本发明涉及一种油气井固井用泡沫水泥浆室内快速发泡浆杯及发泡控制方法，具体涉及泡沫水泥浆制备与密度控制，属于油田低密度固井领域。
背景技术：
固井用泡沫水泥以气体(如空气或氮气等)作为减轻剂，水泥浆中引入气体，发泡剂或稳泡剂的作用下，产生泡沫水泥浆。目前，制备泡沫水泥的方法有两种：(1)化学发泡：即是在干水泥中掺入一定量的发泡剂，当水泥和水混合搅拌后，发泡剂与水泥中的化学成分发生反应产生气体，分布在水泥浆中从而形成泡沫水泥。(2)充气发泡：即在批混好的水泥浆中掺混发泡剂、稳泡剂，以充气的方式，在泡沫发生器中作用下，产生泡沫水泥浆。分析两种方法特点可知，现场充气发泡可实现任意设计量的气体充入，形成的泡沫均匀细小；而化学发气法收件人虽然施工简便，但是发气量较少，且化学反应发气量不易控制，导致泡沫水泥密度无法控制，气泡不均匀，这种泡沫水泥浆在井下很难大幅度降低水泥浆的密度。鉴于此目前在解决低压易漏地层固井施工中，主要采用机械充气法；而化学发气法则多用于解决固井施工后水泥的“失重”等问题。
针对充气泡沫水泥，室内主要通过机械搅拌方式来制备泡沫水泥浆，一种搅拌方式是将发泡、稳泡剂物质先溶于水中，倒入底部有叶轮的搅拌浆杯中，通过高速搅拌产生水基泡沫，再与泡沫与水泥浆掺混，搅拌均匀；该方式产生泡沫容易，利用普通浆杯即可以产生水基泡沫，但在水基泡沫与水泥浆掺混的过程中会存在破泡，导致密度发生变化，同时会增加水泥浆中的水量，造成强度降低；另一种搅拌方式是将发泡、稳泡剂与水泥浆掺混均匀后，通过高速搅拌(一般12000r/min)，将气体引入到浆体中产生泡沫水泥浆；该方法不会改变原有水灰比，但普通搅拌叶轮在底部，难以产生泡沫水泥浆，同时在搅拌过程中上下泡沫存在不均匀的问题，导致泡沫水泥浆密度不符合设计要求。
因此，针对搅拌制备泡沫水泥过程中泡沫不均匀的问题，本发明提供了一种水泥浆搅拌发泡装置及控制方法，该装置具有结构简单、操作可重复性强的特点，在叶片低速搅拌下(1000r/min)即可产生设计密度的泡沫水泥浆，泡沫水泥浆密度浆体中泡沫均匀细腻，制备出的泡沫水泥浆密度符合设计要求。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种水泥浆搅拌发泡装置及发泡方法，该装置结构简单、操作可重复性强，在低转速搅拌下(1000r/min)即可产生设计密度的泡沫水泥浆，浆体中泡沫均匀细腻，制备出的泡沫水泥密度符合设计要求。
为达上述目的，本发明提供一种水泥浆搅拌发泡装置，其包括：浆杯底座、搅拌轴、浆杯体以及浆杯顶盖，所述浆杯体为中空结构，并且所述浆杯底座密封设置在所述浆杯体的下方，所述浆杯顶盖密封设置在所述浆杯体的上方，所述搅拌轴能够旋转地设置在所述浆杯体的内部中央，所述搅拌轴上设置有多个叶片。
所述的水泥浆搅拌发泡装置，其中，还包括驱动器，所述搅拌轴的下方穿过浆杯体下方的浆杯底座并且与所述驱动器连接。
所述的水泥浆搅拌发泡装置，其中，还包括定心套，所述搅拌轴的上方穿过浆杯体上方的浆杯顶盖并且与定心套通过轴承连接。
所述的水泥浆搅拌发泡装置，其中，所述定心套与浆杯顶盖之间设置有o形圈。
所述的水泥浆搅拌发泡装置，其中，所述浆杯顶盖具有水平部和垂直部，所述垂直部与所述浆杯体的上方通过螺纹进行连接，并且所述水平部的边缘与所述浆杯体的顶端之间设有环形的密封垫。
所述的水泥浆搅拌发泡装置，其中，所述浆杯底座与浆杯体之间设置有环形的密封垫。
所述的水泥浆搅拌发泡装置，其中，所述叶片在搅拌轴的径向方向上呈十字交叉的组合形式。
所述的水泥浆搅拌发泡装置，其中，所述叶片在搅拌轴的径向方向上呈辐射状的组合形式。
所述的水泥浆搅拌发泡装置，其中，所述叶片在搅拌轴的轴向方向上呈上下对齐且等距分布的组合形式或上下交错的组合形式。
本发明还提供一种水泥浆搅拌发泡方法，其包括以下步骤：
(1)浆杯体容积标定：用清水倒入浆杯体中，拧紧浆杯顶盖，从浆杯顶盖的中心孔处继续加水，确保清水完全充满浆杯体后称取清水的重量即为浆杯体的内容积vl，而后将清水清空；
(2)制取水泥浆：根据“gb19139油井水泥试验方法”用普通浆杯制备预定密度的水泥浆，将重量百分比2％-5％的发泡剂、稳泡剂加到水泥浆中，直尺轻轻搅拌均匀后制成混合物，根据称取特定体积vs的该混合物，倒入浆杯体中；
(3)密封搅拌发泡：盖上浆杯顶盖，拧紧定心套，在叶片的搅拌、剪切作用下，浆杯中固定体积的空气卷入浆体中，搅拌后发好泡的水泥浆将会完全充满浆杯，制备好的泡沫水泥浆密度则为：水泥浆密度×水泥浆体积÷浆杯内容积。
本发明的有益效果是：顶盖密封，现场携带便捷、操作可重复性强，便于泡沫水泥浆室内制备与分析，其搅拌浆叶采用十字交叉的组合叶片，可以在1000r/min的低转速下进行发泡，采用先混合-后发泡的方式，即将发泡、稳泡剂与普通水泥浆先混合，后搅拌混合浆杯中空气得到设定密度的泡沫水泥浆。利用本装置及方法，其发泡容易且效果好，发泡后水泥浆能完全充满浆杯，泡沫均匀程度高，泡沫水泥密度0.8-1.8g/cm3之间任意可调。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1是根据本发明的水泥浆搅拌发泡装置的结构示意图；
图2是搅拌前(浆杯中倒入一定体积的水泥浆)的示意图；
图3是搅拌后(搅拌发泡后水泥浆完全充满浆杯)的示意图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
首先如图1所示，其为根据本发明的水泥浆搅拌发泡装置的结构示意图；本发明提供了一种水泥浆发泡装置，其主要包括：浆杯底座1、驱动器2、搅拌轴3、浆杯体4、浆杯顶盖5、密封垫6、o形圈7以及定心套8。
所述浆杯体4为中空结构，并且所述浆杯底座1设置在所述浆杯体4的下方，所述浆杯顶盖5设置在所述浆杯体4的上方。
所述搅拌轴3可旋转地设置在所述浆杯体4的内部中央，其中，搅拌轴3的下方穿过浆杯体4下方的浆杯底座1并且与驱动器2连接，搅拌轴3的上方穿过浆杯体4上方的浆杯顶盖5并且与定心套8通过轴承连接。所述驱动器2能够驱动搅拌轴3相对于浆杯体4进行旋转。优选地，所述搅拌轴3的两端分别与所述驱动器2和位于定心套8内部的所述轴承通过螺纹连接，以确保连接的稳定性。
所述搅拌轴3上设置有多个叶片31。优选地，所述叶片31的分布形式可以有多种，例如叶片31在搅拌轴3的径向方向上呈十字交叉(例如四个叶片)的组合形式或呈辐射状等距分布(例如其他数量的叶片)的组合形式，再例如在搅拌轴3的轴向方向上呈上下对齐且等距分布的组合形式或上下交错的组合形式。优选地，上下相邻的叶片31相连接组成口字型，即相邻叶片31远离搅拌轴3的外端连接有叶片，以增加叶片31的搅动面积，提升搅动效果。通过对叶片的分布形式进行特殊设计，可以在低转速搅拌下(1000r/min)即可产生设计密度的泡沫水泥浆，浆体中泡沫均匀细腻，制备出的泡沫水泥密度符合设计要求。
为了确保结构的密封性，本发明的水泥浆搅拌发泡装置中还设置有多个密封结构。例如，所述浆杯顶盖5具有水平部51和垂直部52，所述垂直部52与所述浆杯体4的上方通过螺纹进行连接，并且所述水平部51的边缘与所述浆杯体4的顶端之间设有环形的密封垫6，从而确保浆杯顶盖5与浆杯体4之间的密封效果良好，在搅拌的过程中，浆杯体4的内部处于密封环境，保证浆杯体4中体积固定，水泥浆不溢出。
此外，定心套8与浆杯顶盖5之间设置有o形圈，确保定心套8能够有效对浆杯顶盖5进行密封。
所述浆杯底座1也可设置有密封结构，例如浆杯底座1与浆杯体4之间设置有环形的密封垫(图中未标示)。
在使用前，将搅拌轴3与驱动器2连接起来，需对浆杯体4内部容积进行标定，以便确定水泥浆倒入量。具体的技术方案如下：
(1)浆杯体4容积标定：用清水倒入浆杯体4中，拧紧浆杯顶盖5，从浆杯顶盖5的中心孔处继续加水，确保清水完全充满浆杯体4后称取清水的重量即为浆杯体4的内容积vl，而后将清水清空；
(2)制取水泥浆：根据“gb19139油井水泥试验方法”用普通浆杯制备一定密度ρs的水泥浆，将重量百分比2％-5％的发泡剂、稳泡剂加到水泥浆中，直尺轻轻搅拌均匀后，根据称取特定体积vs的倒入密封搅拌发泡浆杯4中，如图2所示，图2中空气体积vg+水泥浆体积vs＝浆杯内容积vl；
(3)密封搅拌发泡：盖上浆杯顶盖5，拧紧定心套8，调节电机转速范围1000r-2000r/min，在多叶片31的搅拌、剪切作用下，浆杯中固定体积的空气卷入浆体中，在搅拌30s-120s后，发好泡的水泥浆将会完全充满浆杯(如图3所示)，制备好泡沫水泥浆密度则为：水泥浆密度×水泥浆体积÷浆杯内容积，即ρ泡沫水泥浆＝ρs×vs÷vl，通过改变水泥浆体积，控制发泡后水泥浆的密度，从而满足设计要求。
实施一：制备设定密度1.50g/cm3的泡沫水泥浆
首先，清水测定浆杯(带搅拌轴的情况下)内部的容积为1300ml；其次，按照gb19139油井水泥试验方法配制密度1.88g/cm3的水泥浆1050ml，掺混发泡、稳泡剂12l，用直尺轻轻搅拌均匀，倒入密封搅拌浆杯1032ml，盖上顶盖，拧紧定心套，调整电机转速1000r/min，低速搅拌1min后，发好泡的水泥浆即可充满整个浆杯，达到设定密度1.50g/cm3。
实施例二、制备设定密度0.8g/cm3的泡沫水泥浆
首先，清水测定浆杯(带搅拌轴的情况下)内部的容积为1300ml；其次，按照gb19139油井水泥试验方法配制密度1.88g/cm3的水泥浆560ml，掺混发泡、稳泡剂8l，用直尺轻轻搅拌均匀，倒入密封搅拌浆杯553ml，盖上顶盖，拧紧定心套，调整电机转速1000r/min，低速搅拌1min后，发好泡的水泥浆即可充满整个浆杯，达到设定密度0.80g/cm3。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)该装置结构简单、携带便捷、操作可重复性强；
(2)起泡容易、发泡效果好，发泡后的水泥浆可完全充满浆杯；
(3)在低速搅拌条件下(1000r/min)，在含发泡、稳泡剂的水泥浆中直接产生设定密度的泡沫水泥浆，在0.8-1.8g/cm3之间任意调节。
综上所述，本发明公开了一种油气井固井用泡沫水泥浆搅拌发泡装置及发泡方法，其浆杯设计有顶盖密封，现场携带便捷、操作可重复性强，便于泡沫水泥浆室内制备与分析，其搅拌浆叶采用十字交叉的组合叶片，可以在1000r/min的低转速下进行发泡，采用先混合-后发泡的方式，即将发泡、稳泡剂与普通水泥浆先混合，后搅拌混合浆杯中空气得到设定密度的泡沫水泥浆。利用本装置及方法，其发泡容易且效果好，发泡后水泥浆能完全充满浆杯，泡沫均匀程度高，泡沫水泥密度0.8-1.8g/cm3之间任意可调。
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。