CN101560870B - 泡沫钻井中泡沫基液循环使用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泡沫钻井中泡沫基液循环使用系统，涉及一种泡沫钻井中对于使用过的泡沫进行处理的系统，目的是解决现有泡沫钻井中泡沫基液循环使用存在的问题，包括气体增压装置；与气体增压装置连接的气液混合器；与气液混合器连接的往复式钻井泵；与往复式钻井泵连接的基液罐；与基液罐连接的三相分离装置；三相分离装置的入口端与井筒泡沫出口连通；气液混合器的出口端与钻柱连通，从井口返出的含固相颗粒的泡沫经过该工艺流程实现不改变泡沫流体的化学组分和化学性质条件下的泡沫基液多次循环使用；同时具有井口不需要加回压，不改变常规泡沫钻井的任何工艺和参数；不改变原循环装备的优点。

Description

泡沫钻井中泡沫基液循环使用系统

技术领域

本发明涉及一种泡沫钻井中对于使用过的泡沫进行处理的系统，本发明也可以用于泡沫修井、泡沫洗井等施工中的泡沫基液循环使用。

背景技术

泡沫钻井中所应用的泡沫流体为水基液体和气体(空气、氮气、天然气、柴油机尾气)的混合泡沫。由于泡沫钻井的工艺需要，这种泡沫流体往往比较粘稠、稳定性好、半衰期长。使泡沫粘稠、稳定、半衰期长的方法是用发泡剂、稳泡剂、增粘剂等多种化学药品配制泡沫的水基液体。为区别于只用发泡剂的一般泡沫(称之为一元泡沫)，常将含有发泡剂、稳泡剂、增粘剂等多种化学剂的粘稠泡沫称之为多元粘稠泡沫。

多元粘稠泡沫基液的循环使用，目前在钻井工业界有两种常用方法。

第一种是国内常用的方法：采用稳定性稍差、半衰期稍短的泡沫，将井内返回的泡沫置于一个较大容积的池中，使泡沫在池中自然降解破泡，在池底抽取聚集基液重复利用。

此方法最大的问题是：

①泡沫稳定性差、半衰期短，有时不能满足工艺要求；

②占地面积大，经常受井场面积限制而不能使用；

③等待泡沫自然降解破泡的时间过长。

第二种是国外常用的方法(以美国Weatherford公司的Transfoam为例)：采用某种对pH值敏感的两性离子表面活性剂，对井内返出泡沫加酸使其破泡，实现气液分离。对泡沫基液除去固相后，再加碱使其恢复发泡能力，与高压气体形成新的泡沫再次注入井中。

这种方法的不足是：

①对pH值敏感的两性离子表面活性剂往往在抗盐抗油抗温方面不理想；

②多次加酸消泡、加碱发泡，使泡沫基液中的盐类浓度逐渐增加，泡沫基液性质逐渐变差，到一定程度不得不弃掉。

发明内容

本发明的目的是解决现有泡沫钻井中泡沫基液循环使用存在的上述问题，提供一种泡沫基液循环使用系统，应用该系统可以通过物理方法分离泡沫中的固相颗粒、消泡、循环使用，具有处理时间短、占地面积小、消泡效果好、回收使用率高的优点。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

泡沫钻井中泡沫基液循环使用系统，包括

气体增压装置；

与气体增压装置连接的气液混合器；

与气液混合器连接的往复式钻井泵；

与往复式钻井泵连接的基液罐；

与基液罐连接的三相分离装置；

三相分离装置的入口端与井筒泡沫出口连通；

气液混合器的出口端与钻柱连通。

作为本发明的实施方式之一，所述气体增压装置包括空气压缩机、增压机，空气压缩机的出口端与增压机的入口端连通。

作为本发明的实施方式之一，所述气体增压装置还包括连接于空气压缩机、增压机之间的膜分离制氮机。

作为本发明的实施方式之一，所述往复式钻井泵包括设置在阀箱一端的单向吸入阀总成、设置在阀箱另一端的单向排出阀总成、设置在上述两者之间的活塞和活塞外的缸套，以及阀箱内位于单向吸入阀总成、单向排出阀总成和活塞之间的余隙，其特征在于，所述单向吸入阀总成倒置，单向排出阀总成的下端位于支撑其的阀箱口与缸套齐平处，余隙内安置有填块，该填块分别设置有互通的进入流道、排出流道和通缸流道，进入流道与单向吸入阀总成相通，排出流道与单向排出阀总成相通，通缸流道与缸套相通。

作为本发明的实施方式之一，所述三相分离装置包括固相分离器、与固相分离器连接的离心分离器、与离心分离器连接的泡沫增压泵，与泡沫增压泵连接的气液分离器，气液分离器的液体排出口与基液罐连通。

作为本发明的实施方式之一，所述固相分离器包括依次级联的一级过滤器、二级分离器；

所述一级过滤器包括第一筒体、设置在第一筒体上端的上盖、与第一筒体的下端连接的固相颗粒储存筒，第一筒体的下端与固相颗粒储存筒之间设置有第一阀门，固相颗粒储存筒的下端设置有第二阀门，第一筒体上开设有第一泡沫入口，在上盖上开设有第一泡沫出口，第一泡沫入口和第一泡沫出口之间设置有第一筛网；

所述二级分离器包括第二筒体、设置在第二筒体并分别与之相通的第二泡沫入口和第二泡沫出口、设置在第二泡沫入口和第二泡沫出口之间的第二筛网，第二筒体上位于第二筛网与第二泡沫入口之间的部分设置有带压卸料器。

作为本发明的实施方式之一，所述气液分离器包括上部开设有气体排出口、底部设置有硬壁面挡板的罐体，面向硬壁面挡板的罐体侧面上通有与泡沫管道连通的喷嘴，上述喷嘴通过泡沫管道与泡沫增压泵连通。

作为本发明的实施方式之一，所述泡沫管道上设置有混合器和湿度监测机构；所述罐体内预置有多元粘稠泡沫的基液，该罐体通过基液泵与混合器的入口端的泡沫管道连通，使其内的基液可通过基液泵输送到与混合器入口端相连的泡沫管道。

本发明采用上述结构的系统，将从井筒返回的含有固相颗粒的带压泡沫基液先通过三相分离装置将泡沫基液中的固相颗粒清除，再将泡沫消泡进行气液分离，得到可以回收利用的基液加入到基液罐，然后通过改进过的往复式钻井泵将上述基液与气体增压装置增压处理过的气体在气液混合器混合生泡，再注入到钻柱中进行泡沫钻井。

可见，采用上述结构的本发明，利用物理方法将井筒返回的泡沫基液中含有的固相颗粒、气体分离清除或排出，得到可供再利用的基液，然后再混合气体成泡循环使用，因无化学成分消泡、发泡，基液性质稳定，更环保，具有处理时间短、占地面积小、消泡效果好、回收使用率高的优点。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是现有往复式钻井泵的结构原理简图；

图3是现有往复式钻井泵的结构示意图；

图4是本发明的往复式钻井泵结构原理简图；

图5是本发明的往复式钻井泵结构示意图；

图6是本发明中的填块结构示意图；

图7是本发明中的单向吸入阀总成的结构示意图；

图8是本发明中的一级过滤器的结构示意图；

图9是本发明中的二级分离器的结构示意图；

图10是是本发明的二级分离器中带压卸料器的结构示意图；

图11是图10的A-A向示意图；

图12是图10的B-B向示意图；

图13是本发明中气液分离器的结构示意图；

图14是本发明的气液分离器喷嘴内泡沫的层状结构示意图；

图15是本发明的气液分离器中泡沫通过喷嘴喷出时外层泡的撕裂破碎示意图。

图16是本发明的气液分离器中泡沫管道内泡沫通过喷嘴喷出时射流中气泡的膨胀与散开示意图；

图17是本发明的气液分离器中射流冲击导致气泡破碎的过程示意图；

图中标号：1-空气、2-空气压缩机、3-膜分离制氮机、4-增压机、5-气液混合器、6-往复式钻井泵、7-离心灌注泵、8-基液罐、9-基液排出口、10-气液分离器、11-气液分离器气体排出口、12-泡沫增压泵、13-离心分离器、14-固相分离器、15-第一阀、16-井筒泡沫出口、17-泡沫管线、18-钻柱、19-第二阀、20-固相分离器的固相颗粒排出口、21-泡沫卸压直排管线、22-井筒、23-钻头、24-井场大污水池。

601-排出阀的弹簧，602-排出阀的阀盘，603-余隙，604-吸入阀支撑件，605-吸入阀的弹簧，606-吸入阀的阀盘，6020-改进前的单向吸入阀总成，6021-改进前的单向排出阀总成，6026-改进后的单向吸入阀总成，6027-改进后的单向排出阀总成，6028-填块，6029-排出口，6030-定位块，6031-螺母，6032-弹簧座，6033-单向吸入阀的弹簧，6034-阀座，6035-减振块，6036-单向吸入阀的压帽，6037-螺栓，6038-单向吸入阀的阀盘，6039-导向套，6040-单向吸入阀的阀杆，6041-阀箱，6042-盲板。

1401-第一封头、1402-第一连接螺栓、1403-第二泡沫入口、1404-第二筒体、1405-第二压板、1406-第二筛网、1407-第二筛网衬板、1408-第三筛网、1409-第三筛网衬板、1410-第三压板、1411-第二连接螺栓、1412-第二封头、1413-第二手轮、1414-第二弹簧、1415-第二泡沫出口、1416-激振器、1417-弹簧、1418-第二支架、1419-第一固相颗粒、1420-第一弹簧、1421-第一手轮、1422-第二固相颗粒、1425-第一泡沫入口、1426-第一泡沫出口、1427-上盖、1428-第一筛网衬板、1429-第一筛网、1430-第一筒体、1431-第一阀门、1432-固相颗粒储存筒、1433-第二阀门、1434-第一支架、36-转轴、37-轴承端盖、38-螺栓、39-轴承、40-壳体、41-出口、42-固相颗粒、43-入口、44-润滑装置、45-拨盘、46-槽轮、1490-带压卸料器。

1001-泡沫管道入口端，1002-混合器，1003-湿度监测机构，1004-横管，1005-喷嘴，1006-泡沫射流，1007-硬壁面挡板，1008-基液，1009-基液泵，1010-基液注入管，1011-罐体，1012-气体排出口。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，泡沫钻井中泡沫基液循环使用系统包括气体增压装置、与气体增压装置连接的气液混合器5、与气液混合器5连接的往复式钻井泵6、与往复式钻井泵6连接的基液罐8、与基液罐8连接的三相分离装置，三相分离装置的入口端与井筒泡沫出口16连通，气液混合器5的出口端通过泡沫管线17与钻柱18连通。

从图1中还可以看出，上述系统的气体增压装置包括接收空气1的空气压缩机2，以及与空气压缩机2连接的膜分离制氮机3(可以选用，也可以不用)和与膜分离制氮机3连接的增压机4。气体增压装置主要是对空气或由膜分离制氮机制得的氮气增压后加入到基液中，以利于发泡。

往复式钻井泵6通过离心灌注泵7与基液罐8连接。

三相分离装置包括通过第一阀15与井筒泡沫出口16连接的固相分离器14、与固相分离器14连接的离心分离器13、与离心分离器13连接的泡沫增压泵12、与泡沫增压泵12连接的气液分离器10。气液分离器10的上部具有气体排出口11，下部具有通向基液罐8的基液排出口9。固相分离器14的下部具有固相颗粒排出口20。

与井筒泡沫出口16连接的还有第二阀19，以及与第二阀19连接并通向井场大污水池24的泡沫卸压直排管线21。在需要卸压直排情况下，打开第二阀19，将井筒返回的泡沫基液直接排入井场大污水池24，则可以避免循环系统因过压而受损。

钻进时，由混合器5产生的泡沫经过泡沫管线17进入钻柱18，再由钻头23喷出，泡沫带着岩屑等固相颗粒一起从钻柱18与井筒22之间的环空返回到地面，由井筒泡沫出口16进入循环使用系统，在第一阀15打开的情况下，上述泡沫基液先由固相分离器14分离出固相颗粒经固相颗粒排出口20排出，含气的泡沫基液再经过离心分离器13进一步分离出更细小的固相微粒，经过泡沫增压泵12增压输入到气液分离器10内进行气液分离，将气体从气体排出口11排出，液体由液体排出口9排入到基液罐8内，再由离心灌注泵7注入到改进过的往复式钻井泵6中，再注入到气液混合器5中与经过气体增压装置增压的气体进行混合发泡，最后经过泡沫管线17再注入到钻柱内循环使用。

下面进一步详细说明各部件的结构。

如图2、图3，现有的往复式钻井泵包括设置在阀箱两端的排出阀总成、吸入阀总成，以及横向设置在两者中间的活塞和套在活塞外的缸套，缸套与排出阀总成、吸入阀总成之间的阀箱相通，在排出阀总成、吸入阀总成和活塞之间形成余隙603，余隙603内设置有吸入阀总成支撑件604，以支撑弹簧605。排出阀总成、吸入阀总成分别都有与阀杆一端连接的阀盘，阀杆外套装有弹簧。

如图2、图3所示，现有的往复式钻井泵的排出阀总成、吸入阀总成的阀盘连接阀杆后都呈倒“T”形。吸入阀总成的阀杆、弹簧位于余隙603内。

显然，上述结构的现有往复式钻井泵具有较大的余隙容积，这主要是为了容纳吸入阀总成的阀杆、弹簧和弹簧座。

上述结构的现有往复式钻井泵不能适用于(或应用效果不够理想)本发明中经过处理的含气泡沫，必须进行结构改进。

如图4、图5所示，为了尽可能减少余隙容积，本实施例将单向排出阀总成结构不变，整体下降，使其下端位于支撑其的阀箱口与缸套连接处的齐平位置；并将单向吸入阀总成倒置，即与现有的同类结构相比，使其阀杆和阀盘连接构成“T”形，弹簧一端座于与阀杆外端连接的弹簧座上，另一端座于阀箱上，则可去掉位于余隙内的吸入阀支撑件；余隙内安置填块6028成为可能，该填块可以充满余隙，其内部分别开设互通的进入流道、排出流道和通缸流道。进入流道的外端口与单向吸入阀总成的阀盘之间的距离满足单向吸入阀总成正常工作而开启时阀盘的运动行程。如图4、图5所示，由于单向排出阀总成的阀盘在正常工作开启时是向外运动，因此，排出通道的外端口可与阀箱和缸套连接处齐平，以进一步减少余隙容积。

本实施例的具体结构如图5所示，改进后往复式钻井泵包括阀箱6041、设置在阀箱6041两端的单向排出阀总成6027和单向吸入阀总成6026、设置在阀箱6041中与之相通的缸套和套装在缸套内的活塞，以及设置在单向排出阀总成6027、单向吸入阀总成6026和活塞之间的余隙603，该余隙内安置有填块6028。

余隙内的阀箱壁上设置有安装定位块6030的凹部，可以将定位块6030安装在其内，填块6028与之对应位置处设置有与定位块6030匹配的定位凹部(如图6所示的右上角处)。定位块与定位凹部相配合，可以实现填块6028在阀箱上的定位。

填块6028的结构如图6所示，其直径为D、长度为L，进入流道的内径为d3，排出流道的内径为d1，通缸流道的内径为d2。进入流道内径d3大于排出流道的内径d1，可以减少吸入时的流动阻力，并最大限度地减少余隙容积。还可以根据流体力学等基础理论和计算，合理设计上述尺寸，以保证安装填块6028后既不影响钻井泵的工作状况，同时又能大大减小钻井泵的余隙容积，从而达到输送含气量较高的钻井液。

如图5所示，单向吸入阀总成6026所处的阀箱6041向外延伸呈筒状，围在单向吸入阀总成的弹簧和阀杆周边，弹簧的一端座于该筒状结构的底部，该筒状结构的外端设置有能够密闭该筒状空间的盲板6042，该筒状结构的周壁上开设有进入口(未示出)。

单向排出阀总成6027所处的阀箱向外延伸呈筒状，围在单向排出阀总成的弹簧和阀杆周边，该筒状结构的周壁上开设有排出口6029。

采用的上述筒状结构，为拆装、维修吸入阀总成、排出阀总成提供了空间，便于进行操作。

倒置的单向吸入阀总成6026安装在阀箱6041上的结构如图7所示，包括阀杆6040、阀盘6038和弹簧6033，阀盘6038上侧通过螺栓6037可拆卸连接压帽6036，压帽6036与阀盘6038之间设置有减振块6035，阀盘6038下侧连接阀杆6040，减振块6035和阀盘6038两者的外沿与阀箱之间设置有阀座6034，阀杆6040外侧位于阀盘6038处套有导向套6039，弹簧6033套在导向套6039外侧的阀杆6040上，阀杆6040外端连接有弹簧座6032，弹簧6033的一端座于弹簧座6032上，另一端座于阀箱上。

弹簧座6032上开有孔，以便在单向吸入阀开启时钻井液可通过这些孔进入，减小钻井液的流动阻力。

本实施例通过对现场配备的往复式钻井泵的改造，大大减小了原泵的余隙容积，使原来泵容积效率低甚至不能输送的介质通过改造后的泵也能满足泵送的要求，实现了高效输送含气钻井液，完成钻井作业，而且改进方法简单、可靠。

在微泡沫钻井中，高效输送含气微泡沫钻井液，将微泡沫钻井液含气量由30％提高到50％，上述改进过的往复式钻井泵仍可保证正常工作。

本发明的一个模拟应用实施例如下：

以3NB-1300三缸单作用泵为例，该泵原设计的余隙容积为7.3升，当经过上述改造后，其余隙容积降为3.3升或者更小，泵的缸径为110mm，标准状态下钻井液的含气量为54％，依然可以保证泵的正常工作。

本发明的循环使用系统中的固相分离器包括依次级联的一级过滤器、二级分离器。为便于表述，本说明书在部分零部件名称前加了第一、第二、第三等字样，这些字样仅为区分部件，不具有其它含义。

如图8所示，一级过滤器包括由第一支架1434支撑的第一筒体1430，第一筒体1430的侧壁上开设有与其相切的第一泡沫入口1425，以使带压泡沫可以沿侧壁进入第一筒体1430内。

第一筒体1430内的上部高于第一泡沫入口1425处设置有第一筛网1429，第一筛网1429由第一筛网衬板1428支撑。

第一筒体1430的上端口通过上盖1427封闭，上盖1427上开设有第一泡沫出口1426。第一筒体1430的下端收缩并通过第一阀门1431连接有固相颗粒储存筒1432，固相颗粒储存筒1432的下端连接有第二阀门1433，且固相颗粒储存筒1432为透明状，可观察固相颗粒储存状况。

如图9所示，二级分离器包括通过第二支架1418安装在激振弹簧1417上的第二筒体1404，第二筒体1404左端上部开设第二泡沫入口1403，其右端下部开设有第二泡沫出口1415，上述第二泡沫入口1403与一级过滤器的第一泡沫出口1426液密性(即密封性可以使液体不致泄出)连接。

第二筒体1404的下部还设置有两个带压卸料器1490。为便于表述，据图9所示，分别称为左带压卸料器和右带压卸料器。

带压卸料器1490的结构如图10所示，包括两半扣合用螺栓紧固可拆卸的壳体40，壳体40上部开设有入口43，下部开设有出口41，上述入口43与第二筒体4相通。壳体40内装配有转轴36，转轴36中部的外壁与壳体40的内壁液密性配合(本发明中所述的液密性配合或液密性装配是指装配的两者之间的密封性可达到液体不泄漏的水平)，转轴36的外壁上开设有与入口43相匹配的至少一处下凹部，本实施例如图10所示，均匀开设四处轴向的凹槽。如图11所示，上述转轴36的两端通过轴承39与壳体40可转动装配，轴承39外通过轴承端盖37用螺栓38装配在壳体40两端封闭。如图12所示，转轴36的一端伸出壳体40连接有槽轮46，通过拨盘45驱动与其配合的槽轮46，拨盘45上的拨块依次转入槽轮46上的间歇槽，从而使拨盘45间歇带动转轴36上的下凹部间歇经过入口43再经过出口41。可以用电机驱动拨盘45，再带动槽轮46及转轴36转动，以实现自动控制。转轴36的转速决定着固相颗粒的排出速率，排出的固相颗粒(如岩屑)量由钻速的快慢(产生岩屑的多少)决定，根据需要调节转速。

壳体40上设置有润滑转轴36的润滑机构44。

第二筒体1404的两端分别设置有第一封头1401和第二封头1412，两个封头分别通过第一连接螺栓1402、第二连接螺栓1411可拆卸地安装在第二筒体1404两端。

在第二泡沫入口1403和第二泡沫出口1415之间设置有两道筛网。第二泡沫入口1403和右边的带压卸料器1490之间有竖直的第二筛网1406，左边的带压卸料器1490安装于第二筛网1406与第二泡沫入口1403之间的第二筒体1404上。第二筛网1406的内侧设置有第二筛网衬板1407，第二筛网1406的外侧设置有第二压板1405，第二压板1405的外端与第一弹簧1420连接，第一弹簧1420的另一端连接有第一手轮1421，第一手轮1421的轮杆伸出第一封头1401与其转轮连接。

右边的带压卸料器1490与第二泡沫出口1415之间设置有第三筛网1408，第三筛网1408的外侧依次设置有第三筛网衬板1409、第三压板1410，第三压板1410的外端与第二弹簧1414连接，第二弹簧1414的另一端连接有第二手轮1413，第二手轮1413的轮杆伸出第二封头1412与其转轮连接。

第二筒体1404的底部安装有激振器1416。

第三筛网1408允许通过的固相颗粒比第二筛网1406更小更细。

第二筛网1406由第二压板1405与第二筛网衬板1407支承并定位；第三筛网1408附于第三筛网衬板1409之上，第三筛网1408由第三筛网衬板1409支承并定位。

第二筛网1406由第一手轮1421、第一弹簧1420、第二压板1405、第二筛网衬板1407压紧并定位。更换第二筛网1406时，只需：①松开第一手轮1421，卸掉第一弹簧1420压紧力；②松开第一封头1401上的第一连接螺栓1402；③打开第一封头1401，依次取出第一弹簧1420、第二压板1405、取出第二筛网1406；④依次放入新筛网、第二压板1405、第一弹簧1420；⑤关上第一封头1401，上紧第一连接螺栓1402；⑥转动第一手轮1421、压紧第一弹簧1420、锁死手轮1421。

第三筛网1408由第二手轮1413、第二弹簧1414、第三压板1410、第三筛网衬板1409压紧并定位。更换第三筛网1408时，只需：①松开第二手轮1413，卸掉第二弹簧1414压紧力；②松开第二封头1412上的第二连接螺栓1411；③打开第二封头1412，依次取出第二弹簧1414、第三压板1410、第三筛网衬板1409、需要更换的第三筛网1408；④依次放入新筛网、第三筛网衬板1409、第三压板1410、第二弹簧1414；⑤关上第二封头1412，上紧第二连接螺栓1411；⑥转动第二手轮1413、压紧第二弹簧1414、锁死第二手轮1413。

上述各筛网铺设在各自的筛网衬板上，可以延长筛网的使用寿命。

二级分离器的第二泡沫出口1415液密性地与离心分离器的入口连通。

利用上述固相分离器来清除带压泡沫固相颗粒的方法包括如下步骤：

a、将含有固相颗粒的带压泡沫密闭地通入一级过滤器，清除固相大颗粒；

b、将从一级过滤器中排出的带压泡沫密闭地通入二级分离器，进一步清除中小固相颗粒；

c、将从二级分离器排出的带压泡沫密闭地通入离心分离器，将微粒级的固相颗粒分离排出，得到清除固相颗粒的带压泡沫。

所述步骤a中，含有固相颗粒的带压泡沫从第一泡沫入口1425液密性地沿与一级过滤器的第一筒体1430的侧壁相切的方向被通入该筒体内(此时第一阀门1431处于打开状态)，固相大颗粒沉积在与第一筒体1430底部相通的固相颗粒储存筒1432中，带压泡沫通过设置在第一筒体1430上部的第一筛网1429由第一泡沫出口1426排出；固相颗粒储存筒1432内的固相大颗粒沉积到设定量时(或通过其透明窗观察到快满时)，关闭第一阀门1431，打开设置在固相颗粒储存筒另一端的第二阀门1433，将固相大颗粒排出。

经过上述处理的带压泡沫液密性地从第一泡沫出口1426通入二级分离器的第二泡沫入口1403，进行上述步骤b的处理。

其中较大的固相颗粒经过第二筛网1406的过滤而沉积在左边的带压卸料器1490处，通过其转轴36的间歇旋转，由入口43落入到转轴36的一个下凹部的较大固相颗粒(如图9中所示的第一固相颗粒1419)，被转入到出口41排出。这期间由于转轴36与壳体之间的液密性装配，保持了第二筒体1404内的压力不泄。

经过第二筛网1406处理的带压泡沫再经过第三筛网1408的过滤，将更小尺寸的固相颗粒(如图9所示的第二固相颗粒1422)如上述方法由图9中右边的带压卸料器排出。

上述步骤b中，可以启动激振器1416，使整个第二筒体1404在弹簧1417上振动，以提高分离效果。

经过上述处理的带压泡沫由第二泡沫出口1415被液密性地通入离心分离器，进行步骤c的处理。

如图13所示，本发明的循环系统中气液分离器包括罐体1011、出口端通入罐体1011内的泡沫管道，该泡沫管道的入口端1001带压通入由泡沫增压泵12输出的多元粘稠泡沫。

泡沫管道的入口端与出口端之间设置有混合器1002、湿度监测机构1003，其出口端连接有横管1004，横管1004上密布排列有若干喷嘴1005，可以增大处理量。在一个实施例中，湿度监测机构1003可以是湿度观察窗，在另一个实施例中，湿度监测机构1003还可以是电子式的湿度监测器或装置。

罐体1011的上部开设有气体排出口1012，其底部固定有竖直的、面向喷嘴1005的硬壁面挡板1007，该挡板1007的表面具有一定的粗糙度。

罐体1011内预置有调节多元粘稠泡沫湿度的基液1008，基液1008可以是新配制的，也可以是上次气液分离后预留的。

罐体1011的底部通过基液泵1009、基液注入管1010与泡沫管道的入口端1001连通，基液泵1009可调流量、可受控开闭，在上述湿度监测机构1003为电子式湿度监测器的实施例中，可以由湿度监测机构1003根据湿度监测的结果发出信号传递给基液泵1009，使其开闭和/或调节流量，从而可以调节泡沫管道内的多元粘稠泡沫的湿度，使之符合要求。

在一个实施例中，硬壁面挡板下部可移动地安装于罐体的底部，可以调节挡板与喷嘴之间的距离，从而适应于不同类型、性质的泡沫。

利用上述的气液分离器进行多元粘稠泡沫气液分离的方法是将多元粘稠泡沫带压经过喷嘴喷出，使泡沫从喷嘴喷出时形成负压破泡及高速击打在壁面而破泡，从而使气体、液体进行分离，其步骤包括：

1)通过湿度监测机构监测多元粘稠泡沫的湿度是否符合要求，如果符合要求，转入步骤3)，如果不符合要求，转入步骤2)；

2)对于不符合湿度要求的多元粘稠泡沫进行湿度调节；

3)对于符合湿度要求的多元粘稠泡沫带压经过喷嘴喷出，使泡沫从喷嘴喷出时形成负压破泡及击打在设置于罐体内的硬壁面挡板上而破泡；

4)泡沫破裂后的气体经过上述罐体上部的气体排出口排出，液体留积于罐体内，实现气体、液体的分离。

上述步骤2)中，在泡沫湿度不符合要求时，由基液泵将罐体内的基液通入泡沫管道，经过混合器与多元粘稠泡沫进行混合，经湿度监测机构监测直到符合要求。

结合附图作进一步的说明。

如图13所示，一个实施例中，泡沫增压泵12输出的多元粘稠泡沫由泡沫管道的入口端1001进入。

在作为湿度监测机构1003的湿度观察窗处观察泡沫湿度，如果泡沫湿度不够，则通过可调流量基液泵1009、由罐体1011中抽取一定量基液1008，经由基液注入管1010注入到泡沫管道，经混合器1002混合均匀。此时，在湿度观察窗中可观察到适当湿度泡沫。

适当湿度的加压(或称为带压)泡沫进入横管1004，分配至各个喷嘴1005，由喷嘴1005喷出泡沫射流1006，一部分泡沫射流从喷嘴喷出时形成负压破泡，未破泡的泡沫射流冲击到安装于适当距离的硬壁面挡板1007使泡破碎，液体在硬壁面挡板1007上形成液膜，向下流动至罐体1011的底部，形成积存的基液1008，泡沫中释放的气体由气体排出口1012排出。

上述过程中，适当湿度的多元粘稠泡沫，通过适当尺寸的喷嘴，在喷嘴流道内形成如图14所示的“三层”结构。

在喷嘴出口处，外层泡受喷嘴出口处几何形状突变的速梯切力的撕裂作用而破碎，如图15所示。中间层泡和中心层泡离开喷嘴后，首先有体积膨胀阶段，气泡直径要增大50％～100％(取决于喷嘴前后压差)。气泡随扩散射流继续运行，则出现气泡间的分离扩散，这一方面是由于射流的扩散作用，另一方面是由于气泡直径增大对周围气泡推开的惯性作用；故喷嘴出口至固定硬壁面的距离要合适(可以通过移动硬壁面挡板1007来调节)，以便气泡有足够时间分离扩散，如图16所示。

当射流气泡冲击到固定硬壁面上时，其破碎过程如图17所示。

(1)具有一定质量、一定速度的孤立泡接近壁面。

(2)孤立泡接触壁面，泡停止整体直线运动。

(3)泡由球型变形为蘑菇型。

(4)泡继续变形为扁平型，再到中间薄、四周厚的扁环型。

(5)扁环型周边液膜在迅速地扩张、拉伸、曲折作用下破裂。

(6)破裂后的液膜迅速收缩为液滴，气体释放。

(7)液滴粘附在壁面上形成液膜向下流动。

如此方式，泡沫射流冲击到壁面上便实现了快速的气液分离。此时由硬壁面挡板1007液膜上流下来的液体已将泡沫中所含气体的99％分离出去，成为微含气(含气量小于50％、气体呈微米级分散细小气泡存在)的液体，可以通过高压的往复式钻井泵6进行增压泵送。

射流喷出的泡沫必须有足够的湿度，以使得气泡相互之间有足够厚的液膜。这样，一方面，在射流中泡与泡之间可以相互分开成为孤立泡；另一方面，每个孤立泡都有足够厚液膜产生足够质量，以产生足够强度的碰撞冲击。因此，需要对多元粘稠泡沫进行监测，以使其达到足够的湿度。

通过上述结构的本发明所公开的循环使用系统，利用物理方法将井筒返回的泡沫基液中含有的固相颗粒、气体分离清除或排出，得到可供再利用的基液，然后再混合气体成泡循环使用，因无化学成分消泡、发泡，基液性质稳定，更环保，具有处理时间短、占地面积小、消泡效果好、回收使用率高的优点。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.泡沫钻井中泡沫基液循环使用系统,其特征在于,包括

气体增压装置;

与气体增压装置连接的气液混合器;

与气液混合器连接的往复式钻井泵;

与往复式钻井泵连接的基液罐;

与基液罐连接的三相分离装置;

三相分离装置的入口端与井筒泡沫出口连通;

气液混合器的出口端与钻柱连通；所述三相分离装置包括固相分离器、与固相分离器连接的离心分离器、与离心分离器连接的泡沫增压泵,与泡沫增压泵连接的气液分离器，气液分离器的液体排出口与基液罐连通；所述固相分离器包括依次级联的一级过滤器、二级分离器；

所述一级过滤器包括第一筒体、设置在第一筒体上端的上盖、与第一筒体的下端连接的固相颗粒储存筒,第一筒体的下端与固相颗粒储存筒之间设置有第一阀门,固相颗粒储存筒的下端设置有第二阀门，第一筒体上开设有第一泡沫入口,在上盖上开设有第一泡沫出口, 第一泡沫入口和第一泡沫出口之间设置有第一筛网；

所述二级分离器包括第二筒体、设置在第二筒体并分别与之相通的第二泡沫入口和第二泡沫出口、设置在第二泡沫入口和第二泡沫出口之间的第二筛网, 第二筒体上位于第二筛网与第二泡沫入口之间的部分设置有带压卸料器。

2.如权利要求1所述泡沫钻井中泡沫基液循环使用系统,其特征在于,所述气体增压装置包括空气压缩机、增压机，空气压缩机的出口端与增压机的入口端连通。

3.如权利要求2所述泡沫钻井中泡沫基液循环使用系统,其特征在于,所述气体增压装置还包括连接于空气压缩机、增压机之间的膜分离制氮机。

4.如权利要求1所述泡沫钻井中泡沫基液循环使用系统,其特征在于,所述往复式钻井泵包括设置在阀箱一端的单向吸入阀总成、设置在阀箱另一端的单向排出阀总成、设置在上述两者之间的活塞和活塞外的缸套，以及阀箱内位于单向吸入阀总成、单向排出阀总成和活塞之间的余隙，所述单向吸入阀总成倒置，单向排出阀总成的下端位于支撑其的阀箱口与缸套齐平处，余隙内安置有填块，该填块分别设置有互通的进入流道、排出流道和通缸流道，进入流道与单向吸入阀总成相通，排出流道与单向排出阀总成相通，通缸流道与缸套相通。

5.如权利要求1所述泡沫钻井中泡沫基液循环使用系统,其特征在于,所述气液分离器包括上部开设有气体排出口、底部设置有硬壁面挡板的罐体，面向硬壁面挡板的罐体侧面上通有与泡沫管道连通的喷嘴，上述喷嘴通过泡沫管道与泡沫增压泵连通。

6.如权利要求5所述泡沫钻井中泡沫基液循环使用系统,其特征在于,所述泡沫管道上设置有混合器和湿度监测机构；所述罐体内预置有多元粘稠泡沫的基液，该罐体通过基液泵与混合器的入口端的泡沫管道连通。

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