CN109514740A - 一种泡沫水泥浆固井设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泡沫水泥浆固井设备，包括：直燃式气化器，用于将液氮转换为氮气；发泡液供应装置，用于储存和加压发泡液；第一管道，用于接收来自水泥浆源的水泥浆和所述发泡液，从而形成含有发泡液的水泥浆；以及泡沫发生器，用于接收所述含有发泡液的水泥浆和所述氮气，从而形成泡沫水泥浆。本发明还公开了一种使用上述泡沫水泥浆固井设备的泡沫水泥浆固井方法。

Description

一种泡沫水泥浆固井设备及方法

技术领域

本发明涉及油田天然气泡沫流体领域，尤其涉及泡沫水泥浆固井设备及使用这种设备来进行的泡沫水泥浆固井方法。

背景技术

注水泥是固井技术中的关键工序，而水泥漏失是固井领域中普遍面临的难题之一。随着国内勘探开发程度的不断深入，固井水泥漏失比例急剧增加，严重影响固井质量，增加环空带压风险。

因此，在本领域中对低密度水泥浆固井提出了迫切需求。相比常规水泥，泡沫水泥浆具有密度低、强度高、弹塑性好等特点，在防漏、防窜、提高顶替效率方面具有显著优势。

目前，制备泡沫水泥浆有两种方法，即化学发泡和物理发泡。

对于化学发泡方法来说，在水泥中加入一定量的发泡剂，混合搅拌后，发泡剂和水泥中的某些化学成分起化学反应产生气体，其分布在水泥浆中从而形成泡沫水泥浆。该方法所配置的水泥浆发气量较小，并且在井下高压环境下，难以大幅度降低泡沫水泥密度，在施工现场无法随时调整泡沫水泥密度。

在物理发泡方法中，将提前配制好的泡沫液与水泥浆混合或直接向含有发泡液的水泥浆充入气体的方式形成泡沫水泥浆。将提前配制好的泡沫液与水泥浆混合的这种方法由于泡沫压力低、水泥浆压力高，造成泡沫液和水泥浆出现分离或不能有效混合在一起，难以满足油井固井高压工作。

因此，国内缺少对充气式泡沫水泥浆固井设备的研发，尚未形成成熟的充气式泡沫固井工艺。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种泡沫水泥浆固井设备以及采用这种设备来进行泡沫水泥浆固井的方法。

根据本发明的所述泡沫水泥浆固井设备，包括：

直燃式气化器，用于将液氮转换为氮气；

发泡液供应装置，用于储存和加压发泡液；

第一管道，用于接收来自水泥浆源的水泥浆和所述发泡液，从而形成含有发泡液的水泥浆；

泡沫发生器，用于接收所述含有发泡液的水泥浆和所述氮气，从而形成泡沫水泥浆。

在一个实施例中，所述直燃式气化器通过第一柱塞泵与液氮源相连。

在一个实施例中，所述发泡液供应装置包括发泡液存储器和第二柱塞泵，所述发泡液存储器的底端与所述第二柱塞泵相连。

在一个实施例中，所述发泡液存储器包括包裹在其外部的保温层，以及设置在其内部的加热器。

在一个实施例中，所述第二柱塞泵通过第二管道与所述第一管道相连。

在一个实施例中，所述泡沫水泥浆固井设备还包括传感器，用于采集关于氮气、发泡液和水泥浆的数据。

在一个实施例中，所述泡沫水泥浆固井设备还包括终端控制器，所述终端控制器根据所述传感器所提供的数据来控制液氮的供应。

根据本发明的泡沫水泥浆固井方法，包括以下步骤：

将如上所述的泡沫水泥浆固井设备与水泥泵车和液氮源相连；

通过所述水泥泵车、发泡液存储器和直燃式气化器分别供应水泥浆、泡沫和氮气，并在所述泡沫发生器内混合以形成泡沫水泥浆；

通过控制器来控制氮气排量，以便调节所述泡沫水泥浆的密度。

在一个实施例中，利用第二柱塞泵来控制氮气排量。

所述直燃式气化器、发泡液供应装置和水泥泵车分别与所述泡沫发生器通过管道相连接，分别为泡沫发生器输送氮气、发泡液、水泥浆。其中直燃式气化器通过第一柱塞泵与液氮源相连。

所述泡沫发生器设有三个接口，所述接口分别与两个输入管道和一个输出管道相连接。含有发泡液的水泥浆与氮气分别通过所述的两个输入管道采用高压喷射的方式输送至所述的泡沫发生器的混合腔内，并通过所述泡沫发生器的混合腔内的螺旋组块扰动和撞击作用，直接形成泡沫水泥浆，并经所述输出管道输出。

所述直燃式气化器的输出口与所述泡沫发生器相连，所述直燃式气化器吸入口通过管道与第一柱塞泵输出口相连。第一柱塞泵的吸入口与液氮源通过管道相连。低温液氮经所述第一柱塞泵加压后输入至所述直燃式气化器内，通过直燃式气化器完成气化，并输送至所述泡沫发生器内。

所述直燃式气化器是一种高压盘管式直燃蒸发器。其主要是通过燃油产生的热量来对高压盘管进行加热，并将液体转化为气体。所述直燃式气化器配有自动点火装置，通过自动点火控制系统启动自动点火装置，满足自动化需求。所述直燃式气化器内还设有风扇，通过调整风扇速度和喷油量，以保证氮气排出温度控制在5～25℃之间。

进一步地，所述发泡液供应装置包含有发泡液存储器和第二柱塞泵。所述发泡液存储器的底部与所述第二柱塞泵的吸入口通过管道相连。所述第二柱塞泵的输出口与所述泡沫发生器通过管道相连。

所述发泡液存储器用于储存发泡液，并将一定剂量的发泡剂、稳泡剂和水配制成发泡液。发泡液存储器内部设有加热器，外部设有保温层。所述加热器和保温层可加速发泡液配制，并保证所输出的发泡液的温度在一定范围内。

所述第二柱塞泵用于将发泡液加压后输送至一输入管道内。在所述输入管道内与水泥浆汇合，并形成含有发泡液的水泥浆。之后，所述含有发泡液的水泥浆再输入至所述泡沫发生器内，与氮气混合形成泡沫水泥浆。

此外，所述设备还包括终端控制器、传感器和发电机。

在各高低压管道内设有传感器，其包括压力计、涡轮流量计、氮气质量流量计、温度计。通过传感器可以实时监测各流体的密度、流量、温度和压力等参数，并通过所述终端控制器进行显示和控制，并给予及时调整，以实现高效、高质、准确的泡沫水泥浆的配制和输出。所述设备通过控制氮气的排量大小来实现对输出的泡沫水泥浆密度大小的控制。

所述发电机与所述终端控制器、直燃式气化器、第一柱塞泵和第二柱塞泵通过线路连接，并为其提供动力。

此外，所述设备还包括一固井撬底座。所述发泡液供应装置、直燃式气化器、泡沫发生器、发电机和终端控制器均安装在所述固井撬底座上，以实现紧凑型设计，并方便安装及运输。

通过该设备和方法可以将泡沫水泥浆的密度控制在0.8至1.6g/cm³之间，将泡沫水泥浆的排量控制在0.3至1.8m³/min之间，从而有效地解决了现有泡沫水泥浆固井所面临的问题。

与现有技术相比，本发明的优点在于：利用直燃式气化器，可加快液氮气化速度且气化气体排量高，可快速进行高压充氮发泡作业，提高泡沫混合均匀度，且保证氮气排出温度在第二柱塞泵全程排量范围内调节可靠；可操作性强，仅通过调节氮气排量一个参数，即可实现泡沫水泥浆密度的调整；水泥浆、发泡液、氮气均在高压密闭环境下混合，混合效果好，且利用泡沫水泥浆密度的精确控制；其次，本发明中的设备不仅可用于泡沫水泥浆固井作业，也可用于泡沫气举、泡沫压裂等作业。

附图说明

图1显示了根据本发明的一种泡沫水泥浆固井设备的示意图。

标号说明

设备100，输入端接口101，输入端接口102，输出端接口103，发电机1，第一柱塞泵2，直燃式气化器3，泡沫发生器4，发泡液存储器5，第二柱塞泵6，传感器7，高低压管道组9，固井撬底座10，接口端41，接口端42，接口端43，输入管道91，输入管道92，输出管道93，管道94，管道95。

具体实施方式

图1显示了根据本发明的泡沫水泥浆固井设备100的结构性示意图。

本实施中的设备100包括固井撬底座10，在固井撬底座10上安装有第一柱塞泵2、直燃式气化器3、泡沫发生器4、发泡液存储器5和第二柱塞泵6。

在本实施例中，泡沫发生器4用于完成泡沫水泥浆的配制与输出。如图1所示，泡沫发生器4的接口端41、接口端42、接口端43分别与输入管道91、输入管道92、输出管道93相连接。

氮气和含有发泡液的水泥浆分别通过输入管道91和输入管道92喷射进入泡沫发生器4的混合腔内。在泡沫发生器4的混合腔内设有螺旋组块，通过螺旋组块的扰动和撞击作用，含有发泡液的水泥浆和氮气直接形成泡沫水泥浆。所形成的泡沫水泥浆通过输出管道93输送至外部水泥头(未示出)，以完成固井作业。其中，外部水泥头通过输出端接口103与输出管道93相连。所述螺旋组块通过电控方式控制。

需要指出的是，在输入高压氮气之前，泡沫发生器4内应先输入一定比例的含有发泡液的水泥浆，此处的含有发泡液的水泥浆也为高压状态。

在本实施例中，第一柱塞泵2和直燃式气化器3构成氮气供应装置。

其中，第一柱塞泵2的入口端通过设备100的输入端接口101与外部低温液氮源通过管道相连接，其出口端与直燃式气化器3的入口端通过管道连接，用于吸入低温液氮并将其加压后送至直燃式气化器3内。

本实施例中，第一柱塞泵2优选为可变频调速的电控式塞泵。优选的液氮泵为ACD公司的低温柱塞泵，其最大工作压力为30Mpa、液氮排量为0～89L/min。

直燃式气化器3的出口端通过输入管道91与泡沫发生器4相连，用于将加压后的低温液氮转换为高压氮气。

直燃式气化器3是一种通过燃油的热量来加热其管道内的液体并将液体气化为气体的高效率气化器。本实施例中直燃式气化器3优选为一种高压盘管式直燃式蒸发器，该气化器具有体积小、产生的热量高，气化效率快、排量高的特点。且该直燃式气化器3配有自动点火控制装置，通过自动点火控制系统启动自动点火控制装置，自动化程度高。另外，该直燃式气化器3内还设有风扇，通过风扇速度和排油量自动匹配，以保证排出的氮气温度在第二柱塞泵全程排量范围内调节，将排出的氮气温度控制在5～25℃之间。

在本实施例中，发泡液存储器5和第二柱塞泵6构成了本设备的发泡液供应装置。

其中发泡液存储器5用于储存发泡液，其底部通过管道94与第二柱塞泵6的吸入口相连。第二柱塞泵6的输出口通过管道95与输入管道92相连接。

在发泡液存储器5内将一定剂量的发泡剂、稳泡剂和清水混配成发泡液。发泡液存储器5的内部设有加热器，外部设有保温层。所述加热器和保温层可以加快发泡液的配制，并起到保温作用，利于后续泡沫水泥浆的混合效果。

配制好后发泡液通过管道94输送至第二柱塞泵6内，并经第二柱塞泵6加压后通过管道95输送至输入管道92内。其中，输入管道92的输入端接口102与与水泥泵车(未示出)相连接，另一端接口与泡沫发生器4的接口端42相连接。水泥泵车输出水泥浆至输入管道92内，在输入管道92内水泥浆与发泡液完成预配合后形成含有发泡液的水泥浆。含有发泡液的水泥浆通过接口端42喷射进入泡沫发生器4内以进行下一步作业。

优选地，发泡液和水泥浆在进入泡沫发生器4内之前在管道内完成预配合，这样设计的优点是可以简化泡沫发生器4的结构，且利于后续泡沫水泥浆的混合效果。当然也可以不进行预配合，直接将发泡液、水泥浆、氮气同时排入到泡沫发生器4的混合腔内进行混合，但泡沫水泥浆的混合效果不如前者。

优选地，第二柱塞泵6优选为一可变频调速的电控柱塞泵，其最高压力为35Mpa，排量为0-50L/min。

在本实施中各部件之间相连的管道统称为高低压管道组9。所述高低压管道组9为根据各流体介质特性和工作压力，所选用的一系列压力管道组。如管道94和液氮泵2与外部液氮源相连接的管道选用低压管，输入管道91、输入管道92和输出管道93、管道95选用高压管，不复赘述。

本实施例中主要钢管规格选用外径为2英寸的钢管，所用钢管均为符合油田作业要求的高压无缝钢管，连接方式为由壬，流体阀门选用旋塞阀。

此外，设备100还包括发电机1、传感器7和终端控制器8。

传感器7根据需求设置在各管道上，其包括压力计、涡流流量计、氮气质量流量计、温度计，用于采集氮气、发泡液和水泥浆等动态信号。

终端控制器8，设计为一体机形式，全程触屏操作。该终端控制器8用于显示氮气、发泡液、水泥浆的流量和密度等参数信息，并通过调控氮气的排量来实现对泡沫水泥浆密度的控制。

优选地，发电机1选用防爆发电机，以适应油田作业，其功率为100～150KW。发电机1用于为本设备中的耗能元件提供动力。

发电机1和终端控制器8均安装在固井撬底座10上，以方便安装及运输，实现紧凑型设计。

在本实施例中，由于直燃式气化器3的气化速度快，因此可实现大排量气体排出，氮气排量控制范围广。因此，只需通过控制高压氮气的排量即可满足对泡沫水泥浆密度的控制需求。

本实施例中的设备100外形尺寸为：9mx2.5mx2.8m，可整体运输。通过本设备100可将泡沫水泥浆的密度控制在0.8-1.6g/cm³之间，泡沫水泥浆的排量可达到0.3-1.8m³/min。该设备100可耐压25Mpa。

本实施例中的设备100的具体操作方式如下所述。

首先，将设备100的输入端接口101、输入端接口102、输入端接口103分别与液氮储运罐、水泥泵车和水泥头进行管道连接。完成连接后，应先关闭氮气通道阀门，用水泥泵车对管汇进行试压。

试压完成后，启动发电机1。待终端控制器8自检完毕后，对第二柱塞泵2进行冷泵，以防止低温液氮在第二柱塞泵2内气化。

之后，进行注泡沫水泥浆作业。启动水泥泵车向管道内输送水泥浆，待水泥浆的流量和密度稳定后，再启动第二柱塞泵6在管道内输送一定比例发泡液，之后再启动第二柱塞泵2，向泡沫发生器4内输送一定比例氮气。

在进行注泡沫水泥浆作业时，应对泡沫水泥浆密度进行远程控制。发泡液与液氮输送的操作均通过终端控制器8进行操作。根据水泥浆排量，通过氮气排量控制泡沫水泥浆的密度，在终端控制器8上发出指令，通过调整第二柱塞泵2的转速，增加或降低氮气的排量，实现泡沫水泥浆密度的降低与增加。

注泡沫水泥浆作业完成后，应关闭设备。依次停止第二柱塞泵2、第二柱塞泵6，并关闭氮气管道阀门，打开气体排空阀，排空氮气，关闭发电机1和终端控制器8。

在本实施例中虽然已经参考优选地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，在不存在结构冲突的情况下，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 (9)

1.一种泡沫水泥浆固井设备，包括：

直燃式气化器，用于将液氮转换为氮气；

发泡液供应装置，用于储存和加压发泡液；

第一管道，用于接收来自水泥浆源的水泥浆和所述发泡液，从而形成含有发泡液的水泥浆；

泡沫发生器，用于接收所述含有发泡液的水泥浆和所述氮气，从而形成泡沫水泥浆。

2.根据权利要求1所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述直燃式气化器通过第一柱塞泵与液氮源相连。

3.根据权利要求1或2所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述发泡液供应装置包括发泡液存储器和第二柱塞泵，所述发泡液存储器的底端与所述第二柱塞泵相连。

4.根据权利要求3所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述发泡液存储器包括包裹在其外部的保温层，以及设置在其内部的加热器。

5.根据权利要求3或4所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述第二柱塞泵通过第二管道与第一管道相连。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述泡沫水泥浆固井设备还包括传感器，用于采集关于氮气、发泡液和水泥浆的数据。

7.根据权利要求6所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述泡沫水泥浆固井设备还包括终端控制器，所述终端控制器根据所述传感器所提供的数据来控制液氮的供应。

8.一种泡沫水泥浆固井方法，包括以下步骤：

将根据权利要求1到7中任一项所述的泡沫水泥浆固井设备与水泥泵车和液氮源相连；

通过所述水泥泵车、发泡液存储器和直燃式气化器分别供应水泥浆、发泡液和氮气，并在所述泡沫发生器内混合以形成泡沫水泥浆；

通过控制器来控制氮气排量，以便调节所述泡沫水泥浆的密度。

9.根据权利要求8所述的泡沫水泥浆固井方法，其特征在于，利用第二柱塞泵来控制氮气排量。