CN109519135A - 一种泡沫发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种泡沫发生器，包括：中空管状的本体部分，在所述本体部分一端设置有沿轴向间隔开的水泥浆入口部和气体入口部；设于所述本体部分内的混合发泡腔，用于使来自所述水泥浆入口部和气体入口部的水泥浆和气体进行混合发泡；设在所述本体部分内的泡沫均化器，用于对来自所述混合发泡腔的泡沫流体进行均化；以及设置在所述本体部分另一端的用于连接固井管线的泡沫水泥浆出口部。
Description
技术领域
本发明涉及油田泡沫流体领域，具体地涉及一种泡沫发生器。
背景技术
泡沫发生器是产生泡沫流体的关键设备。目前，泡沫发生器主要分为两类，一类是灭火用的泡沫发生器，一类是泡沫混凝土用的泡沫发生器。由于国内外对气液两相泡沫研究较多，因此开发的气液两相泡沫发生器的类型也很多，如涡轮式、螺旋式、孔隙式、网式、同心管式等。随着技术的不断升级，早期的发泡机型已发展为以高压充气为主体的现代化机型，泡沫发生器的应用越来越广泛。
但是，目前泡沫发生器在应用过程中仍然存在一些问题。例如，泡沫水泥浆中含有固体颗粒，相比于气液两相起泡较难，流动阻力较大，且泡沫难以保证均匀。此外，一般的泡沫发生器结构复杂，安装、拆卸困难，气体排量控制不精确，不能够满足高压固井的需求。
CN 888200138.8公开了一种用于泡沫钻井、泡沫洗井或者泡沫固井的泡沫发生装置。该装置通过配气盘与水泥浆进行混合产生泡沫。虽然其结构简单，并且能够满足泡沫钻井、洗井、固井的要求。但是，在现场应用时水泥浆很容易进入气体管路，造成拆卸、清洗的不便。
CN 201420647404.5提出了一种在固井泵车的柱塞泵和井口的高压管汇之间增加气液混合的压力式固定泡沫水泥发生装置。该装置结构复杂，并且只能进行一次混合，无法保证泡沫的均匀度。同样，也无法阻止高压水泥浆进入气体管线。
发明内容
针对至少一些如上所述的技术问题，本发明旨在提供一种泡沫发生器。这种高压泡沫发生器利用气体、浆体双喷射作用进行发泡，配合均化器，发泡效果更强。并且该装置安装、拆卸便捷，可防止水泥浆进入气体管路。同时，现场喷嘴等组件更换便捷，气体排量控制简单，满足高压泡沫固井需求。
为此，根据本发明，提供了一种泡沫发生器，包括：中空管状的本体部分，在所述本体部分一端设置有沿轴向间隔开的水泥浆入口部和气体入口部；设于所述本体部分内的混合发泡腔，用于使来自所述水泥浆入口部和气体入口部的水泥浆和气体进行混合发泡；设在所述本体部分内的泡沫均化器，用于对来自所述混合发泡腔的泡沫流体进行均化；以及设置在所述本体部分另一端的用于连接固井管线的泡沫水泥浆出口部。
根据一个优选的实施例，所述水泥浆入口部和气体入口部相互平行地沿径向延伸，且位于所述本体部分的同侧，并且所述气体入口部相对于所述水泥浆入口部处于轴向外侧。
根据一个优选的实施例，所述本体部分包括与所述气体入口部相连通的第一腔体，以及用于安装所述泡沫均化器的且与所述泡沫水泥浆出口部相连通的第二腔体，其中所述混合发泡腔处于所述第一腔体和第二腔体之间并与它们均连通。
根据一个优选的实施例，在所述第一腔体中设有控制气体进入量的气体开关，当注气时所述气体开关打开使气体进入所述混合发泡腔，停止注气时，所述气体开关闭合防止所述混合腔中的水泥浆倒流。
根据一个优选的实施例，所述气体开关包括气体单向阀，所述气体开关通过所述气体单向阀控制其开启与闭合。
根据一个优选的实施例，在所述气体单向阀的出口端安装有气体喷嘴，所述气体喷嘴包括第一圆柱体部分和直径小于第一圆柱体部分的第二圆柱体部分，且在所述第二圆柱体的中的喷嘴部分设置成收缩式或者文丘里喷嘴结构。
根据一个优选的实施例，所述水泥浆入口部设有浆体喷嘴，用于将水泥浆喷射到所述混合发泡腔。
根据一个优选的实施例，所述气体入口可拆卸总成沿着所述本体部分的中心轴线安装，使得所述气体喷嘴与所述浆体喷嘴相互垂直。
根据一个优选的实施例，在所述泡沫均化器中设有螺旋体组，所述螺旋体组由等距离交替排列的相同规格的正、反螺旋体串联而成。
根据一个优选的实施例，在所述泡沫均化器的两端设有压力传感器。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行说明。
图1显示了根据本发明的泡沫发生器的结构。
图2显示了图1所示泡沫发生器中的气体喷嘴的剖视图。
图3显示了图1所示泡沫发生器中的泡沫均化器的螺旋体组的结构。
在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
下面通过附图来对本发明进行介绍。
图1显示了根据本发明的泡沫发生器100的结构。如图1所示，泡沫发生器100包括中空管状结构的本体部分110。本体部分110构造成大致圆柱体，且在本体部分110的一端(图1中的右端)设置有沿轴向间隔开的气体入口部120和水泥浆入口部130。
在本实施例中，气体入口部120与水泥浆入口部130相互平行地沿径向延伸，且设置在泡沫发生器100的本体部分110的同侧。气体入口部120相对于水泥浆入口部130处于本体部分110的轴向外侧。由此，气体从气体入口部120注入而水泥浆从水泥浆入口部130注入，从而形成双流体喷射式的供应模式。这样，通过气液两相起泡，其流动阻力较小，发泡沫效率更高，同时使得发泡效果更强。
另外，在本体部分110的另一端(图1中的左端)设置有泡沫水泥浆出口部140。泡沫水泥浆出口部140连接到本体部分110的端口上，且水泥浆出口部140的出口端连接固井高压管线。这两处连接均可优选地使用由壬接头。这样，由泡沫发生器100形成的高压泡沫水泥浆通过高压管线直接进入水泥头中，其现场安装、拆卸便捷，操作简单。
如图1所示，在泡沫发生器100的本体部分110内设有与气体入口部120相连通的第一腔体111，以及与泡沫水泥浆出口部130相连通的第二腔体112。同时，在第一腔体111和第二腔体112之间设置有混合发泡腔113，且混合发泡腔113均与第一腔体111和第二腔体112连通。在本实施例中，水泥浆入口部130设置在混合发泡腔113的靠近第一腔体112的一端的侧壁上。由此，来自水泥浆入口部130和气体入口部120的水泥浆和气体在混合发泡腔113内进行混合发泡，然后再进入第二腔体进行下一步处理。通过这样进行多步骤的发泡处理，提高了泡沫发生器100的工作效率，增强了其发泡效果。
根据本发明，在第一腔体111中设置有控制气体进入混合发泡腔113的气体开关150。气体开关150安装在第一腔体111的连接混合发泡腔113的一端，用于控制气体喷射进混合发泡腔113和防止混合发泡腔113重点水泥浆倒流进第一腔体111而影响气体的喷射。
如图1所示，气体开关150包括气体单向阀160。气体单向阀160包括本体部分161，本体部分161设置为大致圆柱体。在本体部分161的底部设有中心孔(未示出)，且气体单向阀160的底部设有圆柱型阀体162。在阀体162的周向上开有两个圆孔163，并且在阀体162的底部安装有密封圈(未示出)，以确保气体单向阀160的密封性，从而保证了气体单向阀160具有良好的工作性能。
在本实施例中，在气体单向阀160的本体部分161的内部安装有气体喷嘴170。气体喷嘴170位于气体单向阀160的出口端，且在气体喷嘴170与阀体162之间设有复位弹簧(未示出)，用于保证阀体在未工作时处于关闭状态，防止了阀体162中的水泥浆倒流进气体管线从而影响气体入口部120的气体喷入。
图2显示了气体喷嘴170的结构。如图2所示，气体喷嘴170包括第一圆柱体部分171和直径小于第一圆柱体部分171的第二圆柱体172。第一圆柱体部分171的内部设有圆柱形腔体173，第二圆柱体部分172的中心沿轴向设置为喷嘴部分174。例如，喷嘴部分174可设置成收缩式或者文丘里喷嘴结构，且喷嘴部分174与圆柱形腔体173连通。在第一圆柱体部分171一端(图2中的下端)的侧壁外侧设有凸肩175，在凸肩175上设有第一凹槽176。同时，在第二圆柱体172的侧壁外侧设有第二凹槽177。在安装气体喷嘴170时，在第一凹槽176和第二凹槽177中安装有密封圈，且通过固定螺丝嵌在气体单向阀160的出口端。第一凹槽176和第二凹槽177中密封圈尤其保证了第一腔体111与混合发泡腔113之间的密封。
根据本发明，设置在第一腔体111中的气体单向阀160与螺纹接头115通过U型接头串联在一起，螺纹接头115的处于第一腔体111外部的部分为六角头丝堵。现场拆卸时，只需拧下丝堵，就可以对气体喷嘴170进行清洗或者等工作。从而保证了气体喷射能量充足，并且操作简单方便，降低了泡沫发生器100的维护成本。
当开始注气时，高压气体从气体单向阀160的底部中心孔进入。阀体162在气体推动下发生位移，从而处于打开状态。这样，气体通过阀体162上的圆孔163进入气体喷嘴170，此时复位弹簧处于受压缩状态。当停止注气时，受压缩的复位弹簧释放弹性势能，推动阀体162产生位移，堵塞气体单向阀160的底部中心孔，使得阀体162处于关闭状态，从而防止了阀体162内的水泥浆倒流进入气体管线。气体单向阀160的这种结构尤其确保了泡沫发生器100的气体喷射性能。
根据本发明，泡沫发生器100的水泥浆入口部130设置为由壬接头，且在水泥浆入口部130内设有浆体喷嘴132。浆体喷嘴132与安装在第一腔体111内的气体喷嘴相互垂直，从而使得水泥浆的喷射方向与气体的喷射方向相垂直。这样，就可以利用高速气体射流产生剪切力，水泥浆及气体形成双流体喷射，使得含有发泡剂、稳泡剂的水泥浆和气体在混合发泡腔113中混合发泡从而产生大量的气泡，大大提高了泡沫发生器100的发泡效率。
根据本发明，在第二腔体112中设有泡沫均化器180，泡沫均化器180中设有螺旋体组181。如图3所示，泡沫均化器180的一端(图3中的左端)用于与泡沫水泥浆出口部140连接，另一端用于与混合发泡腔113的出口端连接。螺旋体组181包括正螺旋体组和反螺旋体组，每组螺旋体组181由交替排列的正螺旋体182和反螺旋体183串联而成。根据一个优选的实施例，泡沫均化器180设有四组螺旋体组181，且每组螺旋体组181均设有四个螺旋体。泡沫均化器180中的螺旋体可以整体取出，其安装方便，操作简单，便于清洗或者更换。
在本实施例中，经过混合发泡腔113混合发泡后的泡沫水泥浆进入泡沫均化器180中，经过泡沫均化器180中的螺旋流道的碰撞、摩擦，进一步将泡沫水泥浆中的大气泡粉碎为小气泡。同时，泡沫均化器180中的多组螺旋体组181大大增强了对泡沫水泥浆的均化效果，从而产生气泡更加均匀的泡沫水泥浆体，进一步提高了泡沫发生器100的发泡效率。
根据本发明，在一个未示出的实施例中，在泡沫均化器180的两端设有压力传感口，用于安装压力传感器。这样能够在工作过程中，时刻检测泡沫均化器180中的流体的压力，以此来控制气体和水泥浆的喷入。从而控制泡沫发生器100中的流体量，避免了因超出泡沫发生器100的额定承载量而导致对泡沫发生器100的损坏。
下面简述根据本发明的泡沫发生器100的工作过程。首先，气体和水泥浆分别从气体入口部120和水泥浆入口部130同时注入。气体经过安装在第一腔体111中的气体喷嘴170沿泡沫发生器100的轴线方向喷射进混合发泡腔113中。同时，水泥浆经过安装在水泥浆入口部130中的浆体喷嘴132沿泡沫发生器100的径向方向喷射进混合发泡腔113中。由此，浆体的喷射方向与气体的喷射方向相互垂直。然后，在混合发泡腔113中，利用高速气体射流产生的剪切力，使得含有发泡剂、稳泡剂的水泥浆和高压气体在混合发泡腔113中充分混合，从而产生大量的气泡，进而形成泡沫水泥浆。之后，泡沫水泥浆进入泡沫均化器180中，经过泡沫均化器180中的螺旋流道的碰撞、摩擦，进一步将泡沫水泥浆中的气泡细小化，从而产生气泡更加均匀的泡沫水泥浆体。最后，经过混合发泡及均化过后的泡沫水泥浆体从泡沫均化器180的出口端进入泡沫水泥浆出口部140，然后通过高压管线直接进入水泥头中。
根据本发明的泡沫发生器100设置成为三通结构。现场安装时，水泥浆管线、气体管线通过由壬接头可快速与泡沫发生器100连接，现场安装、拆卸便捷。同时，在第一腔体111中设有气体开关150，可有效防止水泥浆倒流进气体管路，而且现场喷嘴等组件更换便捷，气体排量控制简单。并且泡沫发生器100利用气体、浆体双喷射作用进行发泡，配合均化器180，不仅增强了发泡效果，而且提高了其发泡效率。这都使得泡沫发生器100不仅满足在固井高压条件下产生泡沫均匀的泡沫水泥浆，而且可以用在油田现场泡沫钻井液、压裂液、泡沫气举等泡沫高压作业，其具有很强的适用性。
最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种泡沫发生器，包括：
中空管状的本体部分，在所述本体部分一端设置有沿轴向间隔开的水泥浆入口部和气体入口部；
设于所述本体部分内的混合发泡腔，用于使来自所述水泥浆入口部和气体入口部的水泥浆和气体进行混合发泡；
设在所述本体部分内的泡沫均化器，用于对来自所述混合发泡腔的泡沫流体进行均化；以及
设置在所述本体部分另一端的用于连接固井管线的泡沫水泥浆出口部。
2.根据权利要求1所述的泡沫发生器，其特征在于，所述水泥浆入口部和气体入口部相互平行地沿径向延伸，且位于所述本体部分的同侧，并且所述气体入口部相对于所述水泥浆入口部处于轴向外侧。
3.根据权利要求1或2所述的泡沫发生器，其特征在于，所述本体部分包括与所述气体入口部相连通的第一腔体，以及用于安装所述泡沫均化器的且与所述泡沫水泥浆出口部相连通的第二腔体，其中所述混合发泡腔处于所述第一腔体和第二腔体之间并与它们均连通。
4.根据权利要求3所述的泡沫发生器，其特征在于，在所述第一腔体中设有控制气体进入量的气体开关，所述气体开关构造成仅允许气体由所述第一腔体进入所述混合发泡腔。
5.根据权利要求4所示的泡沫发生器，其特征在于，所述气体开关包括气体单向阀，所述气体开关通过所述气体单向阀控制其开启与闭合。
6.根据权利要求5所述的泡沫发生器，其特征在于，在所述气体单向阀的出口端安装有气体喷嘴，所述气体喷嘴包括第一圆柱体部分和直径小于第一圆柱体部分的第二圆柱体部分，在所述第二圆柱体中设有设置成收缩式或者文丘里式的喷嘴部分。
7.根据权利要求4到6中任一项所述的泡沫发生器，其特征在于，所述水泥浆入口部设有浆体喷嘴，用于将水泥浆喷射到所述混合发泡腔。
8.根据权利要求7所述的泡沫发生器，其特征在于，所述气体开关沿着所述本体部分的中心轴线安装，使得所述气体喷嘴与所述浆体喷嘴相互垂直。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的泡沫发生器，其特征在于，在所述泡沫均化器中设有螺旋体组，所述螺旋体组由等距离交替排列的相同规格的正、反螺旋体串联而成。
10.根据权利要求9所述的泡沫发生器，其特征在于，在所述泡沫均化器的两端设有压力传感器。
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