模擬試驗中的應(yīng) 用，其包括：
[0037] 步驟A，在壓力為0· 5?6. 9MPa的條件下配制泡沫水泥漿；
[0038] 步驟B，在壓力為0. 5?6. 9MPa的條件下對步驟A中所配制的泡沫水泥漿進(jìn)行取 樣。
[0039] 本發(fā)明還進(jìn)一步提供了一種根據(jù)上文中所述的裝置在配制泡沫水泥漿中的應(yīng)用， 其包括在壓力為0. 5?6. 9MPa的條件下配制泡沫水泥漿的步驟。
[0040] 在本發(fā)明的一個【具體實施方式】中，采用上文中所述泡沫水泥漿配制裝置在IMPa 條件下對密度為I. 88g/cm3的水泥漿進(jìn)行循環(huán)配料，通過供料組件將650mL的水泥漿、10? 15mL的發(fā)泡液以及0. 5g的穩(wěn)泡劑供入混合缸，在混合缸內(nèi)經(jīng)過攪拌器充分?jǐn)嚢杌旌虾笸?過配料循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)3min，關(guān)閉配料循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)回路，打開取樣循環(huán)系統(tǒng)，繼續(xù)循環(huán) 2min，關(guān)閉整個循環(huán)系統(tǒng)取下取樣器，并通過質(zhì)量體積法測得帶壓下泡沫水泥漿的密度為 0. 82g/cm3 ;重復(fù)同樣的取樣操作，并將取樣器放入55°C水浴鍋養(yǎng)護(hù)24h，脫模測定泡沫水泥 石的強度和滲透率。因此，可以認(rèn)為，采用本發(fā)明的泡沫水泥漿配制裝置能夠在帶壓條件下 進(jìn)行泡沫水泥漿配制、取樣以及相關(guān)參數(shù)的測定，可以用于實驗室里有效模擬井下條件進(jìn) 行泡沫水泥漿固井試驗，也可以用于油田現(xiàn)場配制泡沫水泥漿。
[0041] 本發(fā)明中所述用語"循環(huán)管路上游部分"是指使泡沫水泥漿從所述活塞缸返回到 所述混合缸的循環(huán)管路中靠近所述活塞缸的部分。
[0042] 同樣，本發(fā)明中所述用語"循環(huán)管路下游部分"是指使泡沫水泥漿從所述活塞缸返 回到所述混合缸的循環(huán)管路中靠近所述混合缸的部分。
[0043] 本發(fā)明中所述用語"循環(huán)回路的上游端"是指使泡沫水泥漿從所述活塞缸返回到 所述混合缸的循環(huán)回路中靠近所述活塞缸或取樣器的進(jìn)口的端部。
[0044] 同樣，本發(fā)明中所述用語"循環(huán)管路的下游端"是指使泡沫水泥漿從所述活塞缸返 回到所述混合缸的循環(huán)回路中靠近所述混合缸或取樣器的出口的端部。
[0045] 本發(fā)明中所述用語"關(guān)閉整個循環(huán)系統(tǒng)"是指同時關(guān)閉配料循環(huán)系統(tǒng)和取樣循環(huán) 系統(tǒng)，或者同時關(guān)閉配料循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)回路和取樣循環(huán)系統(tǒng)。
[0046] 本發(fā)明中所述用語"水泥石"，在沒有特別指明的情況下，是指水泥漿固化后獲得 的產(chǎn)物。
[0047] 本發(fā)明中所述用語"泡沫水泥石"，是指泡沫水泥漿固化后獲得的產(chǎn)物。
[0048] 本發(fā)明中所述用語"發(fā)泡液百分比（BW0C)"為基于水泥漿質(zhì)量的發(fā)泡液百分比，亦 即發(fā)泡液占水泥質(zhì)量的百分比。
[0049] 本發(fā)明中水泥漿的密度是在水泥漿配制完成后，在放入水泥漿缸之前采用常規(guī)密 度計進(jìn)行測量而得。
[0050] 本發(fā)明中泡沫水泥漿的密度采用質(zhì)量體積法進(jìn)行測量，具體方法如下：
[0051] 在本發(fā)明的泡沫水泥漿配制裝置中，在0. 5?I. OMPa以及常溫條件下通過配料 循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行泡沫水泥漿的循環(huán)配制，并通過取樣循環(huán)系統(tǒng)取樣。取樣后，測量取樣器取 樣前后的質(zhì)量，已知取樣器內(nèi)容積，根據(jù)取樣前后質(zhì)量差就可以計算泡沫水泥漿在〇. 5? 1. OMPa和常溫條件下的密度。
[0052] 本發(fā)明中泡沫水泥石的強度和滲透率的測量方法是：在泡沫水泥漿配制裝置中， 在0. 5?I. OMPa以及常溫條件下通過配料循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行泡沫水泥漿的循環(huán)配制，并通過 取樣循環(huán)系統(tǒng)取樣。取樣后，將取樣器整體放入水浴鍋內(nèi)在50?90°C條件下進(jìn)行24? 28小時的強度養(yǎng)護(hù)，然后脫模取出泡沫水泥石，通過水泥石抗壓強度測試儀（4017D，美國 Chandler公司）測定泡沫水泥石的強度，并通過全自動氣體滲透率測試儀（UltraPerm500， 美國CoreLab公司）測定泡沫水泥石的滲透率。
[0053] 根據(jù)本發(fā)明的泡沫水泥漿配制裝置主要包括混合缸、與活塞缸相連通的活塞缸、 使泡沫水泥漿從所述活塞缸返回到混合缸的循環(huán)管路以及并聯(lián)連接于循環(huán)管路上下游之 間的取樣器；循環(huán)管路與混合缸、活塞缸構(gòu)成配料循環(huán)系統(tǒng)，取樣器通過循環(huán)管路與混合 缸、活塞缸構(gòu)成取樣循環(huán)系統(tǒng)；利用本發(fā)明裝置，泡沫水泥漿的配制和取樣的整個過程都 在帶壓的條件下進(jìn)行，水泥漿和發(fā)泡添加劑通過充氮的方式在配料循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)混合均 勻，并形成具有成膜微氣泡球狀結(jié)構(gòu)的泡沫水泥漿；可以通過調(diào)節(jié)充氮量和配料循環(huán)系統(tǒng) 的循環(huán)時間調(diào)節(jié)泡沫水泥漿的密度，通過配料循環(huán)系統(tǒng)對充氮量和循環(huán)時間與泡沫水泥漿 的密度變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)評價，同時平行的取樣循環(huán)系統(tǒng)可以用于測量帶壓條件下的泡沫 水泥石的強度和滲透率等相關(guān)性能參數(shù)，這有利于對找到泡沫水泥石強度和滲透率隨壓力 的變化規(guī)律，從而對泡沫水泥漿的密度和泡沫水泥石的強度和滲透率變化規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確的 評價，對現(xiàn)場推廣泡沫水泥漿的應(yīng)用具有指導(dǎo)性的作用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0054] 下面結(jié)合附圖來對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明：
[0055] 圖1為泡沫水泥漿配制裝置原理圖。
[0056] 圖中附圖標(biāo)記的含義如下：1三通閥的端口 1 ;2三通閥的端口 2 ;3三通閥的端口 3 ;11混合缸；12攪拌槳；13活塞缸；14密封圈；15螺旋絲扣；16活塞；17第一單向閥；18排 水管路；19第二單向閥；20第三單向閥；21第一三通閥；22第二三通閥；23第一截止閥；24 第二截止閥；25取樣器進(jìn)口；26取樣器出口；27取樣器；28取樣器內(nèi)筒；29取樣器外筒；30 手動球閥；31循環(huán)回路；32壓力表；33壓力傳感器；34第四單向閥；35排氣閥；36氣動缸； 37第二活塞；38活塞驅(qū)動連桿；39限位裝置；40供氣組件；41排水組件；42磁力攪拌驅(qū)動 裝置；43水泥漿缸；44供料管路；45供水管路；46供氮組件。

【具體實施方式】
[0057] 下面將結(jié)合實施例和附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明，這些實施例和附圖僅起說明性作 用，并不局限于本發(fā)明的應(yīng)用范圍。各實施例中的材料均為現(xiàn)場用工業(yè)品。
[0058] 圖1為泡沫水泥漿配制裝置原理圖。如圖1所示，本發(fā)明的泡沫水泥漿配制裝置 包括用于混合泡沫水泥漿的混合缸11，在混合缸11內(nèi)設(shè)置有攪拌槳12,其以500?600rpm 的轉(zhuǎn)速攪拌混合泡沫水泥漿；在混合缸11的上端還連通地設(shè)置有活塞缸13,混合缸11和 活塞缸13之間采用密封圈14密封，并采用密封絲扣15密封連接。在活塞缸13內(nèi)設(shè)置有 能沿所述缸體的軸線往復(fù)運動的第一活塞16,第一活塞16的直徑為100?150mm，在第一 活塞16上設(shè)置有允許泡沫水泥漿從混合缸11內(nèi)部向活塞缸13內(nèi)部流動的第一單向閥17。
[0059] 在活塞缸13和混合缸11的側(cè)壁連接有用于使泡沫水泥漿從活塞缸13返回到混 合缸11的循環(huán)管路18,在循環(huán)管路18的上游部分設(shè)置有第二單向閥19,在循環(huán)管路18的 下游部分設(shè)置有第三單向閥20,循環(huán)管路18與混合缸11和活塞缸13構(gòu)成用于循環(huán)配制泡 沫水泥漿的配料循環(huán)系統(tǒng)，第二單向閥19和第三單向閥20用于調(diào)節(jié)配料循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán) 時間以控制泡沫水泥漿的密度。
[0060] 在一個優(yōu)選實施例中，泡沫水泥漿配制裝置還包括取樣器27,取樣器27的取樣器 進(jìn)口 25通過第一三通閥21連通于循環(huán)管路18的上游部分，取樣器27的取樣器出口 26通 過第二三通閥22連通于循環(huán)管路18的下游部分，由此通過第一三通閥21和第二三通閥22 在循環(huán)管路18的上游部分和下游部分之間形成配料循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)回路31，在取樣器27 的取樣器進(jìn)口 25與第一三通閥21之間還設(shè)置有第一截止閥23,在取樣器27的取樣器出口 26與第二三通閥22之間設(shè)置有第二截止閥24。
[0061] 取樣器27通過兩個三通閥21和22與配料循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)回路31形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)， 并通過兩個三通閥21和22進(jìn)行切換，取樣器27通過循環(huán)管路18與混合缸11、活塞缸13 構(gòu)成用于泡沫水泥漿的循環(huán)及取樣的取樣循環(huán)系統(tǒng)。
[0062] 第一三通閥21的端口 1與循環(huán)管線18的上游部分相連通，端口 2與取樣器27的 取樣器進(jìn)口 25相連通，端口 3與循環(huán)回路31的上游端相連通；第二三通閥22的端口 1與 循環(huán)管線18的下游部分相連通，端口 2與取樣器27的取樣器出口 26相連通，端口 3與循 環(huán)回路31的下游端相連通。
[0063] 當(dāng)泡沫水泥漿配制裝置處于配料循環(huán)狀態(tài)時，調(diào)整三通閥21和22,使第一三通閥 21的端口 1和端口 3相連通，使第二三通閥22的端口 1和端口 3相連通，使循環(huán)回路31 連通，打開單向閥19和20,使整個配料循環(huán)系統(tǒng)連通，可以對泡沫水泥漿進(jìn)行循環(huán)配制，同 時，可以通過調(diào)節(jié)單向閥19和20來控制配料循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)時間，由此控制泡沫水泥漿的 密度。
[0064] 當(dāng)泡沫水泥漿配制裝置處于取樣循環(huán)狀態(tài)時，調(diào)整三通閥21和21，使第一三通閥 22的端口 1和端口 2相連通，使第二三通閥22的端口 1和端口 2相連通，使循環(huán)回路31關(guān) 閉，配料循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉，同時，打開截止閥23和24,使取樣循環(huán)系統(tǒng)連通，此時，取樣循環(huán)系 統(tǒng)既可用于循環(huán)配料，也可以方便取樣檢測，例如可以用于檢測泡沫水泥漿的密度，并為后 續(xù)泡沫水泥石強度試驗制模。
[0065] 本發(fā)明中，取樣器27由取樣器內(nèi)筒28及取樣器外筒29組成以方便脫模，取樣器 內(nèi)筒28具有兩瓣式結(jié)構(gòu)，且取樣器內(nèi)筒28的內(nèi)徑為50?60mm，長度為80?100mm，取樣 器外筒29上下兩端設(shè)有手動球閥30以方便取下取樣器27。
[0066] 在一個優(yōu)選實施例中，在活塞缸13上還設(shè)置有卸荷組件，其包括壓力表32、壓力 傳感器33、第四單向閥34和排氣閥35。在第四單向閥34打開的條件下，壓力表32用于在 線監(jiān)測活塞缸13內(nèi)的壓力，并在活塞缸13內(nèi)的壓力大于壓力傳感器33的設(shè)定值6. 9MPa 時自動打開排氣閥35卸荷。
[0067] 在另一個優(yōu)選實施例中，泡沫水泥漿配制裝置還包括用于驅(qū)動活塞缸13內(nèi)的第 一活塞16沿所述缸體的軸線往復(fù)運動的活塞驅(qū)動裝置，其包括氣動缸36,在氣動缸36內(nèi)設(shè) 置有能沿所述缸體的軸線往復(fù)運動的第二活塞37,第二活塞37的下端與活塞驅(qū)動連桿38 的一端相連，活塞驅(qū)動連桿38另一端與活塞缸13內(nèi)的第一活塞16的上端相連，由此可以 驅(qū)動活塞缸13內(nèi)的第一活塞16沿所述缸體的軸線往復(fù)運動。在活塞驅(qū)動連桿38上設(shè)置 有限位裝置39,用于將活塞缸13內(nèi)的第一活塞16行程限制在混合缸11內(nèi)的攪拌漿12之 上和活塞缸13的上頂部之下的區(qū)間內(nèi)。
[0068] 在又一優(yōu)選實施例中，氣動缸36的側(cè)壁連接有供氣組件40,其將高壓氣體，例如 空氣供入氣動缸36,用于驅(qū)動氣動缸36內(nèi)的第二活塞37以及活塞缸內(nèi)的第一活塞16的運 動，氣動缸36的驅(qū)動壓力為0· 5?I. OMPa。
[0069] 本發(fā)明中，在混合缸11側(cè)壁的下端設(shè)置有排水組件41。在混合缸11的底部軸心 部位設(shè)置有磁力攪拌驅(qū)動裝置42。
[0070] 在本發(fā)明的一個實施例中，在混合缸11的側(cè)壁連接有向其供入水泥漿和發(fā)泡添 加劑的供料組件，其包括水泥漿缸43,在水泥漿缸43的底部連接有將水泥漿和發(fā)泡添加劑 供入混合缸11的供料管路44和向水泥漿缸43供水的供水管路45。
[0071] 在混合缸11的側(cè)壁還連接有供氮組件46,其用于將高壓氮氣供入混合缸11。在 一個優(yōu)選的實施例中，供氮組件46包括高壓氮氣源、流量計、兩通閥以及單向閥。
[0072] 在一個優(yōu)選實施例中，泡沫水泥漿配制裝置還包括電腦控制系統(tǒng)，其主要采集活 塞缸13中的活塞16上下壓力，氮氣注入壓力，配料循環(huán)系統(tǒng)的排量。
[0073] 上述泡沫水泥漿配制裝置為密閉耐壓裝置，其中的接口均采用密封絲扣連接。混 合缸11和活塞缸13的缸體均由能夠至少承受6. 9MPa的壓力的耐壓不銹鋼材料(含鉻 12wt%?30wt%的鐵素體不銹鋼）構(gòu)成，并且其壁厚為8?10mm。循環(huán)管路39中的管線均 為無縫鋼管，其直徑為8?10mm。
[0074] 將本發(fā)明的泡沫水泥漿配制裝置應(yīng)用于泡沫水泥漿固井模擬試驗，其包括以下步 驟：
[0075] ( 1)實驗開始前，檢查管路連接，閥門是否關(guān)閉。
[0076] (2)將配制好的水泥漿和發(fā)泡添加劑放入水泥漿缸43內(nèi)，蓋好水泥漿缸43上蓋 (圖中未示出），通過螺紋絲扣蓋嚴(yán)密封，將水泥漿和發(fā)泡添加劑通過供料管路44注入混合 缸11內(nèi)。
[0077] (3)再次檢查各個管路和裝置的密封狀況，并設(shè)定實驗所需的壓力、循環(huán)時間和活 塞行程參數(shù)。監(jiān)控供氮組件內(nèi)的氮氣壓力，使其滿足實驗要求；
[0078] (4)打開磁力攪拌驅(qū)動裝置42攪拌混合泡沫水泥漿，啟動氣動缸36推動活塞缸 13內(nèi)的第一活塞16沿所述缸體的軸線往復(fù)運動，建立配料循環(huán)通道；同時，調(diào)整循環(huán)管路 18上的三通閥21和22,使第一三通閥21的端口 1和端口 3相連通，第二三通閥22的端口 1和端口 3相連通，使循環(huán)回路31連通，打開單向閥19和20,連通整個配料循環(huán)系統(tǒng)，對泡 沫水泥漿進(jìn)行循環(huán)配制，同時，通過調(diào)節(jié)單向閥19和20來控制配料循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)時間， 由此控制泡沫水泥漿的密度；建立氣動缸36和活塞缸13內(nèi)的氣體壓力動態(tài)平衡，保證活塞 缸13內(nèi)的第一活塞16能沿活塞缸13的軸線往復(fù)運動，維持氣動缸36和活塞缸13的壓力 差范圍在0. IMPa左右。
[0079] (5)水泥漿和發(fā)泡液在配料循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)混合，到達(dá)設(shè)定時間值，例如3min后， 調(diào)整循環(huán)管路18上的三通閥21和22,使第一三通閥21的端口 1和端口 2相連通，第二三 通閥22的端口 1和端口 2相連通，使循環(huán)回路31關(guān)閉，關(guān)閉配料循環(huán)系統(tǒng)，同時，打開截止 閥23和24,使取樣循環(huán)系統(tǒng)連通，取樣循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)相應(yīng)的時間，例如2min后，關(guān)閉三通閥 21和22,取下取樣器27進(jìn)行后續(xù)檢測評價試驗。
[0080] 實施例
[0081] 實例 1 :
[0082] 將650mL密度為I. 88g/cm3水泥漿和IOmL的發(fā)泡液供入泡沫水泥漿配料循環(huán)系 統(tǒng)中的混合缸11中，實驗壓力為0. 5?I. OMPa。配料循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)時間為3min，取樣循 環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)時間為2min。取樣循環(huán)完成后，取下取樣器27進(jìn)行后續(xù)檢測評價試驗，結(jié)果 見表1。
[0083] 實例 2 :
[0084] 將650mL密度為I. 88g/cm3水泥漿和15mL的發(fā)泡液供入泡沫水泥漿配料循環(huán)系 統(tǒng)中的混合缸11中，實驗壓力為0. 5?I. OMPa。配料循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)時間為3min，取樣循 環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)時間為2min。取樣循環(huán)完成后，取下取樣器27進(jìn)行后續(xù)檢測評價試驗，結(jié)果 見表1。
[0085] 實例 3 :
[0086] 將650mL密度為I. 88g/cm3水泥楽和IOmL的發(fā)泡液供入泡沫水泥楽配料循環(huán)系 統(tǒng)中的混合缸11中，實驗壓力為0. 5?I. OMPa。配料循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)時間為5min，取樣循 環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)時間為3min。取樣循環(huán)完成后，取下取樣器42進(jìn)行后續(xù)檢測評價試驗，結(jié)果 見表1。
[0087] 表 1

【權(quán)利要求】
1. 一種泡沫水泥漿配制裝置，其包括用于混合泡沫水泥漿的混合缸，和向所述混合缸 供入原料的供料組件，其中，在所述混合缸內(nèi)設(shè)置有攪拌槳。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在所述混合缸的上端還連通地設(shè)置有活 塞缸，在所述活塞缸內(nèi)設(shè)置有能沿所述缸體的軸線往復(fù)運動的第一活塞，其中，在所述第一 活塞上設(shè)置有允許泡沫水泥漿從所述混合缸內(nèi)部向所述活塞缸內(nèi)部流動的單向連通機構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括用于使泡沫水泥漿從 所述活塞缸返回到混合缸的循環(huán)管路。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項所述的裝置，其特征在于， 所述裝置中的接口均采用密封連接； 所述混合缸和所述活塞缸的缸體均由能夠至少承受6. 9MPa的壓力的耐壓金屬材料構(gòu) 成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1到4中任意一項所述的裝置，其特征在于，所述混合缸和所述活塞缸 以能拆裝的方式密封連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1到5中任意一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括取樣器， 所述取樣器的進(jìn)口連通于活塞缸，所述取樣器的出口連通于混合缸。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1到5中任意一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括取樣器， 所述取樣器的進(jìn)口連通于所述循環(huán)管路的上游部分，所述取樣器的出口連通于所述循環(huán)管 路的下游部分。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置，其特征在于， 所述取樣器由內(nèi)筒及外筒組成； 所述內(nèi)筒具有兩瓣式結(jié)構(gòu)，所述外筒上下兩端設(shè)有手動球閥。
9. 一種根據(jù)權(quán)利要求1到8中任意一項所述的裝置在泡沫水泥漿固井模擬試驗中的應(yīng) 用，其包括： 步驟A，在壓力為0. 5?6. 9MPa的條件下配制泡沫水泥漿； 步驟B，在壓力為0. 5?6. 9MPa的條件下對步驟A中所配制的泡沫水泥漿進(jìn)行取樣。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1到8中任意一項所述的裝置在配制泡沫水泥漿中的應(yīng)用，其包括在 壓力為〇. 5?6. 9MPa的條件下配制泡沫水泥漿的步驟。
【文檔編號】G01N1/38GK104227846SQ201310248433
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月21日
【發(fā)明者】劉建, 劉偉, 丁士東, 桑來玉, 周仕明, 張林海, 汪曉靜, 劉學(xué)鵬, 陶謙, 周體秋 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院