CN111888960B - 一种石油钻采固井作业的泡沫发生装置及其发泡方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石油钻采固井作业的泡沫发生装置及其发泡方法，一级混合器出液口与二级混合器进液口连通，一级混合器进液口与固井车泵体连通，一级混合器与液添装置连通，二级混合器进液口与氮气发生装置连通，一级混合器和二级混合器上均设有均混器，一级混合器结构为：第一混合腔与第一扩散管连通，第一扩散管通过弯管连通，弯管与第一均混器连通，第一均混器与二级混合器连通，采用文丘里喷射混合原理、紊流混合原理和剪切混合原理，将固态、液态和气态这三种流相介质进行混合，形成密度稳定、混合均匀的泡沫水泥浆。

Description

一种石油钻采固井作业的泡沫发生装置及其发泡方法

技术领域

本发明涉及石油钻采固井作业设备领域，特别涉及到适用于低密度固井作业的一种石油钻采固井作业的泡沫发生装置及其发泡方法。

背景技术

随着页岩气开发力度的不断增大，当前固井作业呈现水平段、斜井段长的特点，套管偏心、低压易漏失等问题日益突出，对固井施工中的低密度水泥浆提出更高要求。泡沫水泥浆固井技术能够实现了低密度水泥浆制备，改善易漏失地层井漏、减少套管偏心等问题，在国外得到推广应用。

哈里伯顿、BJ等公司的泡沫水泥浆固井系统代表了泡沫固井的先进水平。配套的水泥浆制备体系、计算机控制系统及配套施工工艺，在现场得到了工业应用。国内目前在此方面相对落后，缺少可靠的泡沫混浆设备。泡沫发生装置是泡沫固井的核心部件。

中国专利CN 105418155 A “用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器”公开了一种用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器，包括水泥浆注入组件，水泥浆注入组件具有沿轴向的进料口 ；氮气注入组件，氮气注入组件包括径向的进气口，以及与进气口和进料口均相连通并且沿轴向设置的预混合腔 ；以及均化器组件。其中，在所述预混合腔的内壁上设置有包括音速喷嘴的配气筒。均化器组件的结构的轴体比较大，导致整个发泡结构通过性较差，水泥浆液在外部还需要与添加剂混合后再与氮气混合，混合设备分散，且通过性差。

中国专利CN 109397538 A“一种泡沫水泥浆发生器和水泥浆带压充气装置及其应用” 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。该结构混合腔体与螺旋组块之间的距离较小，图中所知混合腔体与螺旋组为同一腔体，高压的氮气直接将泡沫水泥浆吹散，导致泡沫水泥浆无法进入到螺旋组内部的腔体，只要泡沫水泥浆流速过大，且发泡效果极差，导致泡沫生产极差。

中国专利CN 204252939 U“一种压力式固井泡沫水泥发生装置” 提供了一种压力式固井泡沫水泥发生装置。所述混合器内有泡沫混合室、喉管和喷嘴相互连通，喉管在垂直方向与氮气进口相连通，混合器在水泥浆进口和氮气进口两端分别装有流量控制阀，混合器和流量控制阀相接触处装有密封垫圈，变径接头总成用扇形挡圈、翼形螺母和弹簧卡圈与混合器相连接，混合液排出口贯通变径接头总成与泡沫混合室相连通。没有混合装置，混合效果基本靠压力来混合，导致水泥泡沫扎堆喷出的情况。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种石油钻采固井作业的泡沫发生装置及其发泡方法，解决泡沫固井作业时，泡沫水泥浆密度不稳定、气泡分布不均匀的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种石油钻采固井作业的泡沫发生装置，一级混合器出液口与二级混合器进液口连通，一级混合器进液口与固井车泵体连通，一级混合器与液添装置连通，二级混合器进液口与氮气发生装置连通，一级混合器和二级混合器上均设有均混器。

优选方案中，一级混合器结构为：第一混合腔与第一扩散管连通，第一扩散管通过弯管连通，弯管与第一均混器连通，第一均混器与二级混合器连通。

优选方案中，二级混合器结构为：第二混合腔与第一均混器连通，第二混合腔一端与氮气发生装置连通，另一端与第二扩散管连通，第二扩散管与第二均混器连通。

优选方案中，第一混合腔，第一混合腔一端设有第一喷嘴，第一喷嘴与固井车泵体连通，所述第一混合腔一侧设有添加剂入口，添加剂入口与液添装置连通；

第一喷嘴通过多个锁紧螺母锁紧在第一混合腔进液口。

优选方案中，第一喷嘴端部伸入到第一混合腔内部，且端部设在添加剂入口位置，第一喷嘴端部呈锥形结构；

第一喷嘴喷流水泥基浆，致使第一混合腔内部为负压从添加剂入口吸入液体添加剂，高压水泥基浆高速剪切液体添加剂混合。

优选方案中，第一扩散管内部通过细管与第一混合腔连通，第一扩散管内部管道管径越远离第一混合腔管径越大，第一扩散管与第一混合腔之间螺纹连接，且外部通过锁紧环卡接；

第一扩散管与弯管或第一均混器通过卡座卡接。

优选方案中，第一扩散管端部与第一混合腔螺纹连接，锁紧环与第一扩散管端部螺纹连接，锁紧环抵靠在第一混合腔端面上。

优选方案中，第二扩散管端部与第二均混器通过卡座卡接；

所述第二均混器端部设有卡环，卡环端部抵靠在第二均混器的凸台上且与第二均混器螺纹连接，所述卡座一端内部卡在卡环的凸台上限位，且另一端与第二扩散管螺纹连接，第二均混器与第二扩散管之间设密封垫。

优选方案中，第一均混器包括筒体，筒体内部设有搅拌轴，搅拌轴周圈设有多个螺旋分布的搅拌叶片，筒体两端设有压盖，搅拌轴与压盖转动连接，压盖上设有多个通孔。

该方法包括：

S1、固井车泵体通过流量计与电动阀门第一混合腔连通，开启电动阀门固井车排出的高压水泥基浆从第一混合腔中的第一喷嘴射入，形成高压射流，在第一喷嘴内部形成负压；

S2、液添装置开启电动阀门，在负压作用下，泵出的液体添加剂从第一混合腔的添加剂入口被吸入到第一混合腔内部，而后被从第一混合腔射入的高压水泥基浆高速剪切，起到混合作用；

S3、水泥基浆和液体添加剂混合液经过通径不断变大的第一扩散管后进一步产生紊流混合，紧接着水泥基浆和液体添加剂混合液流经过第一均混器被进一步剪切、混合；

S4、氮气发生装置开启电动阀门，提供氮气从第二混合腔中的第二喷嘴射入，形成高压射流，在第二混合腔内部形成负压，在负压作用下，经过一级混合器混合后的水泥基浆和液体添加剂混合液从二级混合器的吸入口被吸入到第二混合腔内部，而后被从第二喷嘴射入的高压氮气高速剪切，起到混合作用；

S5、接着混有氮气的、液体添加剂和水泥基浆的混合液经过通径不断变大的第二扩散管后进一步产生紊流混合，紧接着混有氮气的、液体添加剂和水泥基浆的混合液流经第二均混器被进一步剪切、混合，从而形成密度稳定均匀的泡沫水泥浆。

本发明提供了一种石油钻采固井作业的泡沫发生装置及其发泡方法，该装置主要采用文丘里喷射混合原理、紊流混合原理和剪切混合原理，将固态、液态和气态这三种流相介质进行混合，形成密度稳定、混合均匀的泡沫水泥浆，本发明的有益效果为：

1.本发明采用喷嘴可快速拆装结构，适用于不同密度、流量的泡沫水泥浆混配；

2.本发明采用均混器对流经的介质进行再一次剪切混合，提升介质均匀性；

3.本发明采用二级混合的方式，且每一级混合都包含均混器，对混合液进一步剪切、混合，确保混合更均匀、混合液密度更稳定，结构简单，使用方便，适合推广使用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明总体结构图；

图2是本发明各个部位零件连接结构图；

图3是本发明主视剖视结构图；

图4是本发明喷嘴、混合腔和扩散管安装结构图；

图5是本发明均混器、混合腔和扩散管安装结构图；

图6是本发明均混器结构图；

图中：一级混合器1；二级混合器2；第一喷嘴3；锁紧螺母301；第一混合腔4；添加剂入口5；第一扩散管6；卡座7；弯管8；第二混合腔9；第二扩散管10；第一均混器11；第二均混器12；压盖1201；搅拌叶片1202；搅拌轴1203；排出口13；第二喷嘴14；锁紧环15；固井车16；液添装置17；氮气发生装置18；流量计19；电动阀门20；压力计21；卡环22。

具体实施方式

实施例1

如图1~6所示，一种石油钻采固井作业的泡沫发生装置，一级混合器1出液口与二级混合器2进液口连通，一级混合器1进液口与固井车16泵体连通，一级混合器1与液添装置17连通，二级混合器2进液口与氮气发生装置18连通，一级混合器1和二级混合器2上均设有均混器。由此结构，均混器起到对混合液进一步剪切、混合的作用，大幅延长混合时间，确保混合更均匀、混合液密度更稳定。

优选方案中，一级混合器1结构为：第一混合腔4与第一扩散管6连通，第一扩散管6通过弯管8连通，弯管8与第一均混器11连通，第一均混器11与二级混合器2连通。由此结构，一级混合器1和二级混合器2，一级混合器1的排出口与二级混合器2的吸入口相连，固井施工时，固井车16排出的高压水泥基浆和液添装置泵出液体添加剂在第一混合腔4内进行一次混合，然后氮气发生装置提供的氮气和经过第二混合腔9混合后的含液体添加剂的水泥浆在第二混合腔9进行混合发泡，从而形成密度稳定的泡沫水泥浆。

优选方案中，二级混合器2结构为：第二混合腔9与第一均混器11连通，第二混合腔9一端与氮气发生装置18连通，另一端与第二扩散管10连通，第二扩散管10与第二均混器12连通。由此结构，氮气发生装置提供的氮气和经过第二混合腔9混合后的含液体添加剂的水泥浆在第二混合腔9进行混合发泡，从而形成密度稳定的泡沫水泥浆。

优选方案中，第一混合腔4，第一混合腔4一端设有第一喷嘴3，第一喷嘴3与固井车16泵体连通，所述第一混合腔4一侧设有添加剂入口5，添加剂入口5与液添装置17连通，由此结构，第一喷嘴3和第二喷嘴14均采用可快速拆装结构，从而进行不同密度、流量的泡沫水泥浆的混配。

固井车16排出的高压水泥基浆从一级混合器1中的第一喷嘴3射入，形成高压射流，在第一混合腔4内部形成负压，在负压作用下，液添装置17泵出的液体添加剂从第一混合腔4的添加剂入口5被吸入到第一混合腔4内部，而后被从第一喷嘴3射入的高压水泥基浆高速剪切，起到混合作用，接着水泥基浆和液体添加剂混合液经过通径不断变大的第一扩散管6后进一步产生紊流混合，紧接着水泥基浆和液体添加剂混合液流经第一均混器11被进一步剪切、混合。

第一喷嘴3通过多个锁紧螺母301锁紧在第一混合腔4进液口。由此结构，采用可快速拆装结构，从而进行不同密度、流量的泡沫水泥浆的混配。

优选方案中，第一喷嘴3端部伸入到第一混合腔4内部，且端部设在添加剂入口5位置，第一喷嘴3端部呈锥形结构，由此结构，端部设在添加剂入口5位置能够使第一混合腔4内部形成负压，且呈锥形结构也方便液体添加剂流入到第一喷嘴3开口位置进行剪切、混合。

第一喷嘴3喷流水泥基浆，致使第一混合腔4内部为负压从添加剂入口5吸入液体添加剂，高压水泥基浆高速剪切液体添加剂混合。

优选方案中，第一扩散管6内部通过细管与第一混合腔4连通，第一扩散管6内部管道管径越远离第一混合腔4管径越大，第一扩散管6与第一混合腔4之间螺纹连接，且外部通过锁紧环15卡接，第一扩散管6与弯管8或第一均混器11通过卡座7卡接。由此结构，水泥基浆和液体添加剂混合液经过通径不断变大的第一扩散管6后进一步产生紊流混合，紧接着水泥基浆和液体添加剂混合液流经第一均混器11被进一步剪切、混合。

优选方案中，第一扩散管6端部与第一混合腔4螺纹连接，锁紧环15与第一扩散管6端部螺纹连接，锁紧环15抵靠在第一混合腔4端面上。由此结构，锁紧环15起到固定第一扩散管6作用，防止第一扩散管6共振松脱落。

优选方案中，第二扩散管10端部与第二均混器12通过卡座7卡接，所述第二均混器12端部设有卡环22，卡环22端部抵靠在第二均混器12的凸台上且与第二均混器12螺纹连接，所述卡座7一端内部卡在卡环22的凸台上限位，且另一端与第二扩散管10螺纹连接，第二均混器12与第二扩散管10之间设密封垫。由此结构，卡环22和卡座7配合锁紧第二均混器12和第二扩散管10，连接结构简单，方便拆卸，密封垫起到密封作用。

优选方案中，第一均混器11包括筒体，筒体内部设有搅拌轴1203，搅拌轴1203周圈设有多个螺旋分布的搅拌叶片1202，筒体两端设有压盖1201，搅拌轴1203与压盖1201转动连接，压盖1201上设有多个通孔。由此结构，搅拌叶片1202与搅拌轴1203焊接在一起，搅拌叶片1202与搅拌轴1203沿轴向可选转，管道两端各有一个压盖1201，两压盖1201确保焊接有搅拌叶片1202的搅拌轴1203不会沿轴向窜动，混合液在流经均混器被其内部的搅拌叶片1202不断剪切，从而进行再次混合。

实施例2

结合实施例1进一步说明，如图1~6所示，固井车16泵体通过流量计19与电动阀门20第一混合腔4连通，开启电动阀门20固井车16排出的高压水泥基浆从第一混合腔4中的第一喷嘴3射入，形成高压射流，在第一喷嘴3内部形成负压。

液添装置17开启电动阀门20，在负压作用下，泵出的液体添加剂从第一混合腔4的添加剂入口5被吸入到第一混合腔4内部，而后被从第一混合腔4射入的高压水泥基浆高速剪切，起到混合作用。

水泥基浆和液体添加剂混合液经过通径不断变大的第一扩散管6后进一步产生紊流混合，紧接着水泥基浆和液体添加剂混合液流经过第一均混器11被进一步剪切、混合。

氮气发生装置18开启电动阀门20，提供氮气从第二混合腔9中的第二喷嘴14射入，形成高压射流，在第二混合腔9内部形成负压，在负压作用下，经过一级混合器1混合后的水泥基浆和液体添加剂混合液从二级混合器2的吸入口被吸入到第二混合腔9内部，而后被从第二喷嘴14射入的高压氮气高速剪切，起到混合作用在。

接着混有氮气的、液体添加剂和水泥基浆的混合液经过通径不断变大的第二扩散管10后进一步产生紊流混合，紧接着混有氮气的、液体添加剂和水泥基浆的混合液流经第二均混器12被进一步剪切、混合，从而形成密度稳定均匀的泡沫水泥浆。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种石油钻采固井作业的泡沫发生装置，其特征是：一级混合器（1）出液口与二级混合器（2）进液口连通，一级混合器（1）进液口与固井车（16）泵体连通，一级混合器（1）与液添装置（17）连通，二级混合器（2）进液口与氮气发生装置（18）连通，一级混合器（1）和二级混合器（2）上均设有均混器；

一级混合器（1）结构为：第一混合腔（4）与第一扩散管（6）连通，第一扩散管（6）通过弯管（8）与第一均混器（11）连通，第一均混器（11）与二级混合器（2）连通；

二级混合器（2）结构为：第二混合腔（9）与第一均混器（11）连通，第二混合腔（9）一端与氮气发生装置（18）连通，另一端与第二扩散管（10）连通，第二扩散管（10）与第二均混器（12）连通；

第一混合腔（4），第一混合腔（4）一端设有第一喷嘴（3），第一喷嘴（3）与固井车（16）泵体连通，所述第一混合腔（4）一侧设有添加剂入口（5），添加剂入口（5）与液添装置（17）连通；

第一喷嘴（3）通过多个锁紧螺母（301）锁紧在第一混合腔（4）进液口；

第一喷嘴（3）端部伸入到第一混合腔（4）内部，且端部设在添加剂入口（5）位置，第一喷嘴（3）端部呈锥形结构；

第一喷嘴（3）喷流水泥基浆，致使第一混合腔（4）内部为负压从添加剂入口（5）吸入液体添加剂，高压水泥基浆高速剪切液体添加剂混合；

第二均混器（12）包括筒体，筒体内部设有搅拌轴（1203），搅拌轴（1203）周圈设有多个螺旋分布的搅拌叶片（1202），筒体两端设有压盖（1201），搅拌轴（1203）与压盖（1201）转动连接，压盖（1201）上设有多个通孔。

2.根据权利要求1所述一种石油钻采固井作业的泡沫发生装置，其特征是：第一扩散管（6）内部通过细管与第一混合腔（4）连通，第一扩散管（6）内部管道管径越远离第一混合腔（4）管径越大，第一扩散管（6）与第一混合腔（4）之间螺纹连接，且外部通过锁紧环（15）卡接；

第一扩散管（6）与弯管（8）或第一均混器（11）通过卡座（7）卡接。

3.根据权利要求2所述一种石油钻采固井作业的泡沫发生装置，其特征是：第一扩散管（6）端部与第一混合腔（4）螺纹连接，锁紧环（15）与第一扩散管（6）端部螺纹连接，锁紧环（15）抵靠在第一混合腔（4）端面上。

4.根据权利要求1所述一种石油钻采固井作业的泡沫发生装置，其特征是：第二扩散管（10）端部与第二均混器（12）通过卡座（7）卡接；

所述第二均混器（12）端部设有卡环（22），卡环（22）端部抵靠在第二均混器（12）的凸台上且与第二均混器（12）螺纹连接，所述卡座（7）一端内部卡在卡环（22）的凸台上限位，且另一端与第二扩散管（10）螺纹连接，第二均混器（12）与第二扩散管（10）之间设密封垫。

5.根据权利要求1~4任一项所述一种石油钻采固井作业的泡沫发生装置的发泡方法，其特征是：

该方法包括：

S1、固井车（16）泵体通过流量计（19）与电动阀门（20）第一混合腔（4）连通，开启电动阀门（20）固井车（16）排出的高压水泥基浆从第一混合腔（4）中的第一喷嘴（3）射入，形成高压射流，在第一喷嘴（3）内部形成负压；

S2、液添装置（17）开启阀门，在负压作用下，泵出的液体添加剂从第一混合腔（4）的添加剂入口（5）被吸入到第一混合腔（4）内部，而后被从第一混合腔（4）射入的高压水泥基浆高速剪切，起到混合作用；

S3、水泥基浆和液体添加剂混合液经过通径不断变大的第一扩散管（6）后进一步产生紊流混合，紧接着水泥基浆和液体添加剂混合液流经过第一均混器（11）被进一步剪切、混合；

S4、氮气发生装置（18）开启电动阀门（20），提供氮气从第二混合腔（9）中的第二喷嘴（14）射入，形成高压射流，在第二混合腔（9）内部形成负压，在负压作用下，经过一级混合器（1）混合后的水泥基浆和液体添加剂混合液从二级混合器（2）的吸入口被吸入到第二混合腔（9）内部，而后被从第二喷嘴（14）射入的高压氮气高速剪切，起到混合作用；

S5、接着混有氮气的、液体添加剂和水泥基浆的混合液经过通径不断变大的第二扩散管（10）后进一步产生紊流混合，紧接着混有氮气的、液体添加剂和水泥基浆的混合液流经第二均混器（12）被进一步剪切、混合，从而形成密度稳定均匀的泡沫水泥浆。