CN109501002B - 用于形成泡沫水泥浆的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于形成泡沫水泥浆的装置，其包括：沿第一方向延伸的腔体；位于所述腔体的第一端处并与所述腔体相连通的水泥浆流入通道和气体流入通道；位于所述腔体的与所述第一端间隔开的第二端处并与所述腔体相连通的泡沫水泥浆离开通道；以及位于所述腔体内的搅拌机构，所述搅拌机构的至少一部分处于所述第一端和所述第二端之间，其中所述搅拌机构包括垂直于第一方向旋转的叶片，在所述叶片上构造有贯穿所述叶片的流通孔。通过这种装置能够形成均匀性较好的泡沫水泥浆。

Description

用于形成泡沫水泥浆的装置

技术领域

本发明涉及泡沫水泥浆形成技术领域，特别是涉及一种用于形成泡沫水泥浆的装置。

背景技术

泡沫水泥浆通常由氮气和水泥浆充分混合形成，通常可用于油气井作业中，或用于建筑施工中。

现有的用于形成泡沫水泥浆的装置难以确保所混合得到的泡沫水泥浆(尤其是，在井下高温高压环境下)的均匀性和细腻性。这主要是因为现有技术中的用于形成泡沫水泥浆的装置难以实现水泥浆和气体的充分、均匀地接触和混合。这通常是由水泥浆本身具有较高的密度，和粘稠特性，以及因此而导致的较差的流动性所导致的。均匀性和细腻性差的泡沫水泥浆在用于油气井固井时会导致固井质量较差。

因此，需要一种能形成更加均匀的泡沫水泥浆的装置。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种用于形成泡沫水泥浆的装置，通过这种装置能够形成均匀性较好的泡沫水泥浆。

根据本发明提出了一种用于形成泡沫水泥浆的装置，其包括：沿第一方向延伸的腔体；位于所述腔体的第一端处并与所述腔体相连通的水泥浆流入通道和气体流入通道；位于所述腔体的与所述第一端间隔开的第二端处并与所述腔体相连通的泡沫水泥浆离开通道；以及位于所述腔体内的搅拌机构，所述搅拌机构的至少一部分处于所述第一端和所述第二端之间，其中所述搅拌机构包括垂直于第一方向旋转的叶片，在所述叶片上构造有贯穿所述叶片的流通孔。

通过上述装置能够使水泥浆和气体在腔体内更加充分地混合。尤其是，当水泥浆和气体穿过上述流通孔时，更是有利于将水泥浆和气体打散。这非常有利于使水泥浆和气体混合均匀。因而，从泡沫水泥浆离开通道离开腔体的泡沫水泥浆能够非常均匀且细腻，能够显著提高固井质量。

在一个实施例中，所述腔体构造为圆柱形的，所述气体流入通道和所述水泥浆流入通道均与所述腔体相切地连通。

在一个实施例中，所述气体流入通道与所述水泥浆流入通道在垂直于所述第一方向的平面上相对于所述腔体的延伸轴线彼此相差180°。

在一个实施例中，所述水泥浆流入通道和所述气体流入通道在第一方向上对齐，并相互间隔开。

在一个实施例中，所述叶片在第一平面内于所述腔体内延伸，所述腔体的延伸轴线处于所述第一平面内。

在一个实施例中，所述叶片包括中空的框架，以及在所述框架内延伸的搅流延伸件。

在一个实施例中，多个搅流延伸件在所述框架内彼此平行且间隔开地延伸。

在一个实施例中，多个搅流延伸件中的至少两个在所述框架内彼此交叉地延伸。

在一个实施例中，所述装置包括沿第一方向延伸的旋转杆，所述叶片与所述旋转杆相连。

在一个实施例中，所述装置还包括位于所述腔体内的支撑座，所述支撑座包括围绕所述旋转杆设置的配合环，以及将所述配合环与包围所述腔体的外壳体固定连接在一起的承载架。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过上述装置能够使水泥浆和气体在腔体内更加充分地混合。尤其是，当水泥浆和气体穿过上述流通孔时，更是有利于将水泥浆和气体打散。这非常有利于使水泥浆和气体混合均匀。因而，从泡沫水泥浆离开通道离开腔体的泡沫水泥浆能够非常均匀且细腻，能够显著提高固井质量。

附图说明

在下文中参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明的用于形成泡沫水泥浆的装置的一个实施例的示意图；

图2显示了图1中A-A处的一个实施例的截面图；

图3显示了根据本发明的用于形成泡沫水泥浆的装置中的叶片的一个实施例的示意图；

图4显示了图1中B-B处的一个实施例的截面图；

图5显示了根据本发明的用于形成泡沫水泥浆的装置的另一个实施例的示意图。

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绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示意性地显示了根据本发明的用于形成泡沫水泥浆的装置(以下简称为“装置”)1的结构。装置1包括沿第一方向延伸的腔体11，该腔体可由沿第一方向延伸的外壳体10包围形成。例如，该外壳体可大体上呈圆柱形，并沿其沿第一方向的延伸轴线延伸，由此，腔体也沿该延伸轴线延伸。装置1还包括在腔体11的一端(即，第一端)与该腔体11相连通的水泥浆流入通道31和气体流入通道32，以及在腔体11的另一端(即，第二端)与该腔体11相连通的泡沫水泥浆离开通道33。在水泥浆流入通道31和气体流入通道21与泡沫水泥浆离开通道33之间形成有供流体流动的通道、路径，流体在腔体11内能大体上沿从第一端到第二端的方向流动。此外，装置1还包括设置在腔体11内的搅拌机构，搅拌机构的至少一部分处于该第一端的水泥浆流入通道31和气体流入通道21与该第二端的泡沫水泥浆离开通道33之间，以在水泥浆和气体在腔体11内流动时，对它们进行搅拌。

在如图1所示的实施例中，搅拌机构包括在腔体11内沿垂直于第一方向的方向旋转(即，围绕腔体11的延伸轴线旋转)的叶片21。在叶片21上构造有贯穿其的流通孔211。流通孔211的贯穿方向大体上垂直于第一方向，并大体上垂直于腔体11的径向方向。

在叶片21于腔体11内旋转时，流体(包含气体和水泥浆)被其带动着在腔体11内旋转，配合流体在腔体内从第一端到第二端的运动趋势，能够使流体在腔体内进行螺旋式运动。另外，当叶片21旋转时，对于单个流通孔211来说，只有小部分流体能通过其中。这有利于将集中在一起的气体或集中在一起的水泥浆打散，由此使气体和水泥浆能够更均匀地掺混在一起。这允许所形成的泡沫水泥浆的质地更加细腻。同时，当叶片21旋转时，只有一部分流体能直接通过流通孔211，另一部分流体会首先与叶片21的实体部分碰撞。这使得流体的一部分和另一部分之间存在较大的速度差，并因此能够在腔体11内形成较为复杂的湍流。这能更有效地使气体和水泥浆均匀地掺混在一起。

在一个实施例中，叶片21可以构造为板体或片体，在该板体或片体上加工形成流通孔211(例如通过冲压的方式)。该板体或片体式的叶片21可以在第一平面(即，延伸轴线在其中延伸的平面)内延伸。

在另一个实施例中，叶片21包括中空的框架61，以及在框架61的中空部分内延伸的搅流延伸件62。在图1中的框架61大体上呈矩形，搅流延伸件62大体上呈条状、丝状或带状。

例如，在设置有多个搅流延伸件62的情况下，这些搅流延伸件62可全部彼此平行且间隔开地设置。另外，这些搅流延伸件62可沿第一方向延伸。这些搅流延伸件62也可沿垂直于第一方向的腔体的、腔体11的径向方向延伸。

或者，在设置有多个搅流延伸件62的情况下，这些搅流延伸件中的至少两个彼此交叉地延伸，其余的搅流延伸件与这两个搅流延伸件中的一个平行且间隔开地设置。通过这种设置，可形成如图1中所示的网状形式的叶片21。这种网状形式的叶片21可构造成其中的流通面积(即，所有的流通孔所占的面积)占总面积(即，框架61所围成的区域的面积)的50％至99％，有利于提高腔体11内的流通性。同时，在确保上述比例的同时，使单个流通孔尽可能地小，以利于产生均匀细腻的泡沫水泥浆。

当然，其他任何适当的叶片的形式都是可以的。

流通孔211的尺寸(例如，在流通孔211为圆孔的情况下为直径)可根据水泥浆的粘度而设置。优选地，单个叶片21上的流通孔可包含尺寸较大的流通孔和尺寸较小的流通孔，这些尺寸较大的流通孔和尺寸较小的流通孔交错地设置。例如，可分别成排地设置尺寸较大的流通孔和尺寸较小的流通孔，这些尺寸较大的流通孔和尺寸较小的流通孔成排地交错设置。例如，尺寸较大的流通孔的流通面积与尺寸较小的流通孔的流通面积之比在1.5至3之间。这一方面能够避免叶片21上的流通孔都被水泥浆堵塞住，另一方面还有利于在腔体11内形成更加复杂的流动形式，以利于气体和水泥浆的进一步均匀混合。这种设置有利于提高并确保腔体11内的流体的流动性。另外，单个流通孔可大体上构造成矩形的、圆形的、椭圆形的或三角形的。

图3显示了多个(3个)叶片21、21’、21”在第一方向上相互对齐且在垂直于第一方向的平面内相互均匀间隔开的设置。在叶片21上沿径向方向由外向内依次布置有多个(3个)流通孔211、212、213。在叶片21’上沿径向方向由外向内依次布置有多个(3个)流通孔214、215、216。在叶片21”上沿径向方向由外向内依次布置有多个(3个)流通孔217、218、219。

这些流通孔的延伸方向均相对于腔体的切线方向朝向径向方向倾斜，即这些流通孔的延伸方向都既具有沿切线方向的分量，也具有沿径向方向的分量。在单个叶片(例如，叶片21)上，彼此相邻的流通孔的倾斜方向相反。从图3中可以看出，在流体逆时针旋转的情况下，流通孔211沿流体的流动方向逐渐向内倾斜，流通孔212沿流体的流动方向逐渐向外倾斜，流通孔213沿流体的流动方向逐渐向内倾斜。

此外，相邻的叶片21和叶片21’上的相互对应的流通孔的倾斜方向相反。例如，在流体逆时针旋转的情况下，沿流体的流动方向，流通孔211向内倾斜，而流通孔214则向外倾斜；流通孔212向外倾斜，而流通孔215则向内倾斜；流通孔213向内倾斜，而流通孔216则向外倾斜。通过这种设置有利于使流体的掺混更加均匀，并由此使所产生的泡沫水泥浆更加细腻。

另外，相邻的叶片21’和叶片21”上的相互对应的流通孔的倾斜方向相同。例如，在流体逆时针旋转的情况下，沿流体的流动方向，流通孔214和流通孔217均向外倾斜；流通孔215和流通孔218均向内倾斜；流通孔216和流通孔219均向外倾斜。

根据模拟计算，图3中的这种设置能够在腔体1内形成有利的湍流，并能非常好地实现气体和水泥浆之间的均匀掺混。

另外，如图1和图2所示，水泥浆流入通道31和气体流入通道32与腔体11相切地连通。在图1中，水泥浆将会沿垂直于纸面向内的方向进入到腔体11内，而气体将会沿垂直于纸面向外的方向进入到腔体11内。由此，水泥浆和气体(例如，氮气)在进入腔体11内之后，即能自发地进行螺旋式运动。

在一个优选的实施例中，如图1所示，水泥浆流入通道31和气体流入通道32在第一方向上对齐。另外，如图2所示，在垂直于第一方向的平面内，水泥浆流入通道31和气体流入通道32彼此交错、间隔开，例如可相对于腔体的延伸轴线彼此相差180°。在这种情况下，气体和水泥浆都会在进入腔体11内半周后相遇，初步形成较佳的旋流场。与叶片的搅拌作用相结合，这有利于使气体和水泥浆混合得更加充分。

当然，也可以使水泥浆流入通道31在第一方向上处于气体流入通道32和泡沫水泥浆离开通道33之间。

如图1所示，泡沫水泥浆离开通道33也可以设置成与腔体11相切地连通。这种设置有利于提高腔体11内的连通性，降低流体压力。

另外，也可以使泡沫水泥浆沿腔体11的径向与腔体11相连通。在这种情况下，泡沫水泥浆离开腔体11的阻力较大，并由此有利于使泡沫水泥浆更加细腻，其中的气泡的尺寸更小。

如图1和图4所示，装置1还包括位于腔体11内的旋转杆44，旋转杆44沿延伸轴线的方向延伸。叶片可固定在旋转杆44上，由此通过旋转杆44的旋转带动叶片旋转。例如，可在腔体11的第一端的背向第二端的一侧设置封闭的驱动室，在该驱动室内容纳有旋转电机41。旋转电机41与旋转杆44相连，并能驱动旋转杆44进行旋转。

在旋转杆44的两端可分别设置有轴承42、43，以用于支撑旋转杆44，并确保旋转杆44能顺利地旋转。

在腔体1内，可设置有多组叶片，例如除了上述叶片21之外，还可设置与该叶片21在第一方向上间隔开的叶片22，在叶片22上可构造有相应的流通孔221。在不违背本发明的原则的前提下，上述针对叶片21的描述均适用于叶片22。

在一个实施例中，叶片21和叶片22可具有相同的旋转方向和旋转速度。例如，叶片21和叶片22可由同一旋转电机41驱动。然而，也可通过不同的旋转电机来驱动叶片21和叶片22。

在另一个实施例中，叶片21和叶片22的旋转方向和旋转速度中的至少一个不同。例如，叶片21和叶片22可具有相同的旋转方向但具有不同的旋转速度。优选地，叶片22与叶片21沿相同的方向旋转，但叶片22的旋转速度比叶片21的旋转速度大。叶片22能够起到强化搅拌的作用，有利于使泡沫水泥浆更加均匀细腻。叶片22的旋转角速度与叶片21的旋转角速度之比可以在1∶1至5∶1之间。

如图1和图4所示，装置1还可包括位于腔体11内的支撑座。该支撑座可位于上述叶片21和叶片22之间。支撑座包括围绕旋转杆设置的配合环51，配合环51可与旋转杆44旋转式配合。例如，配合环51可以是旋转轴承。支撑座还包括将配合环51与外壳体10固定连接在一起的承载架52。承载架52可由狭长的杆形成。这种狭长的杆优选地设置得比较细，以避免对流体产生较强的节流效果。

图5示意性地显示了根据本发明的另一个实施例的装置1的结构，其中设置有叶片(第一叶片)21和叶片(第二叶片)22。在该实施例中，第一叶片21和第二叶片22可构造为桨式叶片。该第一叶片21的推进表面朝向第二端倾斜，由此在第一叶片21旋转时，第一叶片的推进表面会推动流体朝向第二端移动。该第二叶片22的推进表面朝向第一端倾斜，由此在第二叶片22旋转时，该第二叶片22的推进表面会推动流体朝向第一端移动。配合第一叶片21和第二叶片22的旋转搅拌动作，能够在第一叶片21和第二叶片22之间耦合形成复杂的流动状态。这种流动状态非常有利于气体和水泥浆之间的掺混的均匀性。

在一个实施例中，第一叶片21的倾斜程度与第二叶片22的倾斜程度相同。例如，第一叶片21和第二叶片22都可相对于与第一方向垂直的平面倾斜0至10°。在这种情况下，能够使掺混的效果最佳。

在另一个实施例中，第一叶片21的倾斜程度比第二叶片22的倾斜程度高。例如，第一叶片21相对于与第一方向垂直的平面倾斜5至10°，而第二叶片22可相对于与第一方向垂直的平面倾斜0至5°，其中第一叶片21比第二叶片22多倾斜0至5°。在这种情况下，腔体内的流体流动性较好。

另外，还可在装置1的腔体11内设置第三叶片23。第三叶片23可设置在第二叶片22和第二端之间。第三叶片23上也可设置有相应的流通孔231。第三叶片23可构造为不倾斜的，因而其仅为流体提供旋转的促动力。然而，根据实际需要，第三叶片23也可构造为桨式叶片，其推进表面朝向第二端倾斜，以提高腔体11内的流体的流动性。第三叶片23可与第一叶片21和/或第二叶片22同步地旋转，也可具有与第一叶片21和第二叶片22都不同的旋转速度。

例如在如图5所示的实施例中，旋转杆44与第一叶片21、第二叶片22和第三叶片23固定相连。由此，第一叶片21、第二叶片22和第三叶片23都以相同的角速度在同一方向上旋转。优选地，该方向与气体和水泥浆进入腔体11的旋转方向相反。在图5中，水泥浆经由水泥浆进入通道31沿垂直于纸面向内的方向进入到腔体11内，而气体经由气体进入通道32沿垂直于纸面向外的方向进入到腔体11内，如果从腔体11的第一端(即，左端)处看，则水泥浆和气体都沿着逆时针的方向进入到腔体11内；同时，在同一视角下，旋转杆44沿着顺时针方向转动，并由此带动第一叶片21、第二叶片22和第三叶片23沿顺时针方向转动。这样能更加充分地对腔体11内的流体进行搅拌，使气体和水泥浆更加均匀地混合。

更加优选地，气体和水泥浆进入腔体11的旋转方向与第一叶片21的旋转方向相同，而与第二叶片22的旋转方向相反。在这种情况下，气体和水泥浆的混合更加均匀。

上述装置1可以横向设置，即第一端和第二端大体处于相同的高度。或者，上述装置1也可以竖向设置。在这种情况下，优选地第一端处于第二端的下方。

通过上述装置1，能够在腔体11内形成质地均匀、细腻的泡沫水泥浆。这种泡沫水泥浆的气泡的尺寸非常小。这种泡沫水泥浆能够均匀地携带大量且微小的气泡，并具有较好的流动性。这对泡沫水泥浆的后续应用来说十分重要。

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。

Claims (10)

1.一种用于形成泡沫水泥浆的装置，其包括：

沿第一方向延伸的腔体；

位于所述腔体的第一端处并与所述腔体相连通的水泥浆流入通道和气体流入通道；

位于所述腔体的与所述第一端间隔开的第二端处并与所述腔体相连通的泡沫水泥浆离开通道；以及

位于所述腔体内的搅拌机构，所述搅拌机构的至少一部分处于所述第一端和所述第二端之间，其中所述搅拌机构包括：

垂直于第一方向旋转的多个第一叶片，所述多个第一叶片在第一方向上相互对齐且在垂直于第一方向的平面内相互均匀间隔开，在各个第一叶片上构造有贯穿所述第一叶片的多个第一流通孔，相同的第一叶片上的相邻的第一流通孔具有相反的倾斜方向，相邻的第一叶片上的相互对应的第一流通孔具有相反的倾斜方向；以及

沿第一方向与所述第一叶片间隔开的多个第二叶片，所述第一叶片与所述第二叶片的旋转方向和旋转速度不同，在各个第二叶片上构造有贯穿所述第二叶片的多个第二流通孔，相同的第二叶片上的相邻的第二流通孔具有相反的倾斜方向，相邻的第二叶片上的相互对应的第二流通孔具有相反的倾斜方向。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述腔体构造为圆柱形的，所述气体流入通道和所述水泥浆流入通道均与所述腔体相切地连通。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述气体流入通道与所述水泥浆流入通道在垂直于所述第一方向的平面上相对于所述腔体的延伸轴线彼此相差180°。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的装置，其特征在于，所述水泥浆流入通道和所述气体流入通道在第一方向上对齐，并相互间隔开。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一叶片在第一平面内于所述腔体内延伸，所述腔体的延伸轴线处于所述第一平面内。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一叶片包括中空的框架，以及在所述框架内延伸的搅流延伸件。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，多个搅流延伸件在所述框架内彼此平行且间隔开地延伸。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，多个搅流延伸件中的至少两个在所述框架内彼此交叉地延伸。

9.根据权利要求1到3中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括沿第一方向延伸的旋转杆，所述第一叶片与所述旋转杆相连。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括位于所述腔体内的支撑座，所述支撑座包括围绕所述旋转杆设置的配合环，以及将所述配合环与包围所述腔体的外壳体固定连接在一起的承载架。

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