CN105418155A - 用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器 - Google Patents

Abstract

本发明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。本发明可快速达到所需的气液比例，并克服了泡沫水泥浆中气泡大且不均匀的缺陷，从而较好的控制了泡沫水泥浆的密度。

Description

用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器

技术领域

本发明涉及一种泡沫发生器，尤其是一种用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器。

背景技术

在泡沫水泥浆固井中，泡沫发生器的结构设计是否合理将直接关系到发泡质量及泡沫的稳定性。

在石油领域中泡沫发生器大多是针对钻井液或气举、泡沫酸化等领域，不含水泥固体颗粒，发泡相对容易，对气泡的大小要求和混合程度要求不高。然而，在泡沫水泥浆固井中对泡沫水泥浆的密度要求控制严格，并且要求产生的气泡直径均匀、细小。

目前，水泥浆泡沫发生器存在气液比例不宜控制、气泡大且不均匀的缺陷，导致其不能满足现场施工的要求。

发明内容

本发明旨在提供一种泡沫水泥浆固井的泡沫发生器，该泡沫发生器能够快速方便地调节泡沫水泥浆的气液比例，使泡沫水泥浆发泡均匀，从而克服以往泡沫水泥浆密度不易控制的问题。

根据本发明提出的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，在预混合腔的内壁上设置有包括音速喷嘴的配气筒。

根据本发明，相互垂直设置的进料口和进气口分别设置成与预混合腔相连通。由于氮气的注入方向与水泥浆的注入方向垂直，因此氮气与水泥浆能够更好地在预混合腔内混合。当冲入高压氮气时，高速喷射的水泥浆能够将径向注入的氮气包裹在水泥浆体中，形成泡沫水泥浆。同时，在预混合腔的内壁上设置有配气筒，从进气口进入的高压氮气经过配气筒后，使气体充分雾化，同时形成高剪切流。另外，在配气筒上还设置音速喷嘴，其用来控制和调节氮气的流量，从而能够实现优良的效果。

在一些实施方案中，音速喷嘴在配气筒的内壁上沿周向等间距分布。在配气管的内壁上这样设置音速喷嘴，能够使预混合腔内的气体流量更为均匀，气压更为稳定，从而利于水泥浆和氮气的混合均匀。

在一些实施方案中，音速喷嘴的个数为1-4个。通过设置不同个数的音速喷嘴，可以有利地控制和调节气体的流量和压力。

在一些实施方案中，均化器组件包括一具有中空腔室的外壳，在所述外壳内设置有用于提供螺旋流道的均化叶片体。通过这种设置，均化叶片体可进一步均化经预混合腔流过的泡沫水泥浆，使泡沫水泥浆内的气泡更均匀，从而达到固井施工的使用要求。

在一些实施方案中，均化叶片体具有多个均化叶片，所述的多个均化叶片周向上分别设置成与轴向呈同一夹角并等间距排列，并且在轴向上设置为镜像排列。这样的设置可以为预混合腔中的泡沫水泥浆提供一个环空螺旋流道，从而在均化叶片的切割、扰流的作用下形成漩涡流。这样，泡沫水泥浆的大气泡将被粉碎为细小的气泡，以便形成满足固井施工要求的含微小气泡的泡沫水泥浆。

在一些实施方案中，均化器组件还包括设置在均化叶片体两端的均化器固定板。固定板的设置能够将均化叶片体固定在均化器外壳内，使均化叶片体不会随水泥浆的运动而发生转动或移动，从而承受由预混合腔内射入的高速泡沫水泥浆流。

在一些实施方案中，在水泥浆注入组件中的沿轴向设置的进料口向内延伸的端部设置有水泥浆喷嘴，所述水泥浆喷嘴的直径小于所述进料口的直径。由于注入水泥浆进料口的流量和压力一定，因此当水泥浆喷嘴的直径小于所述进料口的直径时，在水泥浆喷嘴处加快了水泥浆的喷射速度，从而增加了氮气和水泥浆体的混合能量。

在一些实施方案中，水泥浆注入组件的进料口处与所述氮气注入组件的进气口处均设置有由壬短节。这样的设置可以方便外部的高压气体设备与氮气注入组件的进气口、水泥浆车与水泥浆注入组件的进料口的连接与拆卸。

在一些实施方案中，均化器组件一端与氮气注入组件固定连接，另一端由支撑管进行固定，支撑管上设置有与外界连通的泡沫水泥浆出口。经过均化器充分混合的泡沫水泥浆流经支撑管从泡沫水泥浆出口流出，支撑管的设置一方面对均化器和出口起固定连接作用，另一方面为具有一定速度的泡沫水泥浆提供一个减速缓冲的通道。

在一些实施方案中，在支撑管与均化器组件、均化器组件与氮气注入组件、氮气注入组件与水泥浆注入组件的连接处均设置有密封件。由于在该泡沫水泥浆泡沫发生器工作时，其内部一直为高压、高流速状态，因此通过在各组件的连接处设置密封件，可以使其工作状态更为稳定。

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为用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器的结构示意图；

图2为音速喷嘴在配气筒上的分布图；

图3为均化叶片体的示意图；

图4为达到某一临介压力时，用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器中的气体流量与入口压力的关系图。

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实用新型作进一步说明。

这里所介绍的细节是示例性的，并仅用来对本发明的实施例进行例证性讨论，它们的存在是为了提供被认为是对本发明的原理和概念方面的最有用和最易理解的描述。关于这一点，这里并没有试图对本发明的结构细节作超出于基本理解本发明所需的程度的介绍，本领域的技术人员通过说明书及其附图可以清楚地理解如何在实践中实施本发明的几种形式。

图1为用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器100的结构示意图。根据本发明的用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器100主要包括水泥浆注入组件30、氮气注入组件50以及均化器组件70。水泥浆注入组件30具有轴向的进料口31；氮气注入组件50包括径向的进气口51、以及与进气口51和进料口31均相连通并且沿轴向设置的预混合腔52。其中，在所述预混合腔52的内壁上设置有包括音速喷嘴54(分布如图2所示)的配气筒53。

在该泡沫发生器100中，相互垂直设置的进料口31和进气口51与预混合腔52相连通。由于氮气的注入方向与水泥浆的注入方向垂直，使氮气与水泥浆能够更好地在预混合腔52内混合。需要指出的是，本发明中提到的水泥浆均含有发泡剂和稳定剂。当充入高压氮气时，高速喷射的水泥浆能够将径向注入的氮气包裹在水泥浆体中，形成泡沫。同时，在预混合腔52的内壁上设置有配气筒53，从进气口进入的高压氮气经过配气筒53后，使气体充分雾化，同时形成高剪切流，而配气筒53上设置的音速喷嘴54用来控制和调节氮气的流量。

根据本发明，音速喷嘴54在配气筒53的内壁上沿周向等间距分布。在配气筒53的内壁上这样设置音速喷嘴54，可使预混合腔52内的气体流量更为均匀，气压更为稳定，从而利于水泥浆和氮气的均匀混合。优选地，音速喷嘴54的个数为1-4个。通过设置不同个数的音速喷嘴54来控制和调节气体的流量和压力。另外，音速喷嘴54可通过在配气筒53上打孔来进行固定。

如图1所示的实施例中，均化器组件70包括一具有中空腔室的外壳71。在所述外壳71内设置有用于提供螺旋流道的均化叶片体72。该均化叶片体72可进一步均化经预混合腔52流过的泡沫水泥浆，使泡沫水泥浆内的气泡更均匀，从而达到固井施工的使用要求。

优选地，如图3所示，均化叶片体72具有多个均化叶片73，所述的多个均化叶片73在周向上分别设置成与轴向呈同一夹角a并等间距排列，在轴向上设置为镜像排列，其中夹角a优选为10°。这样的设置可以为预混合腔52中的泡沫水泥浆提供一个环空螺旋流道，在均化叶片73的切割、扰流的作用下，形成漩涡流，将泡沫水泥浆的大气泡粉碎为细小的气泡，形成满足固井施工要求的含微小气泡的泡沫水泥浆。

根据本发明，如图1所示，水泥浆注入组件30中沿轴向设置的进料口31向内延伸的端部设置有水泥浆喷嘴32，所述水泥浆喷嘴32的直径小于所述进料口31的直径。由于注入水泥浆进料口31的流量和压力一定，因此当水泥浆喷嘴32的直径小于所述进料口31的直径时，在水泥浆喷嘴32处加快了水泥浆的喷射速度，从而增加了氮气和水泥浆体的混合能量。在本发明中，经过水泥浆喷嘴的水泥浆的喷射速度高于10m/s。

在如图1所示的实施例中，水泥浆注入组件30的进料口31处和氮气注入组件50的进气口51处设置有由壬短节34和由壬短节54。这样的设置可以方便外部的高压气体设备与氮气注入组件50的进气口51、水泥浆车与水泥浆注入组件30的进料口31的连接与拆卸，并且由壬连接的连接性能也比较可靠，可以承受高压、高速流体的冲击。外部的高压气体设备注入的氮气优选为25MPa。根据进气口与进料口所进入物质的状态的不同，可选择不同的由壬短节，优选地，由壬短节34选择为2寸，由壬短节54选择为1寸。

另外，根据本发明，如图1所示，均化器组件70还包括设置在均化叶片体72两端的均化器固定板74。均化器固定板74的设置能够将均化叶片体72固定在均化器外壳71内，使均化叶片体72不会随泡沫水泥浆的运动而发生转动或移动，从而承受由预混合腔52内射入的高速泡沫水泥浆流。

如图1所示的实施例中，均化器组件70一端与氮气注入组件50固定连接，另一端由支撑管80进行固定，支撑管80上设置有与外界连通的泡沫水泥浆出口90。经过均化器70充分混合的泡沫水泥浆流经支撑管80从泡沫水泥浆出口90流出，支撑管80的设置一方面对均化器70和出口90起固定连接作用，另一方面为具有一定速度的泡沫水泥浆提供一个减速缓冲的通道，并直接运用到固井施工中。

优选地，支撑管80与均化器组件70、均化器组件70与氮气注入组件50、氮气注入组件50与水泥浆注入组件30的连接处均设置有密封件60。由于在该泡沫水泥浆泡沫发生器100工作时，其内部一直为高压、高流状态，因此需要在各组件的连接处设置密封件60，这样可以使其工作状态更为稳定。

根据本发明提出的用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器100，本发明100设计成三通结构，并利用高压气液射流和均化器内的螺旋流，实现气、液、固三相流体的充分混合发泡，连续、稳定地产生高质量的泡沫水泥浆，浆体形如“奶昔”，气泡均匀、细腻。并且，由于该用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器100内部没有活动部件，便于现场快速安装与清洗，而且音速喷嘴54也可实现快速拆卸和更换。

优选地，可以在配气筒53上装配不同尺寸的音速喷嘴54，本发明优选使用5mm喉径的收缩音速喷嘴，当气体流速达到音速时，气体质量流量仅与入口压力有关，与出口压力无关，如图4所示，当超过某一临界压力时，出口端的压力不影响气体的质量流量，气体质量流量仅与入口压力呈线性关系。在现场可以通过调整压力或喷嘴直径来快速达到设计的气液比例，实时调节氮气流量，从而较好的控制泡沫水泥浆密度，以克服以往泡沫水泥浆密度不易控制的问题。

应注意的是，前面所述的例子仅以解释为目的，而不能认为是限制了本发明。虽然已经根据示例性实施例对本发明进行了描述，然而应当理解，这里使用的是描述性和说明性的语言，而不是限制性的语言。在当前所述的和修改的所附权利要求的范围内，在不脱离本发明的范围和精神的范围中，可以对本发明进行改变。尽管这里已经根据特定的方式、材料和实施例对本发明进行了描述，但本发明并不仅限于这里公开的细节；相反，本发明可扩展到例如在所附权利要求的范围内的所有等同功能的结构、方法和应用。

Claims (10)

1.一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，所述水泥浆注入组件具有沿轴向的进料口，

氮气注入组件，所述氮气注入组件包括径向的进气口，以及与所述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。

2.如权利要求1所述的用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器，其特征在于，所述音速喷嘴在所述配气筒的内壁上沿周向等间距分布。

3.如权利要求1或2所述的用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器，其特征在于，所述音速喷嘴的个数为1-4个。

4.如权利要求1到3中任一项所述的用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器，其特征在于，所述均化器组件包括具有中空腔室的外壳，在所述外壳内设置有用于提供螺旋流道的均化叶片体。

5.如权利要求4所述的用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器，其特征在于，所述均化叶片体具有多个均化叶片，所述的多个均化叶片在周向上设置成与轴向呈同一夹角并等间距排列，并在轴向上设置为镜像排列。

6.如权利要求4或5所述的用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器，其特征在于，所述均化器组件还包括设置在均化叶片体两端的均化器固定板。

7.如权利要求1到6中任一项所述的用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器，其特征在于，所述进料口的向内延伸的端部设置有水泥浆喷嘴，所述水泥浆喷嘴的直径小于所述进料口的直径。

8.如权利要求1到7中任一项所述的用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器，其特征在于，所述水泥浆注入组件的进料口处与所述氮气注入组件的进气口处均设置有由壬短节。

9.如权利要求1到8中任一项所述的用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器，其特征在于，所述均化器组件的一端与氮气注入组件固定连接，另一端由支撑管进行固定，所述支撑管上设置有与外界连通的泡沫水泥浆出口。

10.如权利要求1到9中任一项所述的用于泡沫水泥浆固井的泡沫发生器，其特征在于，在所述支撑管与均化器组件、均化器组件与氮气注入组件、氮气注入组件与水泥浆注入组件的连接处均设置有密封件。