CN104420847B - 一种泡沫水泥浆的配制方法和装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泡沫水泥浆的制备中控制泡沫和水泥浆混合比例的方法，包括：i）提供泡沫水泥浆混合装置，所述装置包括泡沫水泥浆设备、第一体积流量计、水泥混浆设备以及通过压力表控制压力的泡沫设备；ii）通过第一体积流量计控制泡沫水泥浆流入油井时的第一流量F₁；同时通过第二体积流量计控制水泥浆进入泡沫水泥浆设备的第二流量F₂；iii）测量水泥浆的密度ρ₂，并固定第一流量F₁,根据公式ρ₁=ρ₂*F₂/F₁通过调节第二流量F₂来调节泡沫水泥浆的密度ρ₁使其达到目标值；其中，在上述过程中保持泡沫池的压力恒定。

Description

一种泡沫水泥浆的配制方法和装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种泡沫水泥浆的配制方法和装置及其应用，具体涉及一种运用在现场固井施工的泡沫和水泥浆混合比例控制方法，属于油田低密度固井领域。

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，但是油井泡沫水泥浆还是在1975年由美国的Aldrich和Mitchell首次提出，1984年，Smith等人在加拿大东海岸的深水地区，使用泡沫水泥进行固井，成功实现了长封固、漏失地层的一次性固井作业。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。

现在泡沫水泥浆主要包括：物理发泡机械混合和化学反应发泡。物理机械发泡又分成将泡沫预先发好然后与水泥浆泵前混合和在水泥车泵后充氮发泡两者方式，化学发泡是将发泡剂和泡沫稳定剂分别混入灰样和配浆水中，在固井施工的过程中两者因化学反应产生气泡。化学发泡产生的泡沫粒径大而且分布不均匀，对于在油层和其他复杂地层的使用局限较多。对于物理发泡的研究，主要采用与水泥车配合使用的撬装式发泡装置，先通过搅拌高压冲击制取泡沫，然后将水泥浆与泡沫混合，形成泡沫水泥浆，并泵入井内。物理发泡形成的泡沫水泥浆密度均匀、水泥强度高、渗透率低的特点，具有很好的应用前景。

目前，物理发泡现场固井施工时存在着以下问题：(1)泡沫与水泥浆的比例无法控制；(2)注入井下的泡沫水泥浆密度无法按设计实现；(3)由于泡沫水泥浆密度无法控制在复杂井中使用时会带来风险，如井漏、油气水窜、井涌等。

发明内容

因此对泡沫水泥浆的现场应用研究最关键的因素是找到泡沫和水泥浆混合比例的控制方法，从而控制泡沫水泥浆的密度，达到设计要求。使泡沫固井技术真正实现为油气田开发服务，同时为泡沫固井技术的推广奠定基础。

本发明的目的是：发明一种泡沫水泥浆的配制方法，通过寻找现场应用的泡沫和水泥浆混合方法解决泡沫和水泥浆比例无法控制的问题，最终配制出符合设计密度的泡沫水泥浆。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

1)一种泡沫水泥浆的配制方法，包括：

i)提供泡沫水泥浆混合装置，包括

a.泡沫水泥浆设备，用于将水泥浆和泡沫混合得到泡沫水泥浆后直接注入油井以进行固井；

b.第一体积流量计，其设置于泡沫水泥浆设备的出口，用于测量所述泡沫水泥浆设备的出口的泡沫水泥浆的第一流量F₁；

c.水泥混浆设备，其通过第二体积流量计与所述泡沫水泥浆设备连接，为所述泡沫水泥浆设备提供水泥浆；所述第二体积流量计用于测量水泥浆进入泡沫水泥浆设备的第二流量F₂；

d.泡沫设备，其与泡沫水泥浆设备连接，为所述泡沫水泥浆设备提供泡沫；

ii)通过第一体积流量计测量所述泡沫水泥浆设备的出口的泡沫水泥浆的第一流量F₁；同时通过第二体积流量计测量水泥浆进入泡沫水泥浆设备的第二流量F₂；

iii)测量水泥浆的密度ρ₂，并固定第一流量F₁,根据公式I通过调节第二流量F₂来调节泡沫水泥浆的密度ρ₁使其达到目标值；

ρ₁＝ρ₂*F₂/F₁ I

其中，在上述过程中保持泡沫池的压力恒定。

具体来说，根据泡沫水泥浆密度计算公式ρ₁＝ρ₂*(1-α)，式中：α＝V₃/V₁的体积比，其中，V₁为泡沫水泥浆设备流出的泡沫水泥浆的体积，V₃为自泡沫池流入泡沫水泥浆设备的泡沫的体积；而单位时间里，α＝F₃/F₁，其中F₁为泡沫水泥浆流入油井时的流速，F₃为自泡沫池流入泡沫水泥浆设备的泡沫的流速，根据 本发明原理：F₃＝F₁-F₂。由此对到得到ρ₁＝ρ₂*(1-α)＝ρ₂*(1-F₃/F₁)＝ρ₂*F₂/F₁。

2)一种泡沫水泥浆的配制方法，包括：

i)提供泡沫水泥浆混合装置，包括

a.泡沫水泥浆设备，用于将水泥浆和泡沫混合得到泡沫水泥浆后直接注入油井以进行固井；

b.第一体积流量计，其设置于泡沫水泥浆设备的出口，用于测量所述泡沫水泥浆设备的出口的泡沫水泥浆的第一流量F₁；

c.水泥混浆设备，其通过第二体积流量计与所述泡沫水泥浆设备连接，为所述泡沫水泥浆设备提供水泥浆；所述第二体积流量计用于测量水泥浆进入泡沫水泥浆设备的第二流量F₂；

d.泡沫设备，其与泡沫水泥浆设备连接，为所述泡沫水泥浆设备提供泡沫；

ii)通过第一体积流量计测量所述泡沫水泥浆设备的出口的泡沫水泥浆的第一流量F₁；同时通过第二体积流量计测量水泥浆进入泡沫水泥浆设备的第二流量F₂；

iii)测量水泥浆的密度ρ₂，并固定第一流量F₁,根据公式I通过调节第二流量F₂来调节泡沫水泥浆的密度ρ₁；

ρ₁＝ρ₂*F₂/F₁ I

其中，在上述过程中保持泡沫池的压力恒定；

iv)预先设定目标泡沫水泥浆密度ρ₁的目标值，通过式I计算得到所需F₂的目标值，并通过第二体积流量计调节F₂的目标值，使得在泡沫水泥浆设备中得到的泡沫水泥浆的密度达到所述ρ₁的目标值。

3)在本发明的第1)或第2)项的制备方法的一个实施方式中，所述泡沫水泥浆设备包括互相连接的固井水泥车和水泥泵，其中固井水泥车分别与所述水泥混浆设备和泡沫设备连接。

4)在本发明的第1)-第3)项的制备方法的一个实施方式中，所述水泥混浆设备包括分别与混浆池连接的水泥灰罐车和注水车，且所述混浆池通过控第二体积流量计与固井水泥车连接。

5)在本发明的第1)-第4)项中任一项的制备方法的一个实施方式中，所述泡沫设备包括互相连接的水泥发泡装置和泡沫池，所述泡沫池上设置有压力表。

所述水泥发泡装置和泡沫池的连接可为“T”型连接。

6)在本发明的第1)-第5)项中任一项的制备方法的一个实施方式中，所述第二体积流量计测量的F₂为0.4～0.7m³/min。

在这个流速范围进行注入时，可以很好的控制混合时的均匀性。小于0.4m³/min时，速度过慢影响效率，大于0.7m³/min时，速度过快不好控制泡沫水泥浆混合时的均匀性。

7)一种本发明第1)-第6)项中任一项所述的方法中使用的装置，包括：

a.泡沫水泥浆设备，用于将水泥浆和泡沫混合得到泡沫水泥浆后直接注入油井以进行固井；

b.第一体积流量计，其设置于泡沫水泥浆设备的出口，用于测量所述泡沫水泥浆设备的出口的泡沫水泥浆的第一流量F₁；

c.水泥混浆设备，其通过第二体积流量计与所述泡沫水泥浆设备连接，为所述泡沫水泥浆设备提供水泥浆；所述第二体积流量计用于测量水泥浆进入泡沫水泥浆设备的第二流量F₂；

d.泡沫设备，其与泡沫水泥浆设备连接，为所述泡沫水泥浆设备提供泡沫；

e.水泥浆密度ρ₂检测模块；其与水泥混浆设备连接，用于检测水泥混浆设备中的水泥浆密度ρ₂；

f.泡沫水泥浆的密度ρ₁设定与检测模块；其与泡沫水泥浆设备连接，用于设定并检测所述泡沫水泥浆的密度ρ₁；

g.第一流量F₁控制模块；以及

h.第二流量F₂控制模块；

其中，所述第二流量F₂控制模块的控制的值是根据泡沫水泥浆的密度ρ₁设定与检测模块设定的ρ₁值、水泥浆密度ρ₂检测模块检测的ρ₂值，以及第一流量F₁控制模块的值通过式I来计算得到的，

ρ₁＝ρ₂*F₂/F₁ I。

8)本发明的第2)-第6)项中任一项所述的方法在现场固井施工中的应用。

9)本发明的第7)项所述的装置在现场固井施工中的应用。

在本发明的一个具体实施方式中，所述泡沫水泥浆混合装置包括泡沫水泥浆设备、水泥混浆设备、泡沫设备、第一体积流量计和第二体积流量计；其中

所述泡沫水泥浆设备为泡沫固井水泥车和三缸柱塞泵；

所述水泥混浆设备包括是水泥灰罐车和注水车以及分别与所述水泥灰罐车和注水车连接的混浆池，用于接受来自水泥灰罐车和注水车中的水泥灰和水，然后搅拌混浆得到所述水泥浆；

所述发泡装置包括发泡装置和与所述发泡装置连接的泡沫池，所述泡沫池用于存储所述发泡装置产生的泡沫；

所述固井水泥车通过三缸柱塞泵分别与所述泡沫设备的泡沫池的出口和水泥混浆设备的混浆池出口连接。由于接受来自水泥混浆设备的水泥浆和来自泡沫设备的泡沫；

在所述泡沫固井水泥车的出口处设置第一体积流量计，用于测量泡沫固井水泥车的出口泡沫水泥浆的流量；

在所述混浆池的出口设置第二体积流量计，用于测量混浆池出口的水泥浆流速，同时在所述混浆池与所述第二体积流量计之间还设有控制阀，用于控制所述混浆池出口的水泥浆的流量。

然后固定泡沫固井水泥车的出口流量，并通过控制阀调节用于控制所述混浆池出口的水泥浆的流量(即自水泥混浆设备进入泡沫水泥浆设备的水泥浆的流量)，来控制所述泡沫水泥浆的密度达到目标密度。

本发明的基本原理

①未采用本发明方法的泡沫水泥浆固井施工时，水泥浆的密度为1.88g/cm³，F₂＝0.4～0.7m³/min，F₃＝0.4m³/min，泡沫混不进水泥浆并出现水泥浆倒灌至撬装式发泡撬里，并刺漏管线的现象。F₂＝0.2～0.4m³/min，F₃＝0.4m³/min时，水泥浆不能混入到泡沫中，泡沫和水泥浆不能按照一定的比例混合，泡沫水泥浆密度变化较大。

②采用本发明方法的泡沫水泥浆固井施工时，水泥浆的密度为1.88g/cm³，固定F₁＝0.8m³/min，当固井施工设计的泡沫水泥浆密度为1.4g/cm³时，α＝1-1.4/1.88＝0.26，那么F₂＝0.8*(1-0.26)＝0.6m³/min，泡沫水泥浆密度均匀可调满足固井施工设计要求，验证了本发明方法的正确性。

泡沫固井施工前，按照常规固井施工工艺将管线连接好，然后撬装式水泥发泡装置泡沫出口连接到固井水泥车水泥泵下方的法兰处，水泥浆从固井水泥车通过灌注泵送到水泥泵处，泡沫和水泥浆将在水泥泵处混合，并注替到高压管汇区充分混合均匀，通过在撬装式水泥发泡装置上的取样区测定泡沫水泥浆的密度。 固井施工开始后，按照固井设计，当要注替泡沫水泥浆时，先将撬装式水泥发泡装置启动发泡，维持一定的泡沫注入压力，打开泡沫注入阀门，稳定水泥泵出口排量后，按照固井设计的泡沫水泥浆密度，调节灌注泵排量，最后将泡沫水泥浆注入井口。

本发明的有益效果

本发明的方法简单易操作，同时本发明的装置也设备也容易取得，组装简单。利用本发明的方法和装置可实现泡沫水泥浆密度均匀可调。特别现场应用时，将泡沫水泥浆出口连接到固井水泥车水泥泵入口处，解决泡沫和水泥浆比例不匹配的问题。根据固井施工设计，当进行泡沫水泥浆注替时，通过稳定固井水泥车水泥泵出口处泡沫水泥浆的排量F₁，恒定撬装式水泥发泡装置泡沫出口处的泡沫注入压力P₀，通过调节固井水泥车灌注泵的排量F₂，得到泡沫注入水泥浆排量F₃(F₃＝F₁-F₂)，最终注入符合固井设计要求的泡沫水泥浆，对于泡沫水泥浆的大规模推广应用具有很好的奠基作用。

附图说明

图1为本发明的泡沫水泥浆的制备方法使用的装置及流程示意图。

附图标记：1-泡沫水泥浆设备、2-第一体积流量计、3-水泥混浆设备、4-泡沫设备、5-压力表、6-第二体积流量计、7-控制阀、8-第一流量F₁控制模块、9-第二流量F₂控制模块、10-水泥浆密度ρ₂检测模块、11-泡沫水泥浆密度ρ₁设定与检测模块。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但本发明的范围并不限于以下实施例。

如图1所示：本发明的装置包括：

a.泡沫水泥浆设备1，用于将水泥浆和泡沫混合得到泡沫水泥浆后直接注入油井以进行固井；

b.第一体积流量计2，其设置于泡沫水泥浆设备的出口，用于测量所述泡沫水泥浆设备的出口的泡沫水泥浆的第一流量F₁；

c.水泥混浆设备3，其通过第二体积流量计6与所述泡沫水泥浆设备1连接， 为所述泡沫水泥浆设备1提供水泥浆；所述第二体积流量计2用于测量水泥浆进入泡沫水泥浆设备1的第二流量F₂；其中水泥混浆设备与第二体积流量计2之间还设置有控制阀7，用于控制水泥混浆装置的出口流量，即自水泥混浆设备进入泡沫水泥浆设备的水泥浆的第二流量F₂；

d.设置有压力表5的泡沫设备4，其与泡沫水泥浆设备连接，为所述泡沫水泥浆设备提供泡沫；

e.水泥浆密度ρ₂检测模块10；其与水泥混浆设备3连接，用于检测水泥混浆设备中的水泥浆密度ρ₂；

f.泡沫水泥浆的密度ρ₁设定与检测模块11；其与泡沫水泥浆设备1连接，用于设定并检测所述泡沫水泥浆的密度ρ₁；

g.泡沫水泥浆流入油井时的第一流量F₁控制模块8；以及

h.水泥浆进入泡沫水泥浆设备的第二流量F₂控制模块9；

其中，所述第二流量F₂控制模块的控制的值是根据泡沫水泥浆的密度ρ₁设定与检测模块设定的ρ₁值、水泥浆密度ρ₂检测模块检测的ρ₂值，以及第一流量F₁控制模块的值通过式I来计算得到的，

ρ₁＝ρ₂*F₂/F₁ I。

实施例1：

泡沫现场固井施工作业中，根据现场作业需要通过泡沫水泥浆密度ρ₁设定与检测模块11设定的目标泡沫水泥浆密度ρ₁为1.4g/cm³。

为了具有上述目标密度的泡沫水泥浆，首先通过水泥浆密度ρ₂检测模块10测量水泥基浆密度1.88g/cm³，控制泡沫注入压力P₀＝0.4MPa，通过第一流量F₁控制模块8预先设定泡沫水泥浆设备出口的第一流量F₁＝0.8m³/min，通过第二流量F₂控制模块9通过公式I:：ρ₁＝ρ₂*F₂/F₁计算调节第二流量F₂＝0.6m³/min；即得到目标泡沫水泥浆密度1.4g/cm³。

实施例2

泡沫现场固井施工作业中，根据现场作业需要通过泡沫水泥浆密度ρ₁设定与检测模块11设定的目标泡沫水泥浆密度ρ₁为1.0g/cm³。

为了具有上述目标密度的泡沫水泥浆，首先通过水泥浆密度ρ₂检测模块10测量水泥基浆密度1.88g/cm³，控制泡沫注入压力P₀＝0.4MPa，通过第一流量F₁控制模块8预先设定泡沫水泥浆设备出口的第一流量F₁＝0.8m³/min，通过第二流 量F₂控制模块9通过公式I:：ρ₁＝ρ₂*F₂/F₁计算调节第二流量F₂＝0.4m³/min；即得到目标泡沫水泥浆密度1.0g/cm³。

实施例3

泡沫现场固井施工作业中，根据现场作业需要通过泡沫水泥浆密度ρ₁设定与检测模块11设定的目标泡沫水泥浆密度ρ₁为1.2g/cm³。

为了具有上述目标密度的泡沫水泥浆，首先通过水泥浆密度ρ₂检测模块10测量水泥基浆密度1.6g/cm³，控制泡沫注入压力P₀＝0.4MPa，通过第一流量F₁控制模8块预先设定泡沫水泥浆设备出口的第一流量F₁＝0.8m³/min，通过第二流量F₂控制模块9通过公式I:：ρ₁＝ρ₂*F₂/F₁计算调节第二流量F₂＝0.6m³/min；即得到目标泡沫水泥浆密度1.2g/cm³。

表1

通过该发明方法，可以通过稳定水泥泵出口排量，调节灌注泵排量，可以在泡沫注入压力为0.4MPa时，泡沫和水泥浆在固井水泥车水泥泵处按比例混合，并注入高压管汇区充分混合，现场取样测定泡沫水泥浆密度，通过现场实验发现泡沫水泥浆的密度均匀可调。

Claims (9)

1.一种泡沫水泥浆的配制方法，包括：

i)提供泡沫水泥浆混合装置，包括：

a.泡沫水泥浆设备，用于将水泥浆和泡沫混合得到泡沫水泥浆后直接注入油井以进行固井；

b.第一体积流量计，其设置于泡沫水泥浆设备的出口，用于测量所述泡沫水泥浆设备的出口的泡沫水泥浆的第一流量F₁；

c.水泥混浆设备，其通过第二体积流量计与所述泡沫水泥浆设备连接，为所述泡沫水泥浆设备提供水泥浆；所述第二体积流量计用于测量水泥浆进入泡沫水泥浆设备的第二流量F₂；

d.泡沫设备，其与泡沫水泥浆设备连接，为所述泡沫水泥浆设备提供泡沫；

ii)通过第一体积流量计测量所述泡沫水泥浆设备的出口的泡沫水泥浆的第一流量F₁；同时通过第二体积流量计测量水泥浆进入泡沫水泥浆设备的第二流量F₂；

iii)测量水泥浆的密度ρ₂，并固定第一流量F₁,根据公式I通过调节第二流量F₂来调节泡沫水泥浆的密度ρ₁使其达到目标值；

ρ₁＝ρ₂*F₂/F₁ I

其中，在上述过程中保持泡沫池的压力恒定。

2.一种泡沫水泥浆的配制方法，包括：

i)提供泡沫水泥浆混合装置，包括

a.泡沫水泥浆设备，用于将水泥浆和泡沫混合得到泡沫水泥浆后直接注入油井以进行固井；

b.第一体积流量计，其设置于泡沫水泥浆设备的出口，用于测量所述泡沫水泥浆设备的出口的泡沫水泥浆的第一流量F₁；

c.水泥混浆设备，其通过第二体积流量计与所述泡沫水泥浆设备连接，为所述泡沫水泥浆设备提供水泥浆；所述第二体积流量计用于测量水泥浆进入泡沫水泥浆设备的第二流量F₂；

d.泡沫设备，其与泡沫水泥浆设备连接，为所述泡沫水泥浆设备提供泡沫；

ii)通过第一体积流量计测量所述泡沫水泥浆设备的出口的泡沫水泥浆的第一流量F₁；同时通过第二体积流量计测量水泥浆进入泡沫水泥浆设备的第二流量F₂；

iii)测量水泥浆的密度ρ₂，并固定第一流量F₁,根据公式I通过调节第二流量F₂来调节泡沫水泥浆的密度ρ₁；

ρ₁＝ρ₂*F₂/F₁ I

其中，在上述过程中保持泡沫池的压力恒定；

iv)预先设定目标泡沫水泥浆密度ρ₁的目标值，通过式I计算得到所需F₂的目标值，并通过调节第二流量F₂至所述F₂的目标值，使得在泡沫水泥浆设备中得到的泡沫水泥浆的密度达到所述ρ₁的目标值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述泡沫水泥浆设备包括互相连接的固井水泥车和泵，其中固井水泥车通过泵分别与所述水泥混浆设备和泡沫设备连接。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述水泥混浆设备包括混浆池以及分别与混浆池连接的水泥灰罐车和注水车，且所述混浆池通过控制第二体积流量计与固井水泥车连接。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述泡沫设备包括互相连接的水泥发泡装置和泡沫池，所述泡沫池上设置有压力表。

6.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述第二体积流量计测量的第二流量F₂为0.4～0.7m³/min。

7.一种在根据权利要求2-6中任一项所述的方法中使用的装置，包括：

a.泡沫水泥浆设备，用于将水泥浆和泡沫混合得到泡沫水泥浆后直接注入油井以进行固井；

b.第一体积流量计，其设置于泡沫水泥浆设备的出口，用于测量所述泡沫水泥浆设备的出口的泡沫水泥浆的第一流量F₁；

c.水泥混浆设备，其通过第二体积流量计与所述泡沫水泥浆设备连接，为所述泡沫水泥浆设备提供水泥浆；所述第二体积流量计用于测量水泥浆进入泡沫水泥浆设备的第二流量F₂；

d.泡沫设备，其与泡沫水泥浆设备连接，为所述泡沫水泥浆设备提供泡沫；

e.水泥浆密度ρ₂检测模块；其与水泥混浆设备连接，用于检测水泥混浆设备中的水泥浆密度ρ₂；

f.泡沫水泥浆的密度ρ₁设定与检测模块；其与泡沫水泥浆设备连接，用于设定并检测所述泡沫水泥浆的密度ρ₁；

g.第一流量F₁控制模块；以及

h.第二流量F₂控制模块；

其中，所述第二流量F₂控制模块的控制的值是根据泡沫水泥浆的密度ρ₁设定与检测模块设定的ρ₁值、水泥浆密度ρ₂检测模块检测的ρ₂值，以及第一流量F₁控制模块的值通过式I来计算得到的，

ρ₁＝ρ₂*F₂/F₁ I。

8.一种根据权利要求2-6中任一项所述的方法在现场固井施工中的应用。

9.一种根据权利要求7所述的装置在现场固井施工中的应用。