CN106313324A - 一种用于制备泡沫水泥浆的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制备泡沫水泥浆的装置，其包括：泡沫发生组件，所述泡沫发生组件用于将水泥浆与起泡液混合而成的水泥基浆与氮气混合成泡沫水泥浆。水泥基浆为水泥浆与起泡液的混合物，将水泥基浆与氮气混合形成泡沫水泥浆，这样形成的泡沫水泥浆内的气泡分布均匀。由此，这种泡沫水泥浆在输送到油气井内的过程中起泡难以积聚。采用这种泡沫水泥浆进行固井时，泡沫水泥浆的密度更容易控制。尤其是不需要设置泡沫泵，降低了制备泡沫水泥浆的装置的成本。

Description

一种用于制备泡沫水泥浆的装置

技术领域

本发明涉及油气井工程领域，特别涉及一种用于制备泡沫水泥浆的装置。

背景技术

在固井过程中，泡沫水泥浆在油气井工程领域中作为一种低密度水泥浆在防止环空压力过大引起漏失、气井保证压稳、防止油气水窜、平衡固井压力、防止环空窜流等方面发挥重要作用。泡沫水泥浆硬化后形成水泥块，水泥块内部的气泡具有很好的保温性能，非常适合用于热采井，可以防止热量流失。目前，泡沫水泥浆的制备方式主要包括物理发泡法。物理发泡法包括以下步骤：

首先向水中加入起泡剂形成起泡液，起泡剂一般为表面活性物质，起泡剂用于降低气-水界面上的张力。然后向该起泡液中充气并搅拌该起泡液形成泡沫液。这些泡沫液通过泡沫泵送装置注入到混合组件中与水泥浆混合后形成泡沫水泥浆。由于泡沫液的密度比水泥浆的密度小很多，并且水泥浆和泡沫液的粘度均较大，水泥浆和泡沫液难以混合均匀。这种泡沫水泥浆中的泡沫容易聚集在一起，甚至与水泥浆分开，这样有可能导致泡沫水泥浆中的一些泡沫无法随水泥浆一起泵送至井下，造成井下的泡沫水泥浆密度过高。另外，泡沫泵送装置需要泵送气-液两相共存的泡沫液，其成本较高。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种用于制备泡沫水泥浆的装置，其包括：

泡沫发生组件，泡沫发生组件用于将由水泥浆与起泡液混合而成的水泥基浆与氮气混合成泡沫水泥浆。

在一个具体的实施例中，泡沫发生组件包括混合腔、出口端接通于混合腔且入口端用于输入氮气的音速喷嘴、出口端接通于混合腔且入口端用于输入水泥基浆的水泥基浆喷嘴以及接通于混合腔的泡沫水泥浆出口，

其中，音速喷嘴喷出的氮气流束与水泥基浆喷出的水泥基浆流束在混合腔内相互冲击然后相互混合形成泡沫水泥浆。

在一个具体的实施例中，装置还包括起泡液泵送组件，以及分别接通于泡沫发生组件和起泡液泵送组件的混合组件，

泡沫发生组件还用于接通氮气供给装置，氮气供给装置用于向泡沫发生组件输入氮气，

其中，起泡液泵送组件用于将起泡液输入到混合组件，混合组件用于将输入其内水泥浆与起泡液混合成水泥基浆并将水泥基浆输入到泡沫发生组件内。

在一个具体的实施例中，起泡液泵送组件包括入口用于接通起泡液源且出口用于接通混合组件的电动泵，起泡液源用于向电动泵提供起泡液。

在一个具体的实施例中，混合组件为在线混合器，混合组件的一个入口接通于电动泵的出口，另一个入口用于接通水泥浆泵送装置，混合组件的出口接通于泡沫发生组件，水泥浆泵送装置用于向混合组件输入水泥浆。

在一个具体的实施例中，装置还包括设置在泡沫发生组件和混合组件之间的且用于防止流体回流向混合组件的第一止回阀。

在一个具体的实施例中，装置还包括设置在泡沫发生组件和氮气供给装置之间的且用于防止流体回流向氮气供给装置的第二止回阀。

在一个具体的实施例中，装置还包括设置在起泡液泵送组件和混合组件之间的且用于防止流体回流向起泡液泵送组件的第三止回阀。

在一个具体的实施例中，装置还包括设置在第二止回阀和泡沫发生组件之间的管线上的排空阀。

在一个具体的实施例中，装置还包括调节单元，

调节单元用于根据输入到混合组件的水泥浆的体积流量、水泥浆的密度和起泡液的密度来调节输入到混合组件内的起泡液的体积流量以使得混合组件输出的水泥基浆达到预设密度。

在一个具体的实施例中，调节单元还用于根据输入到混合组件内的起泡液的体积流量、输入到混合组件的水泥浆的体积流量、水泥浆的密度、起泡液的密度、混合组件输出的水泥基浆的预设密度以及泡沫发生组件输出泡沫水泥浆的压强来调节输入到泡沫发生组件内的氮气量以使得泡沫水泥浆达到预设密度。

在一个具体的实施例中，调节单元包括连接于起泡液泵送组件的控制中心，连接于控制中心的且设置在混合组件与水泥浆泵送装置之间的第一流量变送器，连接于控制中心的且设置在混合组件和起泡液泵送组件之间的第二流量变送器，以及连接于控制中心的且设置在泡沫发生组件和混合组件之间的密度变送器，

第一流量变送器用于实时检测输入到混合组件内的水泥浆的体积流量，第二流量变送器用于实时检测输入到混合组件内的起泡液的体积流量，密度变送器用于实时检测混合组件输出的水泥基浆的密度，

控制中心根据输入到混合组件内的水泥浆的体积流量、水泥浆的密度、起泡液的密度以及水泥基浆的预设密度计算出起泡液的目标体积流量，

控制中心将第二流量变送器实时检测输入到混合组件内的起泡液的体积流量作为被控参数、将起泡液的目标体积流量为设定值、将起泡液泵送组件输出的起泡液的体积流量作为控制参数来进行定值调节。

在一个具体的实施例中，述调节单元还包括连接于控制中心的且设置在泡沫发生组件和氮气供给装置之间的管路上的流量调节阀，均连接于述控制中心的且均设置在流量调节阀和氮气供给装置之间的管路上的第一压力变送器、第三流量变送器和温度变送器，以及设置在泡沫发生组件的出口处的第二压力变送器，

第一压力变送器、第三流量变送器和温度变送器依次分别用于从氮气供给装置输入到流量调节阀的氮气的气压、体积流量以及温度，第二压力变送器用于测量泡沫发生组件输出泡沫水泥浆的压强，

控制中心还用于根据已测量到的井下温度、输入到混合组件内的水泥浆的体积流量、水泥浆的密度、起泡液的密度、水泥基浆的预设密度、泡沫水泥浆的预设密度以及氮气在第二压力变送器所测量到的压强下的密度来计算氮气在标准状况下的目标输入体积流量，

控制中心还用于根据从氮气供给装置输入到流量调节阀的氮气的气压、体积流量和温度计算出氮气在标准状况下的体积流量，

控制中心还将氮气在标准状况下的目标输入体积流量作为设定值、将氮气在标准状况下的体积流量为被控参数，将流量调节阀的开度作为控制参数来进行定值调节。

在一个具体的实施例中，起泡液的目标体积流量采用下列算计进行计算，

$Q_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_3\×Q_1-{\mathrm{\ρ}}_1\×Q_1}{{\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_3}$

式中，ρ₁为水泥浆的密度，ρ₂为起泡液的密度，ρ₃为水泥基浆的预设密度，Q₁为第一流量变送器测量到的水泥浆的体积流量，Q₂为起泡液的目标体积流量。

在一个具体的实施例中，氮气在标准状况下的目标输入体积流量采用下列算计进行计算，

$Q_4=\frac{({\mathrm{\ρ}}_3-{\mathrm{\ρ}}_4)\×({\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1)\×P\×T_1\×Q_1}{({\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_3)\×({\mathrm{\ρ}}_4-{\mathrm{\ρ}}_5)\×T\×P_1\×Z}$

式中，ρ₁为水泥浆的密度，ρ₂为起泡液的密度，ρ₃为预设的水泥基浆的密度，ρ₄为泡沫水泥浆的预设密度，Q₁为第一流量变送器测量到的水泥浆的体积流量，P₁为标准状况下的气压，P₁＝101.325kPa，T₁为标准状况下的温度，T₁＝273.15K，T为井下温度，P为第二压力变送器所测量到的泡沫发生组件输出的泡沫水泥浆的压强，ρ₅为氮气在压强P和井下温度T下的密度值，Z为氮气在压强P和井下温度T下的压缩因子，压缩因子为无量纲，Q₄为氮气在标准状况下的目标输入体积流量。

在本发明中，水泥基浆为水泥浆与起泡液的混合物，将水泥基浆与氮气混合形成泡沫水泥浆，这样形成的泡沫水泥浆内的气泡分布均匀。由此，这种泡沫水泥浆在输送到油气井内的过程中起泡难以积聚。采用这种泡沫水泥浆进行固井时，泡沫水泥浆的密度更容易控制。尤其是不需要设置泡沫泵，降低了制备泡沫水泥浆的装置的成本。

附图说明

图1显示了本发明的一种实施方式中的用于制备泡沫水泥浆的装置的连接示意图。

图2显示了图1中的泡沫发生组件的全剖示意图；

图3显示了图2中配气盘的全剖示意图；

图4显示了图2中的心轴的立体示意图；

图5显示了本发明的一种实施方式中的井下压强与井口泡沫水泥浆密度值的关系图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，用于制备泡沫水泥浆的装置400包括起泡液泵送组件、混合组件1以及泡沫发生组件100。

起泡液泵送组件包括电动泵3。电动泵3的入口连接于起泡液源2。起泡液源2容纳有起泡液。电动泵3优选为计量泵，采用计量泵可以更精确地调节起泡液的体积流量。

起泡液源2可以构造成用于容纳起泡液的罐体或箱体，也可以构造成在施工现场临时挖出的且用于容纳起泡液的小池。起泡液一般是起泡剂和水按一定比例混合而成的溶剂。起泡剂一般为用于减小气液界面张力的表面活性剂。起泡剂优选为泡沫混凝土发泡剂。

当起泡液源2构造为罐体或箱体时，起泡液源2底部设置有起泡液出口，起泡出口接通于电动泵3。起泡液源2还可以安装液位计，用于监测起泡液的液位。优选的，液位计为电子液位计。电动泵3用于泵送起泡液源2中的起泡液。更优选地，用于制备泡沫水泥浆的装置400还包括底座(未示出)。底座由角钢和/或工字梁制成。电动泵3和起泡液源2撬装在底座上。

混合组件1可以为管道在线混合器。混合组件1包括三通壳体以及设置在三通壳体内的折流板。三通壳体构造为大致的管形，三通壳体上设置相互接通的三个接口。其中，两个接口分别位于三通壳体的两端，剩下一个接口位于三通壳体的侧壁。位于侧壁上的接口为起泡液入口，位于两端的两个接口分别为水泥浆入口和水泥基浆出口。

混合组件1的起泡液入口接通于电动泵3的出口，混合组件1的水泥浆入口接通于水泥浆泵送装置500的水泥浆出口。水泥浆泵送装置500用于高压泵送水泥浆，水泥浆泵送装置500可以是水泥泵车。折流板用于改变泵入到三通壳体内的且汇合后的水泥浆和起泡液流向，使之产生紊流，加速水泥浆和起泡液的混合。水泥浆和起泡液充分混合后形成水泥基浆，水泥基浆从混合组件1的水泥基浆出口输出。优选地，折流板可以设置成螺旋叶片，以在混合组件1的折流板处形成涡流室，水泥浆和起泡液的混合物在涡流室螺旋状流动，由此，混合组件1传质效率提高，压降和能量消耗非常低。

如图2所示，泡沫发生组件100主要包括水泥基浆注入部30、氮气注入部50以及均化部70。水泥基浆注入部30具有轴向的水泥基浆入口31；氮气注入部50包括径向的进气口51、以及与进气口51和水泥基浆入口31均相接通并且沿轴向设置的混合腔52。

其中，混合腔52由配气盘53内壁形成。配气盘53的周壁内设置有音速喷嘴55，音速喷嘴55为先渐缩后渐放的通道，该通道的最窄处(即该通道的径向截面的截面积最小处)为音速喷嘴55的喉部。进气口51通过音速喷嘴55接通于混合腔52。水泥基浆入口31的下游设置水泥基浆喷嘴32，水泥基浆入口31通过水泥基浆喷嘴32与混合腔52相接通。水泥基浆喷嘴32可以为向混合腔52方向渐缩的通道。音速喷嘴55接通于混合腔52的端部与配气盘53的轴线垂直(分布如图2所示)，水泥基浆喷嘴32接通于混合腔52的端部与配气盘53的轴线平行。

氮气注入部50的进气口51用于接通氮气供给装置200的氮气出口，水泥基浆注入部30的水泥基浆入口31接通于混合组件1的水泥基浆出口。氮气供给装置200用于向泡沫发生组件100充入高压氮气。氮气供给装置200可以是液氮泵车。这样，从音速喷嘴55的喷射出的氮气流方向与水泥基浆喷嘴32的喷射方向相互垂直。由于氮气的注入方向与水泥基浆的注入方向垂直，使氮气与水泥基浆能够更好地在内混合。需要指出的是，本发明中提到的水泥基浆含有起泡剂。当充入高压氮气和高压的水泥基浆时，高速喷射的水泥基浆流和高速喷射的氮气流在混合腔52内相互冲击，水泥基浆流冲散氮气流，然后水泥基浆包裹氮气形成泡沫。另外，氮气通过音速喷嘴55时达到临界速度后，氮气质量流量仅与入口端的压强和喷嘴直径的大小有关。当需要调节氮气质量流量时，最简单的做法就是改变进气口51处的气体压强。

水泥基浆喷嘴32的直径小于水泥基浆入口31的直径。由于注入水泥浆水泥基浆入口31的质量流量和压强一定，因此当水泥基浆喷嘴32的直径小于所述水泥基浆入口31的直径时，在水泥基浆喷嘴32处加快了水泥浆的喷射速度，从而增加了氮气和水泥浆体的混合能量。在本发明中，经过水泥浆喷嘴的水泥浆的喷射速度高于10m/s。

如图3所示，音速喷嘴55在配气盘53的内壁上沿周向等间距分布。在配气盘53的内壁上这样设置音速喷嘴55，可使混合腔52内的气体质量流量更为均匀，气压更为稳定，从而利于水泥浆和氮气的均匀混合。优选地，音速喷嘴55的个数为4个。通过设置不同个数的音速喷嘴55来控制和调节气体的质量流量和压强。另外，音速喷嘴55可通过在配气盘53上打孔来进行固定。

如图2所示的实施例中，均化部70包括一具有中空腔室的外壳71。在所述外壳71内设置有用于提供螺旋流道的心轴72。该心轴72可进一步均化经混合腔52流过的泡沫水泥浆，使泡沫水泥浆内的气泡更均匀，从而达到固井施工的使用要求。

优选地，如图4所示，心轴72具有多个均化叶片73，所述的多个均化叶片73在周向上分别设置成与轴向呈同一夹角a并等间距排列，在轴向上设置为镜像排列，其中夹角a优选为10°。这样的设置可以为混合腔52中的泡沫水泥浆提供一个环空螺旋流道，在均化叶片73的切割、扰流的作用下，形成漩涡流，将泡沫水泥浆的大气泡粉碎为细小的气泡，形成满足固井施工要求的含微小气泡的泡沫水泥浆。

在如图2所示的实施例中，水泥基浆注入部30的水泥基浆入口31处和氮气注入部50的进气口51处设置有由壬短节34和由壬短节54。这样的设置可以方便外部的高压气体设备与氮气注入部50的进气口51、水泥浆车与水泥基浆注入部30的水泥基浆入口31的连接与拆卸，并且由壬连接的连接性能也比较可靠，可以承受高压、高速流体的冲击。外部的高压气体设备注入的氮气优选为25MPa。根据进气口与进料口所进入物质的状态的不同，可选择不同的由壬短节，优选地，由壬短节34选择为2寸，由壬短节54选择为1寸。

另外，根据本发明，如图2所示，均化部70还包括设置在心轴72两端的均化器固定板74。均化器固定板74的设置能够将心轴72固定在均化器外壳71内，使心轴72不会随泡沫水泥浆的运动而发生转动或移动，从而承受由混合腔52内射入的高速泡沫水泥浆流。

如图2所示的实施例中，均化部70一端与氮气注入部50固定连接，另一端由支撑管80进行固定，支撑管80上设置有与外界接通的泡沫水泥浆出口90。经过均化器70充分混合的泡沫水泥浆流经支撑管80从泡沫水泥浆出口90流出，支撑管80的设置一方面对均化器70和泡沫水泥浆出口90起固定连接作用，另一方面为具有一定速度的泡沫水泥浆提供一个减速缓冲的通道，并直接运用到固井施工中。泡沫水泥浆出口90用于接通取样桶20和油气井300。

优选地，支撑管80与均化部70、均化部70与氮气注入部50、氮气注入部50与水泥基浆注入部30的连接处均设置有密封件60。由于在该泡沫发生组件100工作时，其内部一直为高压、高流状态，因此需要在各组件的连接处设置密封件60，这样可以使其工作状态更为稳定。

根据本发明提出的用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生组件100，本发明设计成三通结构，并利用高压气液射流和均化器内的螺旋流，实现气、液、固三相流体的充分混合发泡，连续、稳定地产生高质量的泡沫水泥浆，浆体形如“奶昔”，气泡均匀、细腻。并且，由于该用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生组件100内部没有活动部件，便于现场快速安装与清洗，而且音速喷嘴55也可实现快速拆卸和更换。

如图1所示，用于制备泡沫水泥浆的装置400还包括第一止回阀5、第二止回阀7、以及第三止回阀4。第一止回阀设置在泡沫发生组件100的水泥基浆入口和混合组件1的水泥基浆出口之间的管线上，用于防止流体回流向混合组件1。第二止回阀7设置在泡沫发生组件100的音速喷嘴55和氮气供给装置200的出气口之间的管线上，用于防止流体回流向氮气供给装置200。第三止回阀4设置在电动泵3的出口和混合组件1的起泡液入口之间的管线上，用于防止流体流向电动泵3。

用于制备泡沫水泥浆的装置400开始工作时，一般先启动水泥浆泵送装置100和打开氮气供给装置200，然后再启动电动泵3。这样，第一止回阀5、第二止回阀7、以及第三止回阀4可以分别防止各自下游的物料和压强反窜到上游，以避免损坏各自上游的器件。

优选地，用于制备泡沫水泥浆的装置400还包括排空阀8。在第二止回阀7和泡沫发生组件100之间的管路上设置三通。三通的主管的两端分别连接第二止回阀7和泡沫发生组件100。排空阀8设置在三通的支路上。排空阀8用于在氮气注入完成后排空其第二止回阀7下游管线和泡沫发生组件中的氮气。

用于制备泡沫水泥浆的装置400还包括调节单元。调节单元包括连接于电动泵3的控制中心19，以及均连接于控制中心19的第一流量变送器11、第二流量变送器12、第三流量变送器17、密度变送器13、第一压力变送器15、温度变送器16、流量调节阀18和第二压力变送器14。控制中心19可以是计算机。第一流量变送器11设置在混合组件1的水泥浆输入口上游管路上，用于实时监测水泥浆流入混合组件1中的体积流量。第二流量变送器12设置在混合组件1的起泡液入口和电动泵3的出口之间的管线上，用于监测起泡液流入混合组件1中的体积流量。密度变送器13设置在连接混合组件1和泡沫发送组件100的管线上，用于实时测量混合组件1输出的水泥基浆的密度值。流量调节阀18设置在泡沫发生组件100的进气口51和氮气供给装置200的管线上，流量调节阀18用于控制输入到泡沫发送组件100内的氮气的流量。第三流量变送器17、第一压力变送器15、温度变送器16依次设置在流量调节阀18和所述氮气供给装置200之间的管线上。第三流量变送器17、第一压力变送器15、温度变送器16依次分别用于实时监测输入的氮气的体积流量、气压和温度。第二压力变送器14设置在泡沫发生组件100的泡沫水泥浆出口90，用于监测泡沫发生组件100输出的泡沫水泥浆的压强值。

调节单元用于根据输入该装置的水泥浆的体积流量、水泥浆的密度和起泡液的密度来实时调节起泡液的体积流量，以获得预设密度的水泥基浆。下面具体进行说明。

在该装置启动前，首先需要将水泥浆的密度ρ₁、起泡液的密度ρ₂以及预设的水泥基浆的密度ρ₃输入到控制中心19。水泥浆的密度ρ₁和起泡液的密度ρ₂可以是直接测得的，也可以是配制水泥浆和起泡液的时候推算出来的。本领域的技术人员可以根据固井的施工条件来确定预设的水泥基浆的密度ρ₃。第一流量变送器11可以测得水泥浆的体积流量Q₁。在控制中心19工作时，起泡液的目标体积流量Q₂可以按照下列算式计算出来：

$Q_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_3\×Q_1-{\mathrm{\ρ}}_1\×Q_1}{{\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_3}---\left(1\right)$

(1)式中，Q₁、Q₂的单位均为m³/s；ρ₁、ρ₂、ρ₃的单位均为kg/m³。

然后，控制中心19根据起泡液的目标体积流量Q₂来控制电动泵3的功率，使得电动泵3的输出的起泡液流量等于起泡液的目标体积流量Q₂。在本实施例中，调节单元采用负反馈闭环控制的方法来调节。即将起泡液的目标体积流量Q₂作为设定值，将电动泵3输出的起泡液的体积流量作为控制参数，将第二流量变送器12所检测到的体积流量值作为被控参数而进行的定值调节。调节规律优选为PID调节。具体地，将第二流量变送器12所检测到的体积流量Q₃与起泡液的目标体积流量Q₂相比较，若Q₃大于Q₂则将电动泵3的功率减小；若Q₃小于Q₂则将电动泵3的功率增大；若Q₃等于Q₂则不进行调节。

按上述方法进行调节，即可获得密度为预设密度ρ₃的水泥基浆。

调节单元还用于根据第二压力变送器14所测得的输出的泡沫水泥浆的压强值P、水泥浆的体积流量Q₁、起泡液的目标体积流量Q₂、预设的水泥基浆的密度ρ₃、泡沫水泥浆的预设密度ρ₄以及来实时调节氮气的输入体积流量Q₅，以获得预设密度ρ₄的泡沫水泥浆。如图5所示，技术人员可以根据油气井300的待固封段的设计井下压强(即图5中的井下压强)获得泡沫水泥浆出口90处的泡沫水泥浆密度的预设值ρ₄(即如图5所示的井口泡沫水泥浆密度值)。

在该装置启动前，还需要将井下温度T、泡沫水泥浆的预设密度ρ₄、井下温度T和泡沫输出压强值P与氮气的压缩因子Z的关系以及井下温度T和泡沫输出压强值P与氮气的密度ρ₅的关系输入到控制中心19。

在进行固井施工前，本领域的技术人员可将温度传感器放入到井底而测得井下温度T的值。本领域的技术人员可以根据固井的施工条件获得所需要的泡沫水泥浆的预设密度ρ₄。如表一所示，氮气在温度和压强值已知的条件下，氮气的压缩因子是确定。

氮气在在温度和压强值已知的条件下，氮气的密度也确定值。如下算式可计算出特定温度和压强下的氮气的密度：

${\mathrm{\ρ}}_5=\frac{1.25\×P\×T_1}{P_1\×Z\×T}---\left(2\right)$

(2)式中，P₁为标准状况下的气压，P₁＝101.325kPa。T₁为标准状况下的温度，T₁＝273.15K。T为井下温度，T的单位为K。P为泡沫水泥浆输出时的压强，P的单位为kpa。ρ₅为氮气在压强P和温度T下的密度值，单位为kg/m³。Z为氮气在压强P和井下温度T下的压缩因子，压缩因子为无量纲。

在控制中心19工作时，氮气在标准状况下(即在标准状况气压和标准状况温度条件下)的目标输入体积流量Q₄可以按照下列算式计算出来：

$Q_4=\frac{({\mathrm{\ρ}}_3-{\mathrm{\ρ}}_4)\×(Q_1+Q_2)\×P\×T_1}{({\mathrm{\ρ}}_4-{\mathrm{\ρ}}_5)\×T\×P_1\×Z}---\left(3\right)$

(3)式中，P₁为标准状况下的气压，P₁＝101.325kPa。T₁为标准状况下的温度，T₁＝273.15K。T为井下温度，T的单位为K。P为泡沫水泥浆输出的压强值，P的单位为kpa。ρ₅为氮气在压强P和井下温度T下的密度值，单位为kg/m³。Z为氮气在泡沫输出压强P和井下温度T下的压缩因子，压缩因子为无量纲。ρ₃、ρ₄、ρ₅的单位均为kg/m³。Q₁、Q₂、Q₄的单位均为m³/s。

将(1)式带入到(3)式中可得：

$Q_4=\frac{({\mathrm{\ρ}}_3-{\mathrm{\ρ}}_4)\×({\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1)\×P\×T_1\×Q_1}{({\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_3)\×({\mathrm{\ρ}}_4-{\mathrm{\ρ}}_5)\×T\×P_1\×Z}---\left(4\right)$

(4)式中，P₁为标准状况下的气压，P₁＝101.325kPa。T₁为标准状况下的温度，T₁＝273.15K。T为井下温度，T的单位为K。P为泡沫水泥浆输出的压强值，P的单位为kpa。ρ₅为氮气在压强P和井下温度T下的密度值，单位为kg/m³。Z为氮气在泡沫输出压强P和井下温度T下的压缩因子，压缩因子为无量纲。ρ₃、ρ₄、ρ₅的单位均为kg/m³。Q₁和Q₄的单位均为m³/s。

在控制中心19也可以直接根据(4)式计算出氮气的目标输入体积流量Q₄。

氮气的目标输入体积流量Q₄为标准状况下输入到该装置中的目标体积流量。

然后，控制中心19根据氮气的目标输入体积流量Q₄来控制流量调节阀18的开度，使得通过流量调节阀18的氮气在标准状况下的体积流量Q₅等于目标输入体积流量Q₄。具体地，第三流量变送器17实时监测氮气的输入体积流量Q₆，第一压力变送器15实时监测氮气的输入气压P₂，温度变送器16实时监测氮气的输入温度T₂。控制中心19根据下列算式计算出通过流量调节阀18的氮气在标准状况下的体积流量Q₅：

$Q_5=\frac{Q_6\×P_2\×T_1}{Z_1\×P_1\×T_2}---\left(5\right)$

(5)式中，P₁为标准状况下的气压，P₁＝101.325kPa。T₁为标准状况下的温度，T₁＝273.15K。P₂为氮气输入的压强值，P₂的单位为kpa。Z₁为氮气在压强P₂和温度T₂下的压缩因子，压缩因子为无量纲。Q₆为氮气输入的体积流量，Q₆的单位为kpa。

这样，就计算出了输入的氮气在标准状况下的体积流量Q₅。

控制中心19根据氮气的目标输入体积流量Q₄来流量调节阀18的开度，使得通过流量调节阀18的氮气在标准状况下的体积流量Q₅等于氮气的目标输入体积流量Q₄。在本实施例中，调节单元采用负反馈闭环控制的方法来调节。将氮气的目标输入体积流量Q₄作为设定值，将通过流量调节阀18的氮气在标准状况下的体积流量Q₅作为被控参数，将流量调节阀18的开度作为控制参数来进行定值调节。调节规律优选为PID调节。具体地，控制中心19将氮气在标准状况下的体积流量Q₅与氮气的目标输入体积流量Q₄进行比较，若氮气在标准状况下的体积流量Q₅小于氮气的目标输入体积流量Q₄则增加流量调节阀18的开度；则减小流量调节阀18的开度；若氮气在标准状况下的体积流量Q₅等于氮气的目标输入体积流量Q₄则不进行调节。

油气井300为直井或水平井。需要在套管管道与油气井300的裸井壁之间填充泡沫水泥浆。泡沫水泥浆凝固以后形成用于固封油气井300的泡沫水泥管。在进行固井时，向油气井300的裸井内下入多个套管，这些套管首尾相接形成套管管道。采用本装置注入泡沫水泥浆，泡沫发生组件100的泡沫水泥浆出口90接通于套管管道的位于井口的开口。泡沫发生组件100向套管管道内注入泡沫水泥浆，泡沫水泥浆顺着套管管道从套管管道的底端流出。然后，泡沫水泥浆沿着套管管道与油气井300的裸井壁之间的环空上升。在泡沫水泥浆上升的过程中，注入泡沫水泥浆的阻力变大，导致泡沫水泥浆的输出压强P不断增大。在此过程中，由于本装置根据水泥浆的输入流量和泡沫水泥浆的输出压强P实时调节氮气的输入量和起泡液的输入流量，以使得本装置输出的泡沫水泥浆的密度维持在预设值上。这样，泡沫水泥浆固化后，在井内形成密度相同或相近的泡沫水泥块，采用密度相同或相近的泡沫水泥块来封固油气井300的封固效果更好。

优选地，当电动泵3为电动计量泵时，对电动泵3的调节为调节电动泵3的频率或冲程。

优选地，设置音速喷嘴的口径大小，使得音速喷嘴入口端的气压为音速喷嘴出口端的气压的1.89倍以上。这样设置的好处在于氮气的输入量(即氮气在标准状况下的体积流量Q₅)与流量调节阀出口端的氮气压强呈线性关系，调节单元可以更精确控制氮气的输入量。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

表一 氮气的压缩因子表

Claims (15)

1.一种用于制备泡沫水泥浆的装置，其特征在于，包括：

泡沫发生组件，所述泡沫发生组件用于将由水泥浆与起泡液混合而成的水泥基浆与氮气混合成泡沫水泥浆。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述泡沫发生组件包括混合腔、出口端接通于所述混合腔且入口端用于输入所述氮气的音速喷嘴、出口端接通于所述混合腔且入口端用于输入所述水泥基浆的水泥基浆喷嘴以及接通于所述混合腔的泡沫水泥浆出口，

其中，所述音速喷嘴喷出的氮气流束与水泥基浆喷出的水泥基浆流束在所述混合腔内相互冲击以混合成所述泡沫水泥浆。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括起泡液泵送组件，以及分别接通于所述泡沫发生组件和所述起泡液泵送组件的混合组件，

所述泡沫发生组件还用于接通氮气供给装置，所述氮气供给装置用于向所述泡沫发生组件输入所述氮气，

其中，所述起泡液泵送组件用于将所述起泡液输入到所述混合组件，所述混合组件用于将输入其内的所述水泥浆与所述起泡液混合成所述水泥基浆并将所述水泥基浆输入到所述泡沫发生组件内。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述起泡液泵送组件包括入口用于接通起泡液源且出口用于接通所述混合组件的电动泵，所述起泡液源用于向所述电动泵提供所述起泡液。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述混合组件为在线混合器，所述混合组件的一个入口接通于所述电动泵的出口，另一个入口用于接通所述水泥浆泵送装置，所述混合组件的出口接通于所述泡沫发生组件，所述水泥浆泵送装置用于向所述混合组件输入所述水泥浆。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置在所述泡沫发生组件和所述混合组件之间的且用于防止流体回流向所述混合组件的第一止回阀。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置在所述泡沫发生组件和所述氮气供给装置之间的且用于防止流体回流向所述氮气供给装置的第二止回阀。

8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置在所述起泡液泵送组件和所述混合组件之间的且用于防止流体回流向所述起泡液泵送组件的第三止回阀。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置在所述第二止回阀和泡沫发生组件之间的管线上的排空阀。

10.根据权利要求3至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括调节单元，

所述调节单元用于根据输入到所述混合组件的水泥浆的体积流量、所述水泥浆的密度和所述起泡液的密度来调节输入到所述混合组件内的起泡液的体积流量以使得所述混合组件输出的水泥基浆达到预设密度。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述调节单元还用于根据输入到所述混合组件内的起泡液的体积流量、输入到所述混合组件的水泥浆的体积流量、所述水泥浆的密度、所述起泡液的密度、所述混合组件输出的水泥基浆的预设密度以及所述泡沫发生组件输出泡沫水泥浆的压强来调节输入到所述泡沫发生组件内的氮气量以使得所述泡沫水泥浆达到预设密度。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述调节单元包括连接于所述起泡液泵送组件的控制中心，连接于所述控制中心的且设置在所述混合组件与所述水泥浆泵送装置之间的第一流量变送器，连接于所述控制中心的且设置在所述混合组件和所述起泡液泵送组件之间的第二流量变送器，以及连接于所述控制中心的且设置在所述泡沫发生组件和所述混合组件之间的密度变送器，

第一流量变送器用于实时检测输入到所述混合组件内的水泥浆的体积流量，第二流量变送器用于实时检测输入到所述混合组件内的起泡液的体积流量，密度变送器用于实时检测所述混合组件输出的水泥基浆的密度，

所述控制中心根据输入到所述混合组件内的水泥浆的体积流量、所述水泥浆的密度、所述起泡液的密度以及水泥基浆的预设密度计算出所述起泡液的目标体积流量，

所述控制中心还将第二流量变送器实时检测输入到所述混合组件内的起泡液的体积流量作为被控参数、将所述起泡液的目标体积流量为设定值、将所述起泡液泵送组件输出的起泡液的体积流量作为控制参数来进行定值调节。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述调节单元还包括连接于所述控制中心的且设置在所述泡沫发生组件和所述氮气供给装置之间的管路上的流量调节阀，均连接于述控制中心的且均设置在所述流量调节阀和所述氮气供给装置之间的管路上的第一压力变送器、第三流量变送器和温度变送器，以及第二压力变送器，

所述第一压力变送器、第三流量变送器和温度变送器依次用于实时检测从所述氮气供给装置输入到所述流量调节阀的氮气的气压、体积流量和温度，所述第二压力变送器用于测量所述泡沫发生组件输出泡沫水泥浆的压强，

所述控制中心还用于根据已测量到的井下温度、输入到所述混合组件内的水泥浆的体积流量、所述水泥浆的密度、所述起泡液的密度、所述水泥基浆的预设密度、所述泡沫水泥浆的预设密度以及氮气在所述第二压力变送器所测量到的压强下的密度来计算氮气在标准状况下的目标输入体积流量，

所述控制中心还用于根据从所述氮气供给装置输入到所述流量调节阀的氮气的气压、体积流量和温度计算出氮气在标准状况下的体积流量，

所述控制中心还将氮气在标准状况下的目标输入体积流量作为设定值、将氮气在标准状况下的体积流量为被控参数，将所述流量调节阀的开度作为控制参数来进行定值调节。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述起泡液的目标体积流量采用下列算计进行计算，

$Q_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_3\×Q_1-{\mathrm{\ρ}}_1\×Q_1}{{\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_3}$

式中，ρ₁为所述水泥浆的密度，ρ₂为所述起泡液的密度，ρ₃为水泥基浆的预设密度，Q₁为第一流量变送器测量到的水泥浆的体积流量，Q₂为所述起泡液的目标体积流量。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述氮气在标准状况下的目标输入体积流量采用下列算计进行计算，

$Q_4=\frac{({\mathrm{\ρ}}_3-{\mathrm{\ρ}}_4)\×({\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1)\×P\×T_1\×Q_1}{({\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_3)\×({\mathrm{\ρ}}_4-{\mathrm{\ρ}}_5)\×T\×P_1\×Z}$

式中，ρ₁为所述水泥浆的密度，ρ₂为所述起泡液的密度，ρ₃为水泥基浆的预设密度，ρ₄为泡沫水泥浆的预设密度，Q₁为第一流量变送器测量到的水泥浆的体积流量，P₁为标准状况下的气压，P₁＝101.325kPa，T₁为标准状况下的温度，T₁＝273.15K，T为井下温度，P为第二压力变送器所测量到的所述泡沫发生组件输出的泡沫水泥浆的压强，ρ₅为氮气在压强P和井下温度T下的密度值，Z为氮气在压强P和井下温度T下的压缩因子，压缩因子为无量纲，Q₄为所述氮气在标准状况下的目标输入体积流量。