CN104227846A - 一种泡沫水泥浆配制装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种泡沫水泥浆配制装置，该装置主要包括由循环管路与混合缸、活塞缸构成配料循环系统以及由取样器通过循环管路与与混合缸、活塞缸构成取样循环系统；利用该装置，泡沫水泥浆的配制和取样的整个过程都在带压的条件下进行，水泥浆和发泡添加剂通过充氮的方式在配料循环系统内循环混合均匀，并形成具有成膜微气泡球状结构的泡沫水泥浆；通过调节充氮量和配料循环系统的循环时间调节泡沫水泥浆的密度；通过配料循环系统和取样循环系统对泡沫水泥浆的密度和泡沫水泥石的强度和渗透率等参数的变化规律进行准确的评价，对现场推广泡沫水泥浆的应用具有指导性的作用。

Description

一种泡沫水泥浆配制装置及其应用

技术领域

本发明属于油田低密度固井技术领域，涉及一种在带压密闭的条件下对泡沫水泥浆进行循环配制和取样的泡沫水泥浆配制装置及其应用。

背景技术

泡沫水泥是指在常规水泥浆中混入一定量的泡沫，形成固、液、气三相且具有高度分散性的多相体系。泡沫水泥固井主要是降低水泥浆密度，从而降低环空水泥浆段的液柱压力，以解决低压易漏油层的固井漏失问题，并起到保护油层的作用。泡沫水泥浆虽然在50多年前就己被用于建筑行业，但是在国内，对使用泡沫水泥进行固井施工的研究始于1985年，随后其相继在各个油田得以研究和发展，此外随着发泡和稳泡技术的发展，以及固井设备性能的提高，使得泡沫低密度水泥固井技术得到迅速发展，先后形成了物理发泡机械混合和化学反应发泡两种施工技术。

化学发泡产生的泡沫水泥浆在油田中主要是用在表层套管固井中起填充的作用。由于化学发泡的水泥浆中含有强氧化剂，对泡沫水泥石的整体性能会产生破坏，且化学发泡的化学剂中亚硝酸盐和氨具有腐蚀性和毒性，亚硝酸盐和氧化剂与水泥浆外加剂相互之间的作用关系复杂，对于在油层和其他复杂地层的使用局限较多，所以没有推广。与化学反应生成氮气相比，采用物理发泡机械混合技术，例如机械充氮所获得的泡沫水泥的强度明显要高。随着泡沫固井技术的发展，国内尽管泡沫固井技术已在现场展开，但是对于物理发泡的研究刚刚起步，且研究内容主要集中在泡沫水泥浆配制方法、施工方法、工艺流程以及相关固井理论等方面，在研究和应用的广度和深度上尚存在不足。

例如，中国专利CN102632552A公开了一种泡沫水泥浆的生产方法和装置，该方法通过水泥浆搅拌主机搅拌输出水泥浆，通过将实时测量的水泥浆流量与预设值进行对比来控制水泥浆流量，通过实时测量水泥浆比重和气泡群密度获得泡沫水泥浆容重，并将其与预设值进行对比来控制泡沫水泥浆容重。该方法比较复杂，对人员的操作水平要求比较高。

再例如，中国专利CN200920137636.5公开了一种充气泡沫水泥浆机械式配气发泡机组，该机组可以根据石油固井作业的不同需要，通过机械式连续配气发泡配制出不同密度的充气泡沫水泥浆，该机组偏重于物理机械发泡，对泡沫水泥浆并不具有取样和养护的功能。

显然，现有泡沫水泥浆技术均存在这样或那样的问题，而新开发泡沫水泥浆技术也不尽如人意，因此，要进一步加强物理发泡技术在油田低密度固井技术领域的应用，需要加强实验室模拟技术的研究。

目前，实验室内对泡沫水泥浆的研究还仅限于从理论上对泡沫水泥浆的性能影响规律进行研究，例如，室内模拟水泥车泵后充氮发泡，是将发泡液加入水泥浆中，通过常规的泡沫水泥浆混合装置，如常规固井水泥浆搅拌浆杯，通过改造成密闭搅拌浆杯。将水泥和发泡液在搅拌浆杯里充氮搅拌生成泡沫水泥浆，搅拌结束后，必须泄压后在常压下测定泡沫水泥浆密度和制取后续水泥石抗压强度和渗透率实验所需的模块，整个过程不能在带压的情况下进行，没有完全模拟现场固井施工过程。

现场泡沫固井注水泥施工过程中，由于井下条件比较复杂，泡沫水泥浆的流动都存在一定压力，而且泡沫水泥浆的体积和密度变化都受压力的影响，因此，上述常压条件下的泡沫水泥浆的室内研究检测不能准确评价实际应用过程中泡沫水泥浆的性能，这严重阻碍了泡沫水泥浆的物理发泡的实验室研究，进而进一步影响到物理发泡技术在油田低密度固井技术领域的应用。

因此，目前存在的问题是需要研究开发一种可以在实验室里模拟井下条件进行泡沫水泥浆配制和取样的装置，以及应用该装置配制泡沫水泥浆的方法，用来对泡沫水泥浆的密度和强度变化规律进行准确的评价，对现场推广泡沫水泥浆的应用具有指导性的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种泡沫水泥浆配制装置，该装置在密闭带压的条件下将水泥浆和发泡液通过充氮的方式循环混合均匀，并通过调节充氮量和循环时间调节泡沫水泥浆的密度，同时平行的取样系统可以用于测量带压的条件下的泡沫水泥石相关性能参数，从而对泡沫水泥石的强度和渗透率变化规律进行评价。

本发明还提供了一种上述泡沫水泥浆配制装置在泡沫水泥浆固井模拟试验中的应用，该应用是模拟井下条件在密闭带压的条件下进行泡沫水泥浆循环配浆及取样，进而对泡沫水泥浆的密度和泡沫水泥石的强度变化规律进行评价，从而对现场推广泡沫水泥浆的应用提供指导。

本发明还提供了一种上述泡沫水泥浆配制装置在配制泡沫水泥浆中的应用，该应用是在密闭带压的条件下进行泡沫水泥浆循环配制及取样检测，由此配制出油田固井施工所需密度的泡沫水泥浆，所获得的泡沫水泥浆性能可以很好的满足固井质量要求。

为此，本发明提供了一种泡沫水泥浆配制装置，其包括用于混合泡沫水泥浆的混合缸，和向所述混合缸供入原料的供料组件，其中，在所述混合缸内设置有搅拌桨，所述搅拌浆以500～600rpm的转速搅拌混合泡沫水泥浆。

本发明中，所述原料包括水泥浆和发泡添加剂。所述发泡添加剂包括发泡液和稳泡剂等。优选所述发泡添加剂为发泡液。

根据本发明，在所述混合缸的上端还连通地设置有活塞缸，在所述活塞缸内设置有能沿所述缸体的轴线往复运动的第一活塞，其中，在所述第一活塞上设置有允许泡沫水泥浆从所述混合缸内部向所述活塞缸内部流动的单向连通机构。

在本发明的一个实施方式中，所述单向连通机构包括但不限于单向阀。

在本发明的另一个实施方式中，上述活塞缸中的所述第一活塞的直径为100～150mm。

根据本发明，所述装置还包括用于使泡沫水泥浆从所述活塞缸返回到混合缸的循环管路。所述循环管路分别与所述混合缸和所述活塞缸相连，并与所述混合缸和所述活塞缸构成配料循环系统，用于泡沫水泥浆的循环配制，并通过调节循环时间来控制泡沫水泥浆的密度。

如上文所述，现场泡沫固井注水泥施工过程中，泡沫水泥浆的流动都存在一定压力，而且泡沫水泥浆的体积和密度变化都受压力的影响，因此对泡沫水泥浆的物理发泡的实验室研究最关键的是模拟井下的带压的条件，要真实的测定泡沫水泥浆的性能，需在密闭带压的条件下进行。

因此，在本发明中，所述装置为密闭耐压装置，所述装置中的接口均采用密封连接，所述密封连接可以是任何密封连接，例如可以是丝扣密封连接、磁力搅拌密封连接或O型圈卯合密封连接等等。所述混合缸和所述活塞缸的缸体均由能够至少承受6.9MPa的压力的耐压金属材料构成，其壁厚例如，可以为8～10mm。所述耐压金属材料优选为不锈钢材料或铝合金。所述循环管路中的管线均为无缝钢管，其直径为8～10mm。

本发明中，所述混合缸和所述活塞缸既可以采用固定连接，例如焊接，也可以采用可拆装式连接。优选所述混合缸和所述活塞缸以能拆装的方式密封连接，例如，可以采用密封圈密封，并以螺旋丝扣的方式或法兰的方式连接。这样的结构使得混合缸和活塞缸可以很方便的结合和分开，以方便彻底放出泡沫水泥浆，清洗活塞缸、混合缸以及搅拌浆。

根据本发明，所述装置还包括取样器，所述取样器的进口连通于活塞缸，所述取样器的出口连通于混合缸。所述取样器与混合缸、活塞缸构成取样循环系统。在配料循环系统关闭时，所述取样循环系统既可以方便取样检测，也可以用于循环配料。

在本发明的一个优选的实施方式中，所述装置还包括取样器，所述取样器的进口连通于所述循环管路的上游部分，所述取样器的出口连通于所述循环管路的下游部分，由此在循环管路上游部分和下游部分之间形成配料循环系统的循环回路；所述取样器与配料循环系统的循环回路形成并联结构，并通过循环管路与混合缸、活塞缸构成取样循环系统。这样的结构可以方便所述取样器与所述活塞缸和所述混合缸的密封连接，有利于保证配料循环系统的密闭，并且在循环管路上的循环回路关闭时，所述取样循环系统既可用于循环配料，也可以方便取样检测，例如可以用于检测泡沫水泥浆的密度，并为后续泡沫水泥石强度试验制模。

本发明中，所述取样器由内筒及外筒组成，这种结构可以方便方便脱模。所述内筒具有两瓣式结构，所述外筒上下两端设有手动球阀，这种结构可以方便取下取样器。

在本发明的一个实施方式中，上述取样器的内筒的内径为50～60mm，长度为80～100mm。

在本发明中，所述活塞缸上还设置有卸荷组件，所述卸荷组件，例如，可以包括压力表、压力传感器和排气卸荷阀。压力表用于在线监测活塞缸内的压力，排气卸荷阀由排气阀和单向阀组成。当系统压力达到排气阀的开启压力6.9MPa时，排气阀自动开启，系统压力卸荷至6.9MPa以下。

根据本发明，所述装置还包括用于驱动活塞缸内的活塞沿所述缸体的轴线往复运动的活塞驱动装置。

在本发明的一个具体实施方式中，所述活塞驱动装置包括气动缸。在所述气动缸内设置有能沿所述缸体的轴线往复运动的第二活塞，该第二活塞的下端与活塞驱动连杆的一端相连，该活塞驱动连杆另一端与活塞缸内的第一活塞的上端相连，由此可以驱动活塞缸内的第一活塞沿活塞缸体的轴线往复运动。在活塞驱动连杆上设置有限位装置，可以将活塞缸里的第一活塞行程限制在混合缸里搅拌浆之上和活塞缸上顶部之下的区间内。活塞缸中的第一活塞行程参数可以根据装置参数进行设定。

在本发明的另一个具体实施方式中，所述活塞驱动装置还包括连接于气动缸侧壁的供气组件，其将所述气体供入气动缸，用于驱动气动缸内的第二活塞以及活塞缸内的第一活塞的运动，气动缸的驱动压力为0.5～1.0MPa。所述气体包括但不限于高压的压缩空气和氮气。优选所述气体为空气。

本发明中，在所述混合缸的侧壁下端设置有排水组件。在所述混合缸的底部轴心部位设置有搅拌驱动装置。所述搅拌驱动装置可以为任何驱动装置，所述搅拌驱动装置优选为磁力驱动装置，该装置应用永磁材料或电磁铁所产生的磁力作用，实现力或转矩（功率）无接触传递，其优点是可以将力的轴传递动力的动密封转化为静密封，实现动力的零泄漏传递、可避免振动传递，实现机器的平稳工作，且其主动件与被动件之间有间隙，结构简单，维护方便。因此，采用该装置可以有利于实现与混合缸的密封连接。

在本发明中，所述供料组件包括水泥浆缸、向水泥浆缸供水的供水管路以及将水泥浆缸中的水泥浆和发泡添加剂等供入混合缸的供料管路。

在一个具体实施例中，所述供料管路的一端与水泥浆缸相连，另一端与混合缸相连，在所述水泥浆缸和所述混合缸的供料管路上之间还设置有第三三通阀和排水口，所述第三三通阀三个端口分别与所述水泥浆缸、所述混合缸和所述排水口相连通，用于切换并连通水泥浆缸和所述混合缸之间的供料通道或所述水泥浆缸和排水口之间的排水通道。当供料组件处于供料状态时，供料通道连通，将水泥浆、发泡添加剂等从水泥浆缸供入混合缸。当供料组件处于排水或清洗状态时，排水通道联通，将所述水泥浆缸内多余的水泥浆、发泡添加剂或清洗液从排水口排出。

在本发明中，所述泡沫水泥浆配制装置还包括用于向所述混合缸供入氮气的供氮组件。所述供氮组件，例如，可以包括高压氮气源、流量计、两通阀以及单向阀。

在本发明的一个具体实施方式中，将水泥浆和发泡添加剂放入水泥浆缸中，并通过供料管路将水泥浆和发泡添加剂供入混合缸，然后关闭供料管路；同时，打开供氮管路的阀门和高压氮气源，向混合缸中供入氮气，压力值可以根据试验条件或现场操作条件设定；混合缸内的水泥浆、发泡液与氮气在密闭带压的条件下通过磁力搅拌形成具有成膜微气泡球状结构的泡沫水泥浆，启动气动缸推动混合缸和活塞缸里的活塞运动，建立配料循环通道，通过配料循环系统将泡沫水泥浆混合均匀，并通过调节充氮量和配料循环系统的循环时间调节泡沫水泥浆的密度，制得所需密度的泡沫水泥浆。

根据本发明，所述装置还包括电脑控制系统，其主要采集活塞缸中端活塞上下压力、氮气注入压力和循环系统排量，利用电脑控制系统还可以根据本发明装置的参数设定并控制活塞缸中的活塞行程参数，并根据试验条件或现场操作条件设定并控制活塞缸中的活塞上下压力、氮气注入压力、配料循环系统及取样循环系统的循环时间等。

本发明还提供了一种根据上文中所述的装置在泡沫水泥浆固井模拟试验中的应用，其包括：

步骤A，在压力为0.5～6.9MPa的条件下配制泡沫水泥浆；

步骤B，在压力为0.5～6.9MPa的条件下对步骤A中所配制的泡沫水泥浆进行取样。

本发明还进一步提供了一种根据上文中所述的装置在配制泡沫水泥浆中的应用，其包括在压力为0.5～6.9MPa的条件下配制泡沫水泥浆的步骤。

在本发明的一个具体实施方式中，采用上文中所述泡沫水泥浆配制装置在1MPa条件下对密度为1.88g/cm³的水泥浆进行循环配料，通过供料组件将650mL的水泥浆、10～15mL的发泡液以及0.5g的稳泡剂供入混合缸，在混合缸内经过搅拌器充分搅拌混合后通过配料循环系统循环3min，关闭配料循环系统的循环回路，打开取样循环系统，继续循环2min，关闭整个循环系统取下取样器，并通过质量体积法测得带压下泡沫水泥浆的密度为0.82g/cm³；重复同样的取样操作，并将取样器放入55℃水浴锅养护24h，脱模测定泡沫水泥石的强度和渗透率。因此，可以认为，采用本发明的泡沫水泥浆配制装置能够在带压条件下进行泡沫水泥浆配制、取样以及相关参数的测定，可以用于实验室里有效模拟井下条件进行泡沫水泥浆固井试验，也可以用于油田现场配制泡沫水泥浆。

本发明中所述用语“循环管路上游部分”是指使泡沫水泥浆从所述活塞缸返回到所述混合缸的循环管路中靠近所述活塞缸的部分。

同样，本发明中所述用语“循环管路下游部分”是指使泡沫水泥浆从所述活塞缸返回到所述混合缸的循环管路中靠近所述混合缸的部分。

本发明中所述用语“循环回路的上游端”是指使泡沫水泥浆从所述活塞缸返回到所述混合缸的循环回路中靠近所述活塞缸或取样器的进口的端部。

同样，本发明中所述用语“循环管路的下游端”是指使泡沫水泥浆从所述活塞缸返回到所述混合缸的循环回路中靠近所述混合缸或取样器的出口的端部。

本发明中所述用语“关闭整个循环系统”是指同时关闭配料循环系统和取样循环系统，或者同时关闭配料循环系统的循环回路和取样循环系统。

本发明中所述用语“水泥石”，在没有特别指明的情况下，是指水泥浆固化后获得的产物。

本发明中所述用语“泡沫水泥石”，是指泡沫水泥浆固化后获得的产物。

本发明中所述用语“发泡液百分比（BWOC）”为基于水泥浆质量的发泡液百分比，亦即发泡液占水泥质量的百分比。

本发明中水泥浆的密度是在水泥浆配制完成后，在放入水泥浆缸之前采用常规密度计进行测量而得。

本发明中泡沫水泥浆的密度采用质量体积法进行测量，具体方法如下：

在本发明的泡沫水泥浆配制装置中，在0.5～1.0MPa以及常温条件下通过配料循环系统进行泡沫水泥浆的循环配制，并通过取样循环系统取样。取样后，测量取样器取样前后的质量，已知取样器内容积，根据取样前后质量差就可以计算泡沫水泥浆在0.5～1.0MPa和常温条件下的密度。

本发明中泡沫水泥石的强度和渗透率的测量方法是：在泡沫水泥浆配制装置中，在0.5～1.0MPa以及常温条件下通过配料循环系统进行泡沫水泥浆的循环配制，并通过取样循环系统取样。取样后，将取样器整体放入水浴锅内在50～90℃条件下进行24～28小时的强度养护，然后脱模取出泡沫水泥石，通过水泥石抗压强度测试仪（4017D，美国Chandler公司）测定泡沫水泥石的强度，并通过全自动气体渗透率测试仪（UltraPerm500，美国CoreLab公司）测定泡沫水泥石的渗透率。

根据本发明的泡沫水泥浆配制装置主要包括混合缸、与活塞缸相连通的活塞缸、使泡沫水泥浆从所述活塞缸返回到混合缸的循环管路以及并联连接于循环管路上下游之间的取样器；循环管路与混合缸、活塞缸构成配料循环系统，取样器通过循环管路与混合缸、活塞缸构成取样循环系统；利用本发明装置，泡沫水泥浆的配制和取样的整个过程都在带压的条件下进行，水泥浆和发泡添加剂通过充氮的方式在配料循环系统内循环混合均匀，并形成具有成膜微气泡球状结构的泡沫水泥浆；可以通过调节充氮量和配料循环系统的循环时间调节泡沫水泥浆的密度，通过配料循环系统对充氮量和循环时间与泡沫水泥浆的密度变化规律进行系统评价，同时平行的取样循环系统可以用于测量带压条件下的泡沫水泥石的强度和渗透率等相关性能参数，这有利于对找到泡沫水泥石强度和渗透率随压力的变化规律，从而对泡沫水泥浆的密度和泡沫水泥石的强度和渗透率变化规律进行准确的评价，对现场推广泡沫水泥浆的应用具有指导性的作用。

附图说明

下面结合附图来对本发明作进一步详细说明：

图1为泡沫水泥浆配制装置原理图。

图中附图标记的含义如下：1三通阀的端口1；2三通阀的端口2；3三通阀的端口3；11混合缸；12搅拌桨；13活塞缸；14密封圈；15螺旋丝扣；16活塞；17第一单向阀；18排水管路；19第二单向阀；20第三单向阀；21第一三通阀；22第二三通阀；23第一截止阀；24第二截止阀；25取样器进口；26取样器出口；27取样器；28取样器内筒；29取样器外筒；30手动球阀；31循环回路；32压力表；33压力传感器；34第四单向阀；35排气阀；36气动缸；37第二活塞；38活塞驱动连杆；39限位装置；40供气组件；41排水组件；42磁力搅拌驱动装置；43水泥浆缸；44供料管路；45供水管路；46供氮组件。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图来详细说明本发明，这些实施例和附图仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。各实施例中的材料均为现场用工业品。

图1为泡沫水泥浆配制装置原理图。如图1所示，本发明的泡沫水泥浆配制装置包括用于混合泡沫水泥浆的混合缸11，在混合缸11内设置有搅拌桨12，其以500～600rpm的转速搅拌混合泡沫水泥浆；在混合缸11的上端还连通地设置有活塞缸13，混合缸11和活塞缸13之间采用密封圈14密封，并采用密封丝扣15密封连接。在活塞缸13内设置有能沿所述缸体的轴线往复运动的第一活塞16，第一活塞16的直径为100～150mm，在第一活塞16上设置有允许泡沫水泥浆从混合缸11内部向活塞缸13内部流动的第一单向阀17。

在活塞缸13和混合缸11的侧壁连接有用于使泡沫水泥浆从活塞缸13返回到混合缸11的循环管路18，在循环管路18的上游部分设置有第二单向阀19，在循环管路18的下游部分设置有第三单向阀20，循环管路18与混合缸11和活塞缸13构成用于循环配制泡沫水泥浆的配料循环系统，第二单向阀19和第三单向阀20用于调节配料循环系统的循环时间以控制泡沫水泥浆的密度。

在一个优选实施例中，泡沫水泥浆配制装置还包括取样器27，取样器27的取样器进口25通过第一三通阀21连通于循环管路18的上游部分，取样器27的取样器出口26通过第二三通阀22连通于循环管路18的下游部分，由此通过第一三通阀21和第二三通阀22在循环管路18的上游部分和下游部分之间形成配料循环系统的循环回路31，在取样器27的取样器进口25与第一三通阀21之间还设置有第一截止阀23，在取样器27的取样器出口26与第二三通阀22之间设置有第二截止阀24。

取样器27通过两个三通阀21和22与配料循环系统的循环回路31形成并联结构，并通过两个三通阀21和22进行切换，取样器27通过循环管路18与混合缸11、活塞缸13构成用于泡沫水泥浆的循环及取样的取样循环系统。

第一三通阀21的端口1与循环管线18的上游部分相连通，端口2与取样器27的取样器进口25相连通，端口3与循环回路31的上游端相连通；第二三通阀22的端口1与循环管线18的下游部分相连通，端口2与取样器27的取样器出口26相连通，端口3与循环回路31的下游端相连通。

当泡沫水泥浆配制装置处于配料循环状态时，调整三通阀21和22，使第一三通阀21的端口1和端口3相连通，使第二三通阀22的端口1和端口3相连通，使循环回路31连通，打开单向阀19和20，使整个配料循环系统连通，可以对泡沫水泥浆进行循环配制，同时，可以通过调节单向阀19和20来控制配料循环系统的循环时间，由此控制泡沫水泥浆的密度。

当泡沫水泥浆配制装置处于取样循环状态时，调整三通阀21和21，使第一三通阀22的端口1和端口2相连通，使第二三通阀22的端口1和端口2相连通，使循环回路31关闭，配料循环系统关闭，同时，打开截止阀23和24，使取样循环系统连通，此时，取样循环系统既可用于循环配料，也可以方便取样检测，例如可以用于检测泡沫水泥浆的密度，并为后续泡沫水泥石强度试验制模。

本发明中，取样器27由取样器内筒28及取样器外筒29组成以方便脱模，取样器内筒28具有两瓣式结构，且取样器内筒28的内径为50～60mm，长度为80～100mm，取样器外筒29上下两端设有手动球阀30以方便取下取样器27。

在一个优选实施例中，在活塞缸13上还设置有卸荷组件，其包括压力表32、压力传感器33、第四单向阀34和排气阀35。在第四单向阀34打开的条件下，压力表32用于在线监测活塞缸13内的压力，并在活塞缸13内的压力大于压力传感器33的设定值6.9MPa时自动打开排气阀35卸荷。

在另一个优选实施例中，泡沫水泥浆配制装置还包括用于驱动活塞缸13内的第一活塞16沿所述缸体的轴线往复运动的活塞驱动装置，其包括气动缸36，在气动缸36内设置有能沿所述缸体的轴线往复运动的第二活塞37，第二活塞37的下端与活塞驱动连杆38的一端相连，活塞驱动连杆38另一端与活塞缸13内的第一活塞16的上端相连，由此可以驱动活塞缸13内的第一活塞16沿所述缸体的轴线往复运动。在活塞驱动连杆38上设置有限位装置39，用于将活塞缸13内的第一活塞16行程限制在混合缸11内的搅拌浆12之上和活塞缸13的上顶部之下的区间内。

在又一优选实施例中，气动缸36的侧壁连接有供气组件40，其将高压气体，例如空气供入气动缸36，用于驱动气动缸36内的第二活塞37以及活塞缸内的第一活塞16的运动，气动缸36的驱动压力为0.5～1.0MPa。

本发明中，在混合缸11侧壁的下端设置有排水组件41。在混合缸11的底部轴心部位设置有磁力搅拌驱动装置42。

在本发明的一个实施例中，在混合缸11的侧壁连接有向其供入水泥浆和发泡添加剂的供料组件，其包括水泥浆缸43，在水泥浆缸43的底部连接有将水泥浆和发泡添加剂供入混合缸11的供料管路44和向水泥浆缸43供水的供水管路45。

在混合缸11的侧壁还连接有供氮组件46，其用于将高压氮气供入混合缸11。在一个优选的实施例中，供氮组件46包括高压氮气源、流量计、两通阀以及单向阀。

在一个优选实施例中，泡沫水泥浆配制装置还包括电脑控制系统，其主要采集活塞缸13中的活塞16上下压力，氮气注入压力，配料循环系统的排量。

上述泡沫水泥浆配制装置为密闭耐压装置，其中的接口均采用密封丝扣连接。混合缸11和活塞缸13的缸体均由能够至少承受6.9MPa的压力的耐压不锈钢材料（含铬12wt%～30wt%的铁素体不锈钢）构成，并且其壁厚为8～10mm。循环管路39中的管线均为无缝钢管，其直径为8～10mm。

将本发明的泡沫水泥浆配制装置应用于泡沫水泥浆固井模拟试验，其包括以下步骤：

（1）实验开始前，检查管路连接，阀门是否关闭。

（2）将配制好的水泥浆和发泡添加剂放入水泥浆缸43内，盖好水泥浆缸43上盖（图中未示出），通过螺纹丝扣盖严密封，将水泥浆和发泡添加剂通过供料管路44注入混合缸11内。

（3）再次检查各个管路和装置的密封状况，并设定实验所需的压力、循环时间和活塞行程参数。监控供氮组件内的氮气压力，使其满足实验要求；

（4）打开磁力搅拌驱动装置42搅拌混合泡沫水泥浆，启动气动缸36推动活塞缸13内的第一活塞16沿所述缸体的轴线往复运动，建立配料循环通道；同时，调整循环管路18上的三通阀21和22，使第一三通阀21的端口1和端口3相连通，第二三通阀22的端口1和端口3相连通，使循环回路31连通，打开单向阀19和20，连通整个配料循环系统，对泡沫水泥浆进行循环配制，同时，通过调节单向阀19和20来控制配料循环系统的循环时间，由此控制泡沫水泥浆的密度；建立气动缸36和活塞缸13内的气体压力动态平衡，保证活塞缸13内的第一活塞16能沿活塞缸13的轴线往复运动，维持气动缸36和活塞缸13的压力差范围在0.1MPa左右。

（5）水泥浆和发泡液在配料循环系统内循环混合，到达设定时间值，例如3min后，调整循环管路18上的三通阀21和22，使第一三通阀21的端口1和端口2相连通，第二三通阀22的端口1和端口2相连通，使循环回路31关闭，关闭配料循环系统，同时，打开截止阀23和24，使取样循环系统连通，取样循环系统循环相应的时间，例如2min后，关闭三通阀21和22，取下取样器27进行后续检测评价试验。

实施例

实例1：

将650mL密度为1.88g/cm³水泥浆和10mL的发泡液供入泡沫水泥浆配料循环系统中的混合缸11中，实验压力为0.5～1.0MPa。配料循环系统的循环时间为3min，取样循环系统的循环时间为2min。取样循环完成后，取下取样器27进行后续检测评价试验，结果见表1。

实例2：

将650mL密度为1.88g/cm³水泥浆和15mL的发泡液供入泡沫水泥浆配料循环系统中的混合缸11中，实验压力为0.5～1.0MPa。配料循环系统的循环时间为3min，取样循环系统的循环时间为2min。取样循环完成后，取下取样器27进行后续检测评价试验，结果见表1。

实例3：

将650mL密度为1.88g/cm³水泥浆和10mL的发泡液供入泡沫水泥浆配料循环系统中的混合缸11中，实验压力为0.5～1.0MPa。配料循环系统的循环时间为5min，取样循环系统的循环时间为3min。取样循环完成后，取下取样器42进行后续检测评价试验，结果见表1。

表1

通过上述实施例可以看出，在利用本发明的泡沫水泥浆配制装置配制泡沫水泥浆过程中，可以通过改变发泡液百分比和循环时间调节泡沫水泥浆密度，发泡液百分比越高，循环时间越长，泡沫水泥浆的密度越低；取样测定泡沫水泥石的抗压强度，泡沫水泥浆密度越高，泡沫水泥石的抗压强度越大，泡沫水泥石的渗透率越低，符合带压下泡沫水泥浆性能变化规律。

通过上述实施例还可以看出，利用本发明装置，泡沫水泥浆的配制和取样的整个过程都在带压的条件下进行，水泥浆和发泡添加剂通过充氮的方式在配料循环系统内循环混合均匀，并形成具有成膜微气泡球状结构的泡沫水泥浆；可以通过调节充氮量和配料循环系统的循环时间调节泡沫水泥浆的密度，通过配料循环系统对充氮量和循环时间与泡沫水泥浆的密度变化规律进行系统评价，同时平行的取样循环系统可以用于测量带压条件下的泡沫水泥石的强度和渗透率等相关性能参数，这有利于对找到泡沫水泥石强度和渗透率随压力的变化规律，从而对泡沫水泥浆的密度和泡沫水泥石的强度和渗透率变化规律进行准确的评价，为现场泡沫水泥浆固井施工提供指导。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种泡沫水泥浆配制装置，其包括用于混合泡沫水泥浆的混合缸，和向所述混合缸供入原料的供料组件，其中，在所述混合缸内设置有搅拌桨。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述混合缸的上端还连通地设置有活塞缸，在所述活塞缸内设置有能沿所述缸体的轴线往复运动的第一活塞，其中，在所述第一活塞上设置有允许泡沫水泥浆从所述混合缸内部向所述活塞缸内部流动的单向连通机构。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于使泡沫水泥浆从所述活塞缸返回到混合缸的循环管路。

4.根据上述权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，

所述装置中的接口均采用密封连接；

所述混合缸和所述活塞缸的缸体均由能够至少承受6.9MPa的压力的耐压金属材料构成。

5.根据权利要求1到4中任意一项所述的装置，其特征在于，所述混合缸和所述活塞缸以能拆装的方式密封连接。

6.根据权利要求1到5中任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括取样器，所述取样器的进口连通于活塞缸，所述取样器的出口连通于混合缸。

7.根据权利要求1到5中任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括取样器，所述取样器的进口连通于所述循环管路的上游部分，所述取样器的出口连通于所述循环管路的下游部分。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，

所述取样器由内筒及外筒组成；

所述内筒具有两瓣式结构，所述外筒上下两端设有手动球阀。

9.一种根据权利要求1到8中任意一项所述的装置在泡沫水泥浆固井模拟试验中的应用，其包括：

步骤A，在压力为0.5～6.9MPa的条件下配制泡沫水泥浆；

步骤B，在压力为0.5～6.9MPa的条件下对步骤A中所配制的泡沫水泥浆进行取样。

10.根据权利要求1到8中任意一项所述的装置在配制泡沫水泥浆中的应用，其包括在压力为0.5～6.9MPa的条件下配制泡沫水泥浆的步骤。