CN109397538B - 一种泡沫水泥浆发生器和水泥浆带压充气装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种泡沫水泥浆发生器和水泥浆带压充气装置及其应用

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

基于上述本领域现有技术现状，本发明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。

根据本发明的一个方面，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。

根据本发明的优选实施方式，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。

根据本发明的优选实施方式，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。

根据本发明的优选实施方式，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。

根据本发明的另一个方面，提供了一种水泥浆带压充气装置，包括：

根据本发明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。

在本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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。

在本发明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。

根据本发明，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。

根据本发明，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。

根据本发明，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。

根据本发明，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。

根据本发明，所述装置中的接口均以密封连接。

根据本发明，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。

根据本发明，如无特别说明，所述装置中涉及的阀门优选采用高压球阀。

根据本发明的再一方面，提供了一种根据本发明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。

在本发明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。

在本发明中，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。

在本发明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域技术中现有的那些发泡剂和稳泡剂。

在步骤E中，由于取样器内设有活塞，且两端均安装有阀门，因此能够满足取样器带压取样。在本发明的一些具体实施方式中，所述应用方法还包括将装有泡沫水泥浆的取样器进行养护，使水泥浆固化成水泥石，然后从取样器中取出，用于测试。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括但不限于

(1)本发明提供并使用了结构简单、设计合理的泡沫发生器，使其易于加工，又能提高发泡效果，而且能够满足模拟试验中带压取样；

(2)本发明提供的水泥浆带压充气装置可以真实模拟现场水泥浆高压充气发泡过程，在高压条件下进行泡沫水泥取样，为高压泡沫水泥性能的真实评价奠定基础，有助于正确指导固井环境下的发泡水泥浆体系和加工工艺的选择；

(3)本发明提供的水泥浆带压充气装置采用结构简单的部件，构成简单的整体体系，实现复杂的高压充气和取样模拟实验过程，可谓低投入高产生；

(4)通过本装置及方法，可模拟不同氮气气压力、泡沫发生器结构、不同工况对发泡效果的影响，为泡沫水泥固井优化提供实验指导。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的泡沫水泥浆发生器的结构示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的水泥浆带压充气装置示意图。

其中，在附图中相同的部件用相同的附图标记；附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但应理解，本发明的范围并不限于以下示例性实施例和附图。

图1显示了根据本发明的一个具体实施例的泡沫水泥浆发生器的结构示意图。泡沫水泥浆发生器包括混合均泡室作为主体，水泥浆和气体于其中进行混合形成泡沫水泥浆。混合均泡室顶部设有水泥浆入口，用于引入待充气的水泥浆；在混合均泡室侧面上分别设有气体入口和泡沫水泥浆出口，分别用于引入用于充气的气体和排出充气的水泥浆。其中，气体入口和泡沫水泥浆出口优选设在混合均泡室上相距较远的位置上，例如分别设置在同一水平上距离最远的两个位置，以便于水泥浆在混合均泡室中得以更加充分的混合。

在如图1所示的具体实施例中，所述混合均泡室包括相互贯通的混合腔和均泡腔。优选地，如图1所示，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。当水泥浆从混合腔顶部进入后，在混合腔内与导入的气体进行一次混合；随着水泥浆被气体带入均泡腔，其在均泡腔中与气体进行二次混合，且在扰流组件作用下，水泥浆在均泡腔中曲折流通，使其中形成的大气泡被破除，而在水泥浆中产生细密的小气泡。

其中，在本发明的一些优选实施方式中，均泡扰流组件为螺旋组块、数个珠子或数个依次排布的孔板。例如，图1示出了采用螺旋组块作为均泡扰流组件的泡沫水泥浆发生器的例子。所述螺旋组块为具有螺旋形状的构件，例如由金属板构造成的螺旋状金属板构件，还可以是具有中心轴和围绕中心轴形成的螺旋叶的构件。在进一步优选的实施方式中，所述螺旋组块上设有通孔(图中未示出)，以减小流体通过时的阻力，从而可相对减小充气压力，加速充气效率。

可替代地，均泡扰流组件还可以是依次交错排布的若干孔板。优选地，每一个孔板呈半圆形，前后两个孔板交错设置，使得水泥浆绕过孔板或通过孔板分布的孔向前流动。

优选地，均泡腔与混合腔被设置成体积比在3-6:1，这样水泥浆经过在混合腔进行一次混合和在体积更大的均泡腔中进行二次混合后，得到气泡细密分布的泡沫水泥浆。

在本发明的一个优选实施方式中，均泡腔设置成椭圆柱形，有利于水泥浆在设有扰流组件的均泡腔中通过，且在其中与气体均匀地接触混合。

在本发明的一些优选实施方式中，气体入口设置在混合均泡室高度的3/1至2/1位置，例如设置在混合均泡室高度的2/1位置，以便在水泥浆从混合均泡室顶部进入后，气体将水泥浆尽可能地吹向均泡腔中进行二次混合。在本发明的一个优选实施方式中，气体入口与泡沫水泥浆出口设置在混合均泡室的同一水平轴向上，这样不仅可以使水泥浆均匀充气泡，还便于泡沫水泥浆被快速排出，从而提高充气处理效率。

优选地，水泥浆入口和气体入口分别设置有喷嘴。水泥浆和气体以喷洒的形式进入混合均泡室中进行混合。气体从横向喷入，水泥浆从纵向进入，气体与水泥浆交汇，并且具有一定压力的气体将纵向进入的水泥浆推送进入均泡腔中进一步混合。

在本发明的一些优选实施方式中，喷嘴与与均泡腔入口的上侧边缘和下侧边缘形成的夹角在60-80度。在气体射入时，调节气体压力，使水泥浆被来自气体入口的喷嘴以60-80度的角度推送到均泡腔中，这样能够使水泥浆和气体达到最佳的接触和混合状态，提高充气效果。

在本发明的一些优选实施方式中，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。挡流组件设置成单向挡流，作用是当水泥浆进入混合腔，而气体并未喷入时，防止水泥浆倒流进入与混合腔连接的用于通气体的喷管中从而造成污染或堵塞。所述挡流组件可以设置在混合均泡室的侧壁上，也可以设置在与混合腔连接的喷管中，例如在气体入口附件。优选地，所述挡流组件为单向阀。

以图1所示的泡沫水泥浆发生器为例，其在作用过程中，混配好的水泥浆从设于发生器顶部的入口喷入，来自于发生器连接的气源、例如高压氮气源的气体从设于发生器中部的入口水平喷入，气体与水泥浆发生交汇接触，进行一次混合，带有压力的气体将水泥浆推送进入均泡腔中，在均泡扰流组件的作用下，二者继续发生接触混合，进行二次混合，且在这过程中，水泥浆中的大气泡被挤破，而在水泥浆中仅形成细密的气泡。随着气体不断喷入，所形成的泡沫水泥浆从设于均泡腔的出口中排出，完成一次水泥浆充气过程。

图2是根据本发明的一个具体实施例的水泥浆带压充气装置的示意图。如图所示，该装置包括泡沫水泥浆发生器。泡沫水泥浆发生器具有混合均泡室作为主体，混合均泡室具有由气体入口、水泥浆入口和泡沫水泥浆出口形成的三通(类T型)结构。在优选的情况下，该泡沫水泥浆发生器具有如图1所示的结构。

泡沫水泥浆发生器的水泥浆入口在纵轴(径向)方向上，气体入口和泡沫水泥浆出口在横轴(轴向)方向上。在出口和入口处的连接采用密封连接，例如采用螺纹密封连接。采用三通结构的泡沫水泥浆发生器，不仅从机械加工的角度来看简化了发生器的铸造难度，而且从实际应用角度来看有利于实现气体与水泥浆的充分接触的同时，横向吹入的气体还可起到将发泡后的水泥浆吹出发生器的出口的作用。加上对扰流组件的巧妙设计，本发明使用的泡沫水泥浆发生器简化了自身内部构造，还极大地简化了泡沫发生器的辅助组件，例如不需要设置循环回路、不需要将泡沫发生器设计为混合缸和活塞缸组合的复杂模式等，还简化了水泥浆带压充气装置的其他附件，以简单的构造实现水泥浆发泡和复杂的带压取样测试功能。

图2所示装置还包括从纵向上给泡沫水泥浆发生器供给水泥浆的供料组件，包括水泥浆配制容器和输送泵。

水泥浆配制容器内设有搅拌叶或其他搅拌组件，还设有出口和出口阀门。在水泥浆配制过程中，出口阀门关闭。将水泥、水等原料投入水泥浆配制容器中进行混配，然后添加适量的发泡剂和稳泡剂，慢速搅拌混匀。水泥浆配制容器的溶剂可根据实际需要，综合泡沫发生器、管线等其他部件的能力来设计。例如在实验室使用条件下，可以设计成一次可配制水泥浆30-50L。

水泥浆配制完毕后，打开泡沫发生器的出口阀门，启动输送泵，将水泥浆以一定排量注入泡沫发生器中。在一些具体实施例中，所述排量可以在0.5-2.0L/min的范围。

在本发明的优选实施方式中，输送泵采用螺杆泵。螺杆泵用以模拟施工现场的水泥泵车。水泥浆是粘性较大的半流体，且可能含有固体，相对不易于被平稳输送，另外考虑到水泥浆发泡和带压取样过程时间较短，应使整个体系尽快达到平稳状态，本发明选用了螺杆泵来定量输入水泥浆。螺杆泵依靠由螺杆和衬套形成的密封腔的容积变化来吸入和排出液体，具有流量平稳、压力脉动小、有自吸能力、效率高、工作可靠等特点，尤其是输送介质时不形成涡流、对介质的粘性不敏感，可输送高粘度介质。因此，通过采用螺杆泵，使水泥浆被定量且可调节地、平稳地输送至泡沫发生器中。

在本发明的优选实施方式中，螺杆泵采用单螺杆泵，具体地可以选用微型单螺杆泵。单螺杆泵是一种利用螺杆的旋转来吸排液体的泵，最适于吸排黏稠液体。因此，本发明优选使用单螺杆泵可使水泥浆输送更加连续均匀、压力稳定。

在本发明的一些具体实施例中，螺杆泵的最大出口压力可达6MPa，且可进行变速调节，用以控制供应水泥浆量，可泵浆体排量范围例如在0-60L/h可控。

优选地，螺杆泵通过高压管汇与泡沫发生器纵向供浆端(即上述水泥浆入口)连接。

泡沫发生器的横轴向入口连接着气源，用以向泡沫发生器中供入发泡用气体。气源优选为空气源或者氮气源，且为高压气源，以便可向装置体系中通入高压气体。在一些优选的实施例中，所述气源为高压氮气瓶，用以模拟施工现场的液氮泵车。气源和泡沫发生器横轴向进气端之间通过耐高压管汇连接。

在本发明的优选实施例中，气源和泡沫发生器之间的管路上还设有用于监控气体压力的减压阀，和/或用于监控气体流量的流量计。通过调节减压阀，可调节气源供气压力至所需压力，例如在0-10MPa。设置流量计，可以随时监控系统中气体的流量。流量计可选用质量流量计或金属浮子流量计。减压阀和流量计的设置使得在装置运行过程中可随时调节气体的压力，监控体系的压力和气体流量，掌握体系运行的实时动态。

根据本发明的装置，泡沫发生器的出口段连接着排出泡沫水泥浆的管道。如图2所示，出口管路上设有用于可带压取样的取样器，用以对泡沫水泥浆取样养护。为了能够模拟带压取样过程和泡沫水泥浆在带压环境下凝固，取样器本身具有密封性能。在一个优选的实施例中，取样器为圆筒式取样器，并优选为无缝钢管，两端均安装有阀门，内置活塞。取样器的长度可根据实际需要来设计，例如可以设计为内径25-50mm，高度50-100mm。在装置安装过程中，将取样器安装于出口管路中，且在与管路的连接处设置三通阀。取样时，打开取样器阀门，使泡沫水泥浆进入取样器中，然后关闭阀门。当水泥浆凝固后，利用千斤顶等工具推导取样器内部的活塞将凝固的样品顶出，得到带压环境下发泡和凝固的水泥石样品。对其进行强度、渗透率等性能测试，测试的结果可准确反映泡沫水泥浆在带压的固井环境中使用时的状态，从而提高了实验室研究的准确性和可靠性。

通过合理的设置，本发明使用的取样器结构简单，例如不需要设置内筒和外筒来拆除凝固的水泥石；且通过设置发明，具有良好的密封性。

在本发明提供的装置中，可以在泡沫发生器上设置卸荷组件，例如包括压力表和压力传感器，以便随时监控泡沫发生器内的压力情况；还可以设置排气卸荷阀，用以排解部分气体，以保证泡沫发生器内的压力在其耐压范围内，同时还用于调节泡沫发生器内的压力在发泡所需的压力范围。

在本发明的一些优选实施例中，泡沫发生器上不需要设置排气卸荷阀，而在泡沫发生器的出口管路上设置回压控制器。优选地，回压控制器设置在取样器后端。发明人认为，回压控制器的设置，在本发明的装置中的一个亮点。回压控制阀设置在泡沫发生器的出口段上可发挥多重功能，具有多重优势。首先，可省去泡沫发生器上的排气卸荷阀，泡沫发生器中的泄压和调压可由回压控制器控制，保证整个系统安全、平稳运行。其次，从泡沫发生器出口端排出的泡沫水泥浆处于发泡完成的状态，其最能反应固井场合中填入井中的泡沫水泥浆的状态，因此取样器当取该处的泡沫水泥浆，而不是泡沫发生器中正在进行发泡的水泥浆，而出口管路上设置有回压控制器，可以通过调节回压控制器来调节取样时的压力，该设置方式下取样位点压力对回压控制器的调节的响应更加直接、快速而准确，故而使实验数据更加接近于实际应用环境下的数值。再者，回压控制器设在出口端可有利于系统压力平衡，且简化泡沫发生器的构造和维护程序。回压控制器可以选自可调式小型节流阀或针型节流阀。

模拟实验中，往往要在一系列具体压力值下研究泡沫水泥浆的性能，以便研究泡沫水泥浆密度、水泥石强度和渗透率等参数的变化规律。因此，在优选的实施例中，在泡沫发生器的出口端的管路上还设有压力表。压力计与回压控制器协同工作，调节回压控制器，使压力表示数在预定的压力值，平稳后在该压力下取样。一般而言，回压值可以设定在0-5MPa，在例如0.5MPa、1.0MPa、2.0MPa、3.0MPa、4.0MPa等压力值下取样测试。

优选地，取样器、压力表和回压控制器依顺序设置。也就是说，沿着泡沫水泥浆流出方向，在出口管路上依次设置取样器、压力表和回压控制器。这样，调节回压控制器产生的压力变化快速地反映在压力表示数变化上，即反映了取样压力。容易理解，这三者之间的相互距离不易太近或太远，取样器和压力计距离太近则可能影响泡沫水泥浆进入取样器，或引起压力示数不稳定，太远则不能真实反映取样压力，而压力表和回压控制器距离太远则会产生压力表示数反映滞后。另外，出口段管路同样可根据需要选择适中长度。

在出口管路的出口处，还可以设置用于接收水泥浆或装置清洗液的废浆筒。

由于本发明提供的装置主要用于模拟水泥浆高压充气过程，且带压取样，故装置在工作中应可保持在一定的高压条件，因此装置的各个接口以密封连接。例如，泡沫发生器的入口和出口的连接处均可采用螺纹密封连接。管路中使用的管汇也优选采用耐压管线，例如耐压软管线，其内径可根据实际需要进行选择，例如可以选择0.5英文左右。所述装置中涉及的阀门，除非有特殊说明外，优选采用高压球阀。

在一个具体的实施例中，本发明提供的如图2所示的水泥浆带压充气装置的安装方法如下：

(1)气体供应管路连接：氮气瓶、减压阀(带压力表)、气体流量计与泡沫发生器入口端用高压软管连接；

(2)水泥浆供应管路连接：螺杆泵吸入端与水泥浆容器底部连接，泵出口端与泡沫发生器入口端由高压软管连接；

(3)泡沫水泥浆出口管路连接：沿泡沫水泥浆出口，依次将泡沫发生器出口端、圆筒式取样器、三通阀门、压力表、回压调节器用高压软管进行连接。

安装好带压充气装置后，利用该装置实施水泥浆带压充气和取样方法，包括以下步骤A-E。

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。此步骤中，水泥浆配制容器的出口阀门关闭。所使用的发泡剂和稳泡剂可以选自本领域技术中现有的那些发泡剂和稳泡剂，在此不作赘述。

步骤B：打开水泥浆配制容器的出口阀门，启动螺杆泵，使水泥浆从所述水泥配制容器注入泡沫发生器中。调节螺杆泵转速，使水泥浆连续、平稳地且定量地向注入泡沫发生器中，并可记录水泥浆排量。此时，若泡沫发生器的气体入口处设有挡流组件、例如单向阀，则挡流组件处于关闭状态，使流体免于倒流进入充气管路中而造成污染、腐蚀或堵塞。

步骤C：打开气源开关，使气体进入泡沫发生器。调节减压阀，使气体压力在设定的压力范围下，例如在0-10MPa，优选0.5-7MPa，待流量平稳后，可从流量计记录气体的使用量。优选的是，使通入的气体的喷射角度在60-80度，从而使气体与水泥浆具有更充分的初混合，且仍然具备充分的力度将水泥浆推送进入均泡腔中进行二次混合。

步骤D：慢速调节回压控制器，使连接所述发生器的出口的管路上回压至设定压力。其中，该管路上的压力可通过压力表显示。

步骤E：在出口管路上的压力平稳后，打开取样器阀门，利用取样器带压收集泡沫水泥浆。取样结束后，关闭取样器两端阀门，取下取样筒，放置养护箱中，进行加温养护，使其凝固成水泥石。然后，可利用千斤顶等工具推导取样器内部的活塞将凝固的样品顶出，得到带压环境下发泡和凝固的水泥石样品。对其进行强度、渗透率等性能测试。

此外，还可以进行步骤F：实验完毕，关闭氮气阀门，待管路中压力降至0后，用螺杆泵吸入掺混有消泡剂的清水，对整个管线及泡沫发生器进行清洗。参与的泡沫水泥浆或系统的清洗液体可排入如图2所示的废浆桶中。

以上，对本发明的一些具体实施方式进行了解释说明，下面将通过几个具体实施例对本发明做更进一步地说明。同样应理解，本发明的范围不受这些示例性的具体实施例所限制。

在本发明中，水泥浆的密度可以通过计算取样器取样前后的重量差和取样容积来计算。泡沫水泥浆凝固后形成的水泥石的强度可通过抗压强度测试仪测试，渗透率可通过气体渗透率测试仪测试。

实施例一将嘉华G级水泥、降失水剂与水在水泥浆配制容器中搅拌制备密度1.88g/cm³的水泥浆30L，加入分别为2％的发泡剂和稳泡剂，搅拌混匀。打开水泥浆配制容器的出口阀门，用螺杆泵以1L/min的排量泵送水泥浆至如图1所示的泡沫水泥浆发生器中。同时，打开氮气瓶总阀门，调节减压阀至6MPa，采集氮气流量。调节回压控制器节流阀开度，直至压力表显示2MPa，待压力、流量平稳后，打开泡沫水泥浆取样器进行取样，可得到2MPa下获取的泡沫水泥样品。

更换取样器，按照同样操作调节回压值至4MPa，待压力、流量平稳后，打开泡沫书水泥浆取样器进行取样，可得到4MPa下获取的泡沫水泥样品。计算泡沫水泥石样品密度，然后将样品置于养护箱中，对泡沫水泥样品进行高温养护，待水泥凝固后，按照GB19139《油井水泥试验方法》》进行水泥石渗透率、水泥石强度等力学性能测试，借此研究不同回压下泡沫水泥浆及其形成的水泥石的性能。

经测定，上述2MPa下获取的泡沫水泥样品和4MPa下获取的泡沫水泥样品的性能如下：

实施例二将嘉华G级水泥、降失水剂与水在水泥浆配制容器中搅拌制备密度1.88g/cm³的水泥浆30L，加入分别为2％的发泡剂、稳泡液加入到水泥浆中，搅拌混匀。打开水泥浆配制容器的出口阀门，用螺杆泵以1L/min的排量泵送水泥浆至如图1所示的泡沫水泥浆发生器泡中。同时，打开氮气瓶总阀门，分别调节减压阀至三种压力工况(氮气压力4、5、6MPa)，采集氮气流量。调节回压控制器节流阀开度，直至压力表显示2MPa，待压力、流量平稳后，打开泡沫水泥浆取样器进行取样。计算泡沫水泥石样品密度，然后将样品置于养护箱中，对泡沫水泥样品进行高温养护，待水泥凝固后，进行密度、水泥石力学性能测试，借此研究不同注气压力下泡沫水泥浆及其形成的水泥石的性能。

经测定，减压阀在4、5、6MPa下分别取样得到的水泥石的性能如下：

以上通过具体实施方式和一些具体实施例对本发明技术方案做了详细说明。根据本发明提供的泡沫发生器和水泥浆高压充气装置的构造、功能、工作方式以及产生的技术效果均可由上文的描述中获知。利用本发明提供的水泥浆高压充气装置可模拟固井现场高压注气发泡过程且可带压取样测试，从而获得接近于实际应用条件下所需的泡沫水泥浆的性能参数值，为高压注气环境下泡沫水泥特性研究提供基础，并可为油气井高压注气环境下泡沫水泥体系的应用选择提供可靠的指导。

虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、不同具体实施方式的各部分、和列举的各种特征可被组合或全部或部分互换。在上述的各个具体实施方式中，那些参考另一个具体实施方式的实施方式可适当地与其它实施方式组合，这是将由本领域技术人员所能理解的。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。

Claims (9)

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，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，其中，所述气体入口设置在混合均泡室高度的三分之一到二分之一的位置处，并且与泡沫水泥浆出口设置在所述混合均泡室的同一水平轴向上，所述均泡扰流组件为螺旋组块，在所述螺旋组块上设有通孔，所述均泡腔与所述混合腔的体积比处于3-6:1之间。

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。

3.根据权利要求2所述的泡沫水泥浆发生器，其特征在于，所述挡流组件为单向阀。

4.一种水泥浆带压充气装置，包括：

如权利要求1-3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，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。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，连接所述泡沫水泥浆发生器的泡沫水泥浆出口的管路上还设有回压控制器；进一步地还设有压力表。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，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。

7.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，在气源和泡沫水泥浆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。

8.根据权利要求4到7中任一项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，使气体进入泡沫水泥浆发生器；

任选地，步骤D、调节回压控制器，使连接所述泡沫水泥浆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。

9.根据权利要求8所述的应用方法，其特征在于，步骤C中，调节进入泡沫水泥浆发生器的气体压力在0-10MPa；和/或

步骤D中，所述设定压力为0-5MPa。

Images