一种泡沫水泥浆发生器和水泥浆带压充气装置及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术涉及固井泡沫水泥浆领域，具体提供了一种可用于制备油气井固井用泡沫水泥浆的泡沫发生器，以及基于该泡沫发生器的水泥浆带压充气装置及其应用。本发明专利技术利用结构简单、设计合理的泡沫发生器以及其他简单部件构造可实现高压条件下进行泡沫和泡沫水泥浆取样的装置，为高压泡沫水泥性能的真实评价奠定基础，进而为泡沫水泥固井优化提供可靠的实验指导。

Foam cement slurry generator and cement slurry pressurized charging device and its application

The invention relates to the field of well cementing foam cement slurry, and specifically provides a foam generator which can be used for preparing foam cement slurry for oil and gas well cementing, and a cement slurry pressurized charging device based on the foam generator and its application. The invention uses a foam generator with simple structure and reasonable design and other simple components to construct a device for sampling foam and foam cement slurry under high pressure conditions, so as to lay a solid foundation for the real evaluation of the properties of high-pressure foam cement, thereby providing reliable experimental guidance for the optimization of foam cement cementing.

【技术实现步骤摘要】
一种泡沫水泥浆发生器和水泥浆带压充气装置及其应用
本专利技术属于固井泡沫水泥浆领域，具体涉及一种可用于制备油气井固井用水泥浆的泡沫水泥浆发生器，还涉及一种水泥浆带压充气、例如高压充氮的模拟装置以及水泥浆带压充气方法。
技术介绍
泡沫水泥浆以气体(如空气或氮气等)作为减轻剂，通过在水泥浆中引入气体，并在发泡剂或稳泡剂的作用下形成。实践表明，泡沫水泥浆具有良好的防漏、防窜的能力，可压缩性强，有利于保持泡沫水泥环的完整性。根据发气方式不同，泡沫水泥浆的发泡方式分为两种：化学发泡与充气发泡。化学发泡方式存在发气量小，化学反应过程不易控制，密度降低有限等特点。因此，国外主要发展充气发泡技术，即在掺混有发泡剂、稳泡剂的水泥浆中，以直接充气的方式产生泡沫水泥浆，可实现任意设计气量充入。目前实验室主要采取高速搅拌(转速12000r/min)的方式在大气压条件下进行水泥浆发泡，而现场固井过程则是将高压氮气泵送至泡沫发生器中与水泥浆混合进行发泡。并且，所采用的泡沫发生器为常规固井水泥浆搅拌浆杯，发泡效果不佳，且不能带压取样测试；或者是经过改造的密闭搅拌浆杯，结构复杂，且同样难以实现特定压力下取样测试。事实表明，现场泡沫水泥样品与实验室样品存在较大差异，主要表现为泡沫直径小、泡沫稳定性强等。因此，常压条件下的泡沫水泥浆的室内研究检测不能准确地评价实际应用过程中泡沫水泥浆的性能，从而不能有效地指导油气井高压注气环境下所需泡沫水泥浆性能的选择。因此，需要开发一种结构简单、有助于提高充气发泡效果且可帮助实现带压取样的泡沫水泥浆发生器，以及一种可实现现场高压注气产生泡沫水泥过程模拟与泡沫水泥带压取样分析的水泥浆带压充气模拟装置，为高压注气环境下泡沫水泥特性研究提供基础。
技术实现思路
基于上述本领域现有技术现状，本专利技术针对现有水泥浆搅拌浆杯或改造水泥浆搅拌浆杯发泡效果不佳或结构复杂且不适用于带压取样，以及现有搅拌式发泡系统不能完全模拟固井现场高压注气发泡过程或不能带压取样等缺陷，旨在提供一种泡沫水泥浆发生器和一种水泥浆带压充气物理模拟实验装置，以及水泥浆带压充气方法，以实现现场高压注气产生泡沫水泥过程模拟与泡沫水泥带压取样分析，为高压注气环境下泡沫水泥特性研究提供基础，并指导油气井高压注气环境下泡沫水泥体系的应用选择。根据本专利技术的一个方面，提供了一种泡沫水泥浆发生器，其包括混合均泡室，所述混合均泡室的顶部设有水泥浆入口，侧面设有气体入口和泡沫水泥浆出口；其中，所述混合均泡室内部还设有均泡扰流组件。其中，气体入口和泡沫水泥浆出口分别设于混合均泡室的相对的两个侧面上。根据本专利技术的优选实施方式，所述混合均泡室包括相互贯通的混合腔和均泡腔，水泥浆入口和气体入口设在混合腔，泡沫水泥浆出口设在均泡腔，并且所述均泡扰流组件设在均泡腔内。优选地，均泡腔与混合腔的体积比在3-6：1。根据本专利技术的优选实施方式，所述均泡扰流组件为螺旋组块、若干珠子或若干依次排布的孔板。优选地，水泥浆入口和气体入口分别设置有喷嘴。水泥浆和气体以喷射的形式进入混合均泡室中进行混合。根据本专利技术的优选实施方式，所述气体入口设有喷嘴，在喷嘴和混合均泡室之间设有挡流组件，所述挡流组件优选为单向阀。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种水泥浆带压充气装置，包括：根据本专利技术提供的如上所述的泡沫水泥浆发生器，向所述发生器供入气体的气源，水泥浆配制容器，将水泥浆从所述水泥浆配制容器供入所述发生器的泵，和设于连接所述发生器的出口的管路上的取样器。在本专利技术的一些具体实施方式中，连接所述发生器的出口的管路上还设有回压控制器。所述回压调节器可以是可调式小型节流阀或针型节流阀门，连接在泡沫发生器水泥浆出口端。根据本专利技术的一些优选实施方式，取样器和回压控制器从管道的上游至下游依次设置。所谓上游至下游是指装置在运行中，物流在管道中的流动方向。换句话说，取样器设在回压控制器前端。所谓前端是基于泡沫水泥浆流向来限定，即取样器设在距离发生器出口较近的一端，而回压控制器设在距离发生器出口较远的一端。根据本专利技术的一些优选实施方式，所述管路上进一步地还设有压力表。即在回压调节器前端安装有压力表。回压值可设定为0-5MPa，可以实现在0-5MPa下泡沫水泥浆取样。根据本专利技术的一些优选实施方式，所述取样器、压力表和回压控制器从管道的上游至下游依次设置。即，沿着泡沫水泥浆从发生器流出方向，依次设置取样器、压力表和回压控制器。在本专利技术的一些具体实施方式中，在气源和发生器之间的管路上设有用于监控气体的减压阀和/或流量计。减压阀用于控制气体进入发生器的压力。气体流量计可选用质量流量计或金属浮子流量计，用以监控和记录氮气瓶出口流量。根据本专利技术，所述水泥浆配制容器可设有搅拌组件，例如搅拌叶，用以搅拌水泥浆；优选其容量可满足一次配制水泥浆30-50L。所述水泥浆配制容器还可设有出口阀门，以便控制水泥浆配制完成后被输送至泡沫水泥浆发生器中。根据本专利技术，用于将水泥浆从所述水泥浆配制容器供入所述发生器的泵优选为螺杆泵，所述螺杆泵优选为单螺杆泵，可以泵送高粘、含固相流体；具体可以是微型单螺杆泵，最大出口压力例如达到6MPa。螺杆泵可进行变速调节，用以控制供应水泥浆量。螺杆泵可通过高压管汇与泡沫发生器径向供浆端连接。根据本专利技术，所述取样器优选为含内置活塞的圆筒式取样器，材质无缝钢管，内径25-50mm，高度50-100mm，在取样器两端均安装有阀门。根据本专利技术，所述气源优选为氮气源或空气源。在一个具体实施方式中，高压氮气瓶或氮气瓶组和减压阀用以模拟现场液氮泵车，通过耐高压管汇与泡沫发生器轴向进气端连接，用以供应高压氮气，并调节供氮气压力在例如0-10MPa间控制供气量。根据本专利技术，所述装置中的接口均以密封连接。根据本专利技术，所述装置中涉及的管路优选采用高压管线，尤其是高压软管线。管线的内径例如可以是0.5英寸。根据本专利技术，如无特别说明，所述装置中涉及的阀门优选采用高压球阀。根据本专利技术的再一方面，提供了一种根据本专利技术提供的如上所述的装置在水泥浆带压充气物理模拟试验中的应用方法，包括：步骤A、在水泥浆配制容器中混配水泥浆，其中添加发泡剂和稳泡剂；步骤B、启动泵，使水泥浆从所述水泥配制容器注入泡沫水泥浆发生器中；步骤C、打开气源开关，使气体进入泡沫发生器；任选地，步骤D、调节回压控制器，使连接所述发生器的出口的管路上回压至设定压力；和步骤E、打开取样器阀门，利用取样器带压收集泡沫水泥浆。在本专利技术的一些具体实施方式中，步骤C中，调节进入泡沫发生器的气体压力在0-10MPa，优选0.5-7MPa，例如1.0MPa、2.0MPa、3.0MPa、4.0MPa、5.0MPa或6.0MPa。步骤C中，气体压力可以通过设于气源和发生器之间的减压阀控制，其流量可以通过流量计来监控。在本专利技术中，步骤D为任选步骤，即当希望在某个设定的压力下取样时，则需要步骤D调节回压控制器，使连接所述发生器的出口的管路上回压至设定压力，然后取样。在不需要精确压力下取样时，则可以省去步骤D。在本专利技术的一些具体实施方式中，步骤D中，所述设定压力为0-6MPa，优选0.5-5MPa，例如1.0MPa、2.0MPa、3.0MPa或4.0MPa。在步骤A中，所使用的发泡剂和稳泡剂可以选自本领本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种泡沫水泥浆发生器，其特征在于，包括混合均泡室，所述混合均泡室的顶部设有水泥浆入口，侧面设有气体入口和泡沫水泥浆出口；所述混合均泡室内还设有均泡扰流组件。

【技术特征摘要】
1.一种泡沫水泥浆发生器，其特征在于，包括混合均泡室，所述混合均泡室的顶部设有水泥浆入口，侧面设有气体入口和泡沫水泥浆出口；所述混合均泡室内还设有均泡扰流组件。2.根据权利要求1所述的泡沫水泥浆发生器，其特征在于，所述混合均泡室包括相互贯通的混合腔和均泡腔，水泥浆入口和气体入口设在混合腔，泡沫水泥浆出口设在均泡腔，并且所述均泡扰流组件设在均泡腔内。3.根据权利要求1或2所述的泡沫水泥浆发生器，其特征在于，所述均泡扰流组件为螺旋组块、若干珠子或若干依次排布的孔板。4.根据权利要求1-3中任一项所述的泡沫水泥浆发生器，其特征在于，所述气体入口设有喷嘴，在喷嘴和混合均泡室之间设有挡流组件，所述挡流组件优选为单向阀。5.一种水泥浆带压充气装置，包括：如权利要求1-4中任一项所述的泡沫水泥浆发生器，向所述泡沫水泥浆发生器供入气体的气源，水泥浆配制容器，将水泥浆从所述水泥浆配制容器供入所述泡沫水泥浆发生器的泵，优选螺杆泵，以及设于连接所述泡沫水泥浆发生器的泡沫水泥浆出口的管路上的取样器。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖京男，高元，曾敏，周仕明，丁士东，桑来玉，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11