本發(fā)明涉及油氣井工程領(lǐng)域，特別涉及一種用于制備泡沫水泥漿的裝置。

背景技術(shù)：

在固井過程中，泡沫水泥漿在油氣井工程領(lǐng)域中作為一種低密度水泥漿在防止環(huán)空壓力過大引起漏失、氣井保證壓穩(wěn)、防止油氣水竄、平衡固井壓力、防止環(huán)空竄流等方面發(fā)揮重要作用。泡沫水泥漿硬化后形成水泥塊，水泥塊內(nèi)部的氣泡具有很好的保溫性能，非常適合用于熱采井，可以防止熱量流失。目前，泡沫水泥漿的制備方式主要包括物理發(fā)泡法。物理發(fā)泡法包括以下步驟：

首先向水中加入起泡劑形成起泡液，起泡劑一般為表面活性物質(zhì)，起泡劑用于降低氣-水界面上的張力。然后向該起泡液中充氣并攪拌該起泡液形成泡沫液。這些泡沫液通過泡沫泵送裝置注入到混合組件中與水泥漿混合后形成泡沫水泥漿。由于泡沫液的密度比水泥漿的密度小很多，并且水泥漿和泡沫液的粘度均較大，水泥漿和泡沫液難以混合均勻。這種泡沫水泥漿中的泡沫容易聚集在一起，甚至與水泥漿分開，這樣有可能導(dǎo)致泡沫水泥漿中的一些泡沫無法隨水泥漿一起泵送至井下，造成井下的泡沫水泥漿密度過高。另外，泡沫泵送裝置需要泵送氣-液兩相共存的泡沫液，其成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種用于制備泡沫水泥漿的裝置，其包括：

泡沫發(fā)生組件，泡沫發(fā)生組件用于將由水泥漿與起泡液混合而成的水泥基漿與氮?dú)饣旌铣膳菽酀{。

在一個具體的實(shí)施例中，泡沫發(fā)生組件包括混合腔、出口端接通于混合腔且入口端用于輸入氮?dú)獾囊羲賴娮?、出口端接通于混合腔且入口端用于輸入水泥基漿的水泥基漿噴嘴以及接通于混合腔的泡沫水泥漿出口，

其中，音速噴嘴噴出的氮?dú)饬魇c水泥基漿噴出的水泥基漿流束在混合腔內(nèi) 相互沖擊然后相互混合形成泡沫水泥漿。

在一個具體的實(shí)施例中，裝置還包括起泡液泵送組件，以及分別接通于泡沫發(fā)生組件和起泡液泵送組件的混合組件，

泡沫發(fā)生組件還用于接通氮?dú)夤┙o裝置，氮?dú)夤┙o裝置用于向泡沫發(fā)生組件輸入氮?dú)猓?/p>

其中，起泡液泵送組件用于將起泡液輸入到混合組件，混合組件用于將輸入其內(nèi)水泥漿與起泡液混合成水泥基漿并將水泥基漿輸入到泡沫發(fā)生組件內(nèi)。

在一個具體的實(shí)施例中，起泡液泵送組件包括入口用于接通起泡液源且出口用于接通混合組件的電動泵，起泡液源用于向電動泵提供起泡液。

在一個具體的實(shí)施例中，混合組件為在線混合器，混合組件的一個入口接通于電動泵的出口，另一個入口用于接通水泥漿泵送裝置，混合組件的出口接通于泡沫發(fā)生組件，水泥漿泵送裝置用于向混合組件輸入水泥漿。

在一個具體的實(shí)施例中，裝置還包括設(shè)置在泡沫發(fā)生組件和混合組件之間的且用于防止流體回流向混合組件的第一止回閥。

在一個具體的實(shí)施例中，裝置還包括設(shè)置在泡沫發(fā)生組件和氮?dú)夤┙o裝置之間的且用于防止流體回流向氮?dú)夤┙o裝置的第二止回閥。

在一個具體的實(shí)施例中，裝置還包括設(shè)置在起泡液泵送組件和混合組件之間的且用于防止流體回流向起泡液泵送組件的第三止回閥。

在一個具體的實(shí)施例中，裝置還包括設(shè)置在第二止回閥和泡沫發(fā)生組件之間的管線上的排空閥。

在一個具體的實(shí)施例中，裝置還包括調(diào)節(jié)單元，

調(diào)節(jié)單元用于根據(jù)輸入到混合組件的水泥漿的體積流量、水泥漿的密度和起泡液的密度來調(diào)節(jié)輸入到混合組件內(nèi)的起泡液的體積流量以使得混合組件輸出的水泥基漿達(dá)到預(yù)設(shè)密度。

在一個具體的實(shí)施例中，調(diào)節(jié)單元還用于根據(jù)輸入到混合組件內(nèi)的起泡液的體積流量、輸入到混合組件的水泥漿的體積流量、水泥漿的密度、起泡液的密度、混合組件輸出的水泥基漿的預(yù)設(shè)密度以及泡沫發(fā)生組件輸出泡沫水泥漿的壓強(qiáng)來調(diào)節(jié)輸入到泡沫發(fā)生組件內(nèi)的氮?dú)饬恳允沟门菽酀{達(dá)到預(yù)設(shè)密度。

在一個具體的實(shí)施例中，調(diào)節(jié)單元包括連接于起泡液泵送組件的控制中心，連接于控制中心的且設(shè)置在混合組件與水泥漿泵送裝置之間的第一流量變送器， 連接于控制中心的且設(shè)置在混合組件和起泡液泵送組件之間的第二流量變送器，以及連接于控制中心的且設(shè)置在泡沫發(fā)生組件和混合組件之間的密度變送器，

第一流量變送器用于實(shí)時檢測輸入到混合組件內(nèi)的水泥漿的體積流量，第二流量變送器用于實(shí)時檢測輸入到混合組件內(nèi)的起泡液的體積流量，密度變送器用于實(shí)時檢測混合組件輸出的水泥基漿的密度，

控制中心根據(jù)輸入到混合組件內(nèi)的水泥漿的體積流量、水泥漿的密度、起泡液的密度以及水泥基漿的預(yù)設(shè)密度計算出起泡液的目標(biāo)體積流量，

控制中心將第二流量變送器實(shí)時檢測輸入到混合組件內(nèi)的起泡液的體積流量作為被控參數(shù)、將起泡液的目標(biāo)體積流量為設(shè)定值、將起泡液泵送組件輸出的起泡液的體積流量作為控制參數(shù)來進(jìn)行定值調(diào)節(jié)。

在一個具體的實(shí)施例中，述調(diào)節(jié)單元還包括連接于控制中心的且設(shè)置在泡沫發(fā)生組件和氮?dú)夤┙o裝置之間的管路上的流量調(diào)節(jié)閥，均連接于述控制中心的且均設(shè)置在流量調(diào)節(jié)閥和氮?dú)夤┙o裝置之間的管路上的第一壓力變送器、第三流量變送器和溫度變送器，以及設(shè)置在泡沫發(fā)生組件的出口處的第二壓力變送器，

第一壓力變送器、第三流量變送器和溫度變送器依次分別用于從氮?dú)夤┙o裝置輸入到流量調(diào)節(jié)閥的氮?dú)獾臍鈮骸Ⅲw積流量以及溫度，第二壓力變送器用于測量泡沫發(fā)生組件輸出泡沫水泥漿的壓強(qiáng)，

控制中心還用于根據(jù)已測量到的井下溫度、輸入到混合組件內(nèi)的水泥漿的體積流量、水泥漿的密度、起泡液的密度、水泥基漿的預(yù)設(shè)密度、泡沫水泥漿的預(yù)設(shè)密度以及氮?dú)庠诘诙毫ψ兯推魉鶞y量到的壓強(qiáng)下的密度來計算氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的目標(biāo)輸入體積流量，

控制中心還用于根據(jù)從氮?dú)夤┙o裝置輸入到流量調(diào)節(jié)閥的氮?dú)獾臍鈮?、體積流量和溫度計算出氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量，

控制中心還將氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的目標(biāo)輸入體積流量作為設(shè)定值、將氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量為被控參數(shù)，將流量調(diào)節(jié)閥的開度作為控制參數(shù)來進(jìn)行定值調(diào)節(jié)。

在一個具體的實(shí)施例中，起泡液的目標(biāo)體積流量采用下列算計進(jìn)行計算，

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

式中，ρ₁為水泥漿的密度，ρ₂為起泡液的密度，ρ₃為水泥基漿的預(yù)設(shè)密度，Q₁為第一流量變送器測量到的水泥漿的體積流量，Q₂為起泡液的目標(biāo)體積流量。

在一個具體的實(shí)施例中，氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的目標(biāo)輸入體積流量采用下列算計進(jìn)行計算，

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

式中，ρ₁為水泥漿的密度，ρ₂為起泡液的密度，ρ₃為預(yù)設(shè)的水泥基漿的密度，ρ₄為泡沫水泥漿的預(yù)設(shè)密度，Q₁為第一流量變送器測量到的水泥漿的體積流量，P₁為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣壓，P₁＝101.325kPa，T₁為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，T₁＝273.15K，T為井下溫度，P為第二壓力變送器所測量到的泡沫發(fā)生組件輸出的泡沫水泥漿的壓強(qiáng)，ρ₅為氮?dú)庠趬簭?qiáng)P和井下溫度T下的密度值，Z為氮?dú)庠趬簭?qiáng)P和井下溫度T下的壓縮因子，壓縮因子為無量綱，Q₄為氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的目標(biāo)輸入體積流量。

在本發(fā)明中，水泥基漿為水泥漿與起泡液的混合物，將水泥基漿與氮?dú)饣旌闲纬膳菽酀{，這樣形成的泡沫水泥漿內(nèi)的氣泡分布均勻。由此，這種泡沫水泥漿在輸送到油氣井內(nèi)的過程中起泡難以積聚。采用這種泡沫水泥漿進(jìn)行固井時，泡沫水泥漿的密度更容易控制。尤其是不需要設(shè)置泡沫泵，降低了制備泡沫水泥漿的裝置的成本。

附圖說明

圖1顯示了本發(fā)明的一種實(shí)施方式中的用于制備泡沫水泥漿的裝置的連接示意圖。

圖2顯示了圖1中的泡沫發(fā)生組件的全剖示意圖；

圖3顯示了圖2中配氣盤的全剖示意圖；

圖4顯示了圖2中的心軸的立體示意圖；

圖5顯示了本發(fā)明的一種實(shí)施方式中的井下壓強(qiáng)與井口泡沫水泥漿密度值的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，用于制備泡沫水泥漿的裝置400包括起泡液泵送組件、混合組件1以及泡沫發(fā)生組件100。

起泡液泵送組件包括電動泵3。電動泵3的入口連接于起泡液源2。起泡液 源2容納有起泡液。電動泵3優(yōu)選為計量泵，采用計量泵可以更精確地調(diào)節(jié)起泡液的體積流量。

起泡液源2可以構(gòu)造成用于容納起泡液的罐體或箱體，也可以構(gòu)造成在施工現(xiàn)場臨時挖出的且用于容納起泡液的小池。起泡液一般是起泡劑和水按一定比例混合而成的溶劑。起泡劑一般為用于減小氣液界面張力的表面活性劑。起泡劑優(yōu)選為泡沫混凝土發(fā)泡劑。

當(dāng)起泡液源2構(gòu)造為罐體或箱體時，起泡液源2底部設(shè)置有起泡液出口，起泡出口接通于電動泵3。起泡液源2還可以安裝液位計，用于監(jiān)測起泡液的液位。優(yōu)選的，液位計為電子液位計。電動泵3用于泵送起泡液源2中的起泡液。更優(yōu)選地，用于制備泡沫水泥漿的裝置400還包括底座(未示出)。底座由角鋼和/或工字梁制成。電動泵3和起泡液源2撬裝在底座上。

混合組件1可以為管道在線混合器?；旌辖M件1包括三通殼體以及設(shè)置在三通殼體內(nèi)的折流板。三通殼體構(gòu)造為大致的管形，三通殼體上設(shè)置相互接通的三個接口。其中，兩個接口分別位于三通殼體的兩端，剩下一個接口位于三通殼體的側(cè)壁。位于側(cè)壁上的接口為起泡液入口，位于兩端的兩個接口分別為水泥漿入口和水泥基漿出口。

混合組件1的起泡液入口接通于電動泵3的出口，混合組件1的水泥漿入口接通于水泥漿泵送裝置500的水泥漿出口。水泥漿泵送裝置500用于高壓泵送水泥漿，水泥漿泵送裝置500可以是水泥泵車。折流板用于改變泵入到三通殼體內(nèi)的且匯合后的水泥漿和起泡液流向，使之產(chǎn)生紊流，加速水泥漿和起泡液的混合。水泥漿和起泡液充分混合后形成水泥基漿，水泥基漿從混合組件1的水泥基漿出口輸出。優(yōu)選地，折流板可以設(shè)置成螺旋葉片，以在混合組件1的折流板處形成渦流室，水泥漿和起泡液的混合物在渦流室螺旋狀流動，由此，混合組件1傳質(zhì)效率提高，壓降和能量消耗非常低。

如圖2所示，泡沫發(fā)生組件100主要包括水泥基漿注入部30、氮?dú)庾⑷氩?0以及均化部70。水泥基漿注入部30具有軸向的水泥基漿入口31；氮?dú)庾⑷氩?0包括徑向的進(jìn)氣口51、以及與進(jìn)氣口51和水泥基漿入口31均相接通并且沿軸向設(shè)置的混合腔52。

其中，混合腔52由配氣盤53內(nèi)壁形成。配氣盤53的周壁內(nèi)設(shè)置有音速噴嘴55，音速噴嘴55為先漸縮后漸放的通道，該通道的最窄處(即該通道的徑向 截面的截面積最小處)為音速噴嘴55的喉部。進(jìn)氣口51通過音速噴嘴55接通于混合腔52。水泥基漿入口31的下游設(shè)置水泥基漿噴嘴32，水泥基漿入口31通過水泥基漿噴嘴32與混合腔52相接通。水泥基漿噴嘴32可以為向混合腔52方向漸縮的通道。音速噴嘴55接通于混合腔52的端部與配氣盤53的軸線垂直(分布如圖2所示)，水泥基漿噴嘴32接通于混合腔52的端部與配氣盤53的軸線平行。

氮?dú)庾⑷氩?0的進(jìn)氣口51用于接通氮?dú)夤┙o裝置200的氮?dú)獬隹?，水泥基漿注入部30的水泥基漿入口31接通于混合組件1的水泥基漿出口。氮?dú)夤┙o裝置200用于向泡沫發(fā)生組件100充入高壓氮?dú)?。氮?dú)夤┙o裝置200可以是液氮泵車。這樣，從音速噴嘴55的噴射出的氮?dú)饬鞣较蚺c水泥基漿噴嘴32的噴射方向相互垂直。由于氮?dú)獾淖⑷敕较蚺c水泥基漿的注入方向垂直，使氮?dú)馀c水泥基漿能夠更好地在內(nèi)混合。需要指出的是，本發(fā)明中提到的水泥基漿含有起泡劑。當(dāng)充入高壓氮?dú)夂透邏旱乃嗷鶟{時，高速噴射的水泥基漿流和高速噴射的氮?dú)饬髟诨旌锨?2內(nèi)相互沖擊，水泥基漿流沖散氮?dú)饬鳎缓笏嗷鶟{包裹氮?dú)庑纬膳菽?。另外，氮?dú)馔ㄟ^音速噴嘴55時達(dá)到臨界速度后，氮?dú)赓|(zhì)量流量僅與入口端的壓強(qiáng)和噴嘴直徑的大小有關(guān)。當(dāng)需要調(diào)節(jié)氮?dú)赓|(zhì)量流量時，最簡單的做法就是改變進(jìn)氣口51處的氣體壓強(qiáng)。

水泥基漿噴嘴32的直徑小于水泥基漿入口31的直徑。由于注入水泥漿水泥基漿入口31的質(zhì)量流量和壓強(qiáng)一定，因此當(dāng)水泥基漿噴嘴32的直徑小于所述水泥基漿入口31的直徑時，在水泥基漿噴嘴32處加快了水泥漿的噴射速度，從而增加了氮?dú)夂退酀{體的混合能量。在本發(fā)明中，經(jīng)過水泥漿噴嘴的水泥漿的噴射速度高于10m/s。

如圖3所示，音速噴嘴55在配氣盤53的內(nèi)壁上沿周向等間距分布。在配氣盤53的內(nèi)壁上這樣設(shè)置音速噴嘴55，可使混合腔52內(nèi)的氣體質(zhì)量流量更為均勻，氣壓更為穩(wěn)定，從而利于水泥漿和氮?dú)獾木鶆蚧旌?。?yōu)選地，音速噴嘴55的個數(shù)為4個。通過設(shè)置不同個數(shù)的音速噴嘴55來控制和調(diào)節(jié)氣體的質(zhì)量流量和壓強(qiáng)。另外，音速噴嘴55可通過在配氣盤53上打孔來進(jìn)行固定。

如圖2所示的實(shí)施例中，均化部70包括一具有中空腔室的外殼71。在所述外殼71內(nèi)設(shè)置有用于提供螺旋流道的心軸72。該心軸72可進(jìn)一步均化經(jīng)混合腔52流過的泡沫水泥漿，使泡沫水泥漿內(nèi)的氣泡更均勻，從而達(dá)到固井施工的使 用要求。

優(yōu)選地，如圖4所示，心軸72具有多個均化葉片73，所述的多個均化葉片73在周向上分別設(shè)置成與軸向呈同一夾角a并等間距排列，在軸向上設(shè)置為鏡像排列，其中夾角a優(yōu)選為10°。這樣的設(shè)置可以為混合腔52中的泡沫水泥漿提供一個環(huán)空螺旋流道，在均化葉片73的切割、擾流的作用下，形成漩渦流，將泡沫水泥漿的大氣泡粉碎為細(xì)小的氣泡，形成滿足固井施工要求的含微小氣泡的泡沫水泥漿。

在如圖2所示的實(shí)施例中，水泥基漿注入部30的水泥基漿入口31處和氮?dú)庾⑷氩?0的進(jìn)氣口51處設(shè)置有由壬短節(jié)34和由壬短節(jié)54。這樣的設(shè)置可以方便外部的高壓氣體設(shè)備與氮?dú)庾⑷氩?0的進(jìn)氣口51、水泥漿車與水泥基漿注入部30的水泥基漿入口31的連接與拆卸，并且由壬連接的連接性能也比較可靠，可以承受高壓、高速流體的沖擊。外部的高壓氣體設(shè)備注入的氮?dú)鈨?yōu)選為25MPa。根據(jù)進(jìn)氣口與進(jìn)料口所進(jìn)入物質(zhì)的狀態(tài)的不同，可選擇不同的由壬短節(jié)，優(yōu)選地，由壬短節(jié)34選擇為2寸，由壬短節(jié)54選擇為1寸。

另外，根據(jù)本發(fā)明，如圖2所示，均化部70還包括設(shè)置在心軸72兩端的均化器固定板74。均化器固定板74的設(shè)置能夠?qū)⑿妮S72固定在均化器外殼71內(nèi)，使心軸72不會隨泡沫水泥漿的運(yùn)動而發(fā)生轉(zhuǎn)動或移動，從而承受由混合腔52內(nèi)射入的高速泡沫水泥漿流。

如圖2所示的實(shí)施例中，均化部70一端與氮?dú)庾⑷氩?0固定連接，另一端由支撐管80進(jìn)行固定，支撐管80上設(shè)置有與外界接通的泡沫水泥漿出口90。經(jīng)過均化器70充分混合的泡沫水泥漿流經(jīng)支撐管80從泡沫水泥漿出口90流出，支撐管80的設(shè)置一方面對均化器70和泡沫水泥漿出口90起固定連接作用，另一方面為具有一定速度的泡沫水泥漿提供一個減速緩沖的通道，并直接運(yùn)用到固井施工中。泡沫水泥漿出口90用于接通取樣桶20和油氣井300。

優(yōu)選地，支撐管80與均化部70、均化部70與氮?dú)庾⑷氩?0、氮?dú)庾⑷氩?0與水泥基漿注入部30的連接處均設(shè)置有密封件60。由于在該泡沫發(fā)生組件100工作時，其內(nèi)部一直為高壓、高流狀態(tài)，因此需要在各組件的連接處設(shè)置密封件60，這樣可以使其工作狀態(tài)更為穩(wěn)定。

根據(jù)本發(fā)明提出的用于泡沫水泥漿固井的泡沫發(fā)生組件100，本發(fā)明設(shè)計成三通結(jié)構(gòu)，并利用高壓氣液射流和均化器內(nèi)的螺旋流，實(shí)現(xiàn)氣、液、固三相流 體的充分混合發(fā)泡，連續(xù)、穩(wěn)定地產(chǎn)生高質(zhì)量的泡沫水泥漿，漿體形如“奶昔”，氣泡均勻、細(xì)膩。并且，由于該用于泡沫水泥漿固井的泡沫發(fā)生組件100內(nèi)部沒有活動部件，便于現(xiàn)場快速安裝與清洗，而且音速噴嘴55也可實(shí)現(xiàn)快速拆卸和更換。

如圖1所示，用于制備泡沫水泥漿的裝置400還包括第一止回閥5、第二止回閥7、以及第三止回閥4。第一止回閥設(shè)置在泡沫發(fā)生組件100的水泥基漿入口和混合組件1的水泥基漿出口之間的管線上，用于防止流體回流向混合組件1。第二止回閥7設(shè)置在泡沫發(fā)生組件100的音速噴嘴55和氮?dú)夤┙o裝置200的出氣口之間的管線上，用于防止流體回流向氮?dú)夤┙o裝置200。第三止回閥4設(shè)置在電動泵3的出口和混合組件1的起泡液入口之間的管線上，用于防止流體流向電動泵3。

用于制備泡沫水泥漿的裝置400開始工作時，一般先啟動水泥漿泵送裝置100和打開氮?dú)夤┙o裝置200，然后再啟動電動泵3。這樣，第一止回閥5、第二止回閥7、以及第三止回閥4可以分別防止各自下游的物料和壓強(qiáng)反竄到上游，以避免損壞各自上游的器件。

優(yōu)選地，用于制備泡沫水泥漿的裝置400還包括排空閥8。在第二止回閥7和泡沫發(fā)生組件100之間的管路上設(shè)置三通。三通的主管的兩端分別連接第二止回閥7和泡沫發(fā)生組件100。排空閥8設(shè)置在三通的支路上。排空閥8用于在氮?dú)庾⑷胪瓿珊笈趴掌涞诙够亻y7下游管線和泡沫發(fā)生組件中的氮?dú)狻?/p>

用于制備泡沫水泥漿的裝置400還包括調(diào)節(jié)單元。調(diào)節(jié)單元包括連接于電動泵3的控制中心19，以及均連接于控制中心19的第一流量變送器11、第二流量變送器12、第三流量變送器17、密度變送器13、第一壓力變送器15、溫度變送器16、流量調(diào)節(jié)閥18和第二壓力變送器14?？刂浦行?9可以是計算機(jī)。第一流量變送器11設(shè)置在混合組件1的水泥漿輸入口上游管路上，用于實(shí)時監(jiān)測水泥漿流入混合組件1中的體積流量。第二流量變送器12設(shè)置在混合組件1的起泡液入口和電動泵3的出口之間的管線上，用于監(jiān)測起泡液流入混合組件1中的體積流量。密度變送器13設(shè)置在連接混合組件1和泡沫發(fā)送組件100的管線上，用于實(shí)時測量混合組件1輸出的水泥基漿的密度值。流量調(diào)節(jié)閥18設(shè)置在泡沫發(fā)生組件100的進(jìn)氣口51和氮?dú)夤┙o裝置200的管線上，流量調(diào)節(jié)閥18用于控制輸入到泡沫發(fā)送組件100內(nèi)的氮?dú)獾牧髁?。第三流量變送?7、第一壓力變送 器15、溫度變送器16依次設(shè)置在流量調(diào)節(jié)閥18和所述氮?dú)夤┙o裝置200之間的管線上。第三流量變送器17、第一壓力變送器15、溫度變送器16依次分別用于實(shí)時監(jiān)測輸入的氮?dú)獾捏w積流量、氣壓和溫度。第二壓力變送器14設(shè)置在泡沫發(fā)生組件100的泡沫水泥漿出口90，用于監(jiān)測泡沫發(fā)生組件100輸出的泡沫水泥漿的壓強(qiáng)值。

調(diào)節(jié)單元用于根據(jù)輸入該裝置的水泥漿的體積流量、水泥漿的密度和起泡液的密度來實(shí)時調(diào)節(jié)起泡液的體積流量，以獲得預(yù)設(shè)密度的水泥基漿。下面具體進(jìn)行說明。

在該裝置啟動前，首先需要將水泥漿的密度ρ₁、起泡液的密度ρ₂以及預(yù)設(shè)的水泥基漿的密度ρ₃輸入到控制中心19。水泥漿的密度ρ₁和起泡液的密度ρ₂可以是直接測得的，也可以是配制水泥漿和起泡液的時候推算出來的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)固井的施工條件來確定預(yù)設(shè)的水泥基漿的密度ρ₃。第一流量變送器11可以測得水泥漿的體積流量Q₁。在控制中心19工作時，起泡液的目標(biāo)體積流量Q₂可以按照下列算式計算出來：

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

(1)式中，Q₁、Q₂的單位均為m³/s；ρ₁、ρ₂、ρ₃的單位均為kg/m³。

然后，控制中心19根據(jù)起泡液的目標(biāo)體積流量Q₂來控制電動泵3的功率，使得電動泵3的輸出的起泡液流量等于起泡液的目標(biāo)體積流量Q₂。在本實(shí)施例中，調(diào)節(jié)單元采用負(fù)反饋閉環(huán)控制的方法來調(diào)節(jié)。即將起泡液的目標(biāo)體積流量Q₂作為設(shè)定值，將電動泵3輸出的起泡液的體積流量作為控制參數(shù)，將第二流量變送器12所檢測到的體積流量值作為被控參數(shù)而進(jìn)行的定值調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)選為PID調(diào)節(jié)。具體地，將第二流量變送器12所檢測到的體積流量Q₃與起泡液的目標(biāo)體積流量Q₂相比較，若Q₃大于Q₂則將電動泵3的功率減小；若Q₃小于Q₂則將電動泵3的功率增大；若Q₃等于Q₂則不進(jìn)行調(diào)節(jié)。

按上述方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可獲得密度為預(yù)設(shè)密度ρ₃的水泥基漿。

調(diào)節(jié)單元還用于根據(jù)第二壓力變送器14所測得的輸出的泡沫水泥漿的壓強(qiáng)值P、水泥漿的體積流量Q₁、起泡液的目標(biāo)體積流量Q₂、預(yù)設(shè)的水泥基漿的密度ρ₃、泡沫水泥漿的預(yù)設(shè)密度ρ₄以及來實(shí)時調(diào)節(jié)氮?dú)獾妮斎塍w積流量Q₅，以獲得預(yù)設(shè)密度ρ₄的泡沫水泥漿。如圖5所示，技術(shù)人員可以根據(jù)油氣井300的待固封段的設(shè)計井下壓強(qiáng)(即圖5中的井下壓強(qiáng))獲得泡沫水泥漿出口90處的泡沫水泥 漿密度的預(yù)設(shè)值ρ₄(即如圖5所示的井口泡沫水泥漿密度值)。

在該裝置啟動前，還需要將井下溫度T、泡沫水泥漿的預(yù)設(shè)密度ρ₄、井下溫度T和泡沫輸出壓強(qiáng)值P與氮?dú)獾膲嚎s因子Z的關(guān)系以及井下溫度T和泡沫輸出壓強(qiáng)值P與氮?dú)獾拿芏圈?sub>5的關(guān)系輸入到控制中心19。

在進(jìn)行固井施工前，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可將溫度傳感器放入到井底而測得井下溫度T的值。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)固井的施工條件獲得所需要的泡沫水泥漿的預(yù)設(shè)密度ρ₄。如表一所示，氮?dú)庠跍囟群蛪簭?qiáng)值已知的條件下，氮?dú)獾膲嚎s因子是確定。

氮?dú)庠谠跍囟群蛪簭?qiáng)值已知的條件下，氮?dú)獾拿芏纫泊_定值。如下算式可計算出特定溫度和壓強(qiáng)下的氮?dú)獾拿芏龋?/p>

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

(2)式中，P₁為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣壓，P₁＝101.325kPa。T₁為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，T₁＝273.15K。T為井下溫度，T的單位為K。P為泡沫水泥漿輸出時的壓強(qiáng)，P的單位為kpa。ρ₅為氮?dú)庠趬簭?qiáng)P和溫度T下的密度值，單位為kg/m³。Z為氮?dú)庠趬簭?qiáng)P和井下溫度T下的壓縮因子，壓縮因子為無量綱。

在控制中心19工作時，氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下(即在標(biāo)準(zhǔn)狀況氣壓和標(biāo)準(zhǔn)狀況溫度條件下)的目標(biāo)輸入體積流量Q₄可以按照下列算式計算出來：

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

(3)式中，P₁為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣壓，P₁＝101.325kPa。T₁為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，T₁＝273.15K。T為井下溫度，T的單位為K。P為泡沫水泥漿輸出的壓強(qiáng)值，P的單位為kpa。ρ₅為氮?dú)庠趬簭?qiáng)P和井下溫度T下的密度值，單位為kg/m³。Z為氮?dú)庠谂菽敵鰤簭?qiáng)P和井下溫度T下的壓縮因子，壓縮因子為無量綱。ρ₃、ρ₄、ρ₅的單位均為kg/m³。Q₁、Q₂、Q₄的單位均為m³/s。

將(1)式帶入到(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為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣壓，P₁＝101.325kPa。T₁為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，T₁＝273.15K。T為井下溫度，T的單位為K。P為泡沫水泥漿輸出的壓強(qiáng)值，P的單位為kpa。ρ₅為氮?dú)庠趬簭?qiáng)P和井下溫度T下的密度值，單位為kg/m³。Z 為氮?dú)庠谂菽敵鰤簭?qiáng)P和井下溫度T下的壓縮因子，壓縮因子為無量綱。ρ₃、ρ₄、ρ₅的單位均為kg/m³。Q₁和Q₄的單位均為m³/s。

在控制中心19也可以直接根據(jù)(4)式計算出氮?dú)獾哪繕?biāo)輸入體積流量Q₄。

氮?dú)獾哪繕?biāo)輸入體積流量Q₄為標(biāo)準(zhǔn)狀況下輸入到該裝置中的目標(biāo)體積流量。

然后，控制中心19根據(jù)氮?dú)獾哪繕?biāo)輸入體積流量Q₄來控制流量調(diào)節(jié)閥18的開度，使得通過流量調(diào)節(jié)閥18的氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量Q₅等于目標(biāo)輸入體積流量Q₄。具體地，第三流量變送器17實(shí)時監(jiān)測氮?dú)獾妮斎塍w積流量Q₆，第一壓力變送器15實(shí)時監(jiān)測氮?dú)獾妮斎霘鈮篜₂，溫度變送器16實(shí)時監(jiān)測氮?dú)獾妮斎霚囟萒₂?？刂浦行?9根據(jù)下列算式計算出通過流量調(diào)節(jié)閥18的氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量Q₅：

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

(5)式中，P₁為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣壓，P₁＝101.325kPa。T₁為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，T₁＝273.15K。P₂為氮?dú)廨斎氲膲簭?qiáng)值，P₂的單位為kpa。Z₁為氮?dú)庠趬簭?qiáng)P₂和溫度T₂下的壓縮因子，壓縮因子為無量綱。Q₆為氮?dú)廨斎氲捏w積流量，Q₆的單位為kpa。

這樣，就計算出了輸入的氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量Q₅。

控制中心19根據(jù)氮?dú)獾哪繕?biāo)輸入體積流量Q₄來流量調(diào)節(jié)閥18的開度，使得通過流量調(diào)節(jié)閥18的氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量Q₅等于氮?dú)獾哪繕?biāo)輸入體積流量Q₄。在本實(shí)施例中，調(diào)節(jié)單元采用負(fù)反饋閉環(huán)控制的方法來調(diào)節(jié)。將氮?dú)獾哪繕?biāo)輸入體積流量Q₄作為設(shè)定值，將通過流量調(diào)節(jié)閥18的氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量Q₅作為被控參數(shù)，將流量調(diào)節(jié)閥18的開度作為控制參數(shù)來進(jìn)行定值調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)選為PID調(diào)節(jié)。具體地，控制中心19將氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量Q₅與氮?dú)獾哪繕?biāo)輸入體積流量Q₄進(jìn)行比較，若氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量Q₅小于氮?dú)獾哪繕?biāo)輸入體積流量Q₄則增加流量調(diào)節(jié)閥18的開度；則減小流量調(diào)節(jié)閥18的開度；若氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量Q₅等于氮?dú)獾哪繕?biāo)輸入體積流量Q₄則不進(jìn)行調(diào)節(jié)。

油氣井300為直井或水平井。需要在套管管道與油氣井300的裸井壁之間填充泡沫水泥漿。泡沫水泥漿凝固以后形成用于固封油氣井300的泡沫水泥管。在進(jìn)行固井時，向油氣井300的裸井內(nèi)下入多個套管，這些套管首尾相接形成套管管道。采用本裝置注入泡沫水泥漿，泡沫發(fā)生組件100的泡沫水泥漿出口90接 通于套管管道的位于井口的開口。泡沫發(fā)生組件100向套管管道內(nèi)注入泡沫水泥漿，泡沫水泥漿順著套管管道從套管管道的底端流出。然后，泡沫水泥漿沿著套管管道與油氣井300的裸井壁之間的環(huán)空上升。在泡沫水泥漿上升的過程中，注入泡沫水泥漿的阻力變大，導(dǎo)致泡沫水泥漿的輸出壓強(qiáng)P不斷增大。在此過程中，由于本裝置根據(jù)水泥漿的輸入流量和泡沫水泥漿的輸出壓強(qiáng)P實(shí)時調(diào)節(jié)氮?dú)獾妮斎肓亢推鹋菀旱妮斎肓髁?，以使得本裝置輸出的泡沫水泥漿的密度維持在預(yù)設(shè)值上。這樣，泡沫水泥漿固化后，在井內(nèi)形成密度相同或相近的泡沫水泥塊，采用密度相同或相近的泡沫水泥塊來封固油氣井300的封固效果更好。

優(yōu)選地，當(dāng)電動泵3為電動計量泵時，對電動泵3的調(diào)節(jié)為調(diào)節(jié)電動泵3的頻率或沖程。

優(yōu)選地，設(shè)置音速噴嘴的口徑大小，使得音速噴嘴入口端的氣壓為音速噴嘴出口端的氣壓的1.89倍以上。這樣設(shè)置的好處在于氮?dú)獾妮斎肓?即氮?dú)庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量Q₅)與流量調(diào)節(jié)閥出口端的氮?dú)鈮簭?qiáng)呈線性關(guān)系，調(diào)節(jié)單元可以更精確控制氮?dú)獾妮斎肓俊?/p>

雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對其進(jìn)行各種改進(jìn)并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)沖突，各個實(shí)施例中所提到的各項(xiàng)技術(shù)特征均可以任意方式組合起來。本發(fā)明并不局限于文中公開的特定實(shí)施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。

表一 氮?dú)獾膲嚎s因子表