CN111391120A - 一种负温固井水泥浆高速搅拌器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种负温固井水泥浆高速搅拌器，属于固井设备领域。该负温固井水泥浆高速搅拌器包括：冷冻箱以及设置在冷冻箱内的冷却室、冷却设备和温控设备；所述冷却室与冷却设备连接，所述冷却设备与温控设备连接；在所述冷却室内设置有搅拌杯；在所述搅拌杯内设置有温度电偶，所述温度电偶与所述温控设备连接。本发明通过低压液体进入蒸发器气化，吸收热量，迅速降低冷却室内的温度，实现了现场真实低温环境的模拟，而且搅拌杯内液体的温度可控，即通过温度控制器及制冷设备实现了冷冻箱内温度的控制。
Description
技术领域
本发明属于固井设备领域，具体涉及一种负温固井水泥浆高速搅拌器，可模拟室外负温条件进行水泥浆搅拌，避免室内高温环境对低温水泥性能带来的不利影响。
背景技术
温度作为水泥水化的主要热动力学参数，直接决定了水泥浆体微结构的演变及强度的发展。随着勘探开发领域的不断扩展，固井工程的施工环境也在不断变化，其主要材料——水泥的使用条件越来越苛刻。例如，极地地区重要的油气藏多分布在多年冻土区，深度可达500m，要求固井施工可在温度为-5至-8℃，冰含量高达80％的地层中进行。而常规固井水泥浆体系多适用于20℃以上，当环境温度低于0℃时，由于水泥浆体内水分凝结冰，甚至完全不参与水泥水化反应。水泥在低温环境下水化速度大幅降低，早期力学强度发展缓慢，难以满足极端环境下的固井施工需求。可见，对低温水泥浆的系列研究迫在眉睫，但低温水泥配制和测试的方法和条件与常规水泥大有不同。我国在低温水泥测试研究相关领域的仪器设备和方法尚属空白，严重制约着低温水泥体系的研究和开发。
目前油井水泥室内研究的常规仪器水泥浆搅拌器多为室温条件设计，无法调节或保持搅拌杯内水泥浆液体温度。例如：中国专利公开文献CN105385427A公开了一种海洋深水表层固井水泥浆体系及其制备方法，水泥浆用于深水表层段固井，其浆液配制条件为室温环境，不考虑0℃及以下情况；中国专利公开文献CN101497217A公开了一种直通式水泥搅拌器，用于油田固井施工现场水泥浆大规模搅拌，不适用于实验室研究，且不考虑搅拌温度；中国专利公开文献CN101497217B公开了一种用于将干燥粉末和液体搅拌的水泥搅拌器及其搅拌方法，主要用于对油井水泥的现场均匀搅拌，无法应用于实验室研究，且无法调节搅拌温度。
环境温度对油井水泥的性能影响很大，温度控制对于低温水泥配制测试更是至关重要。为保证适当的凝结时间，技术人员往往会在低温水泥中加入大量的高效早强剂。这本是为了克服低温环境下水泥浆水化速度慢的问题，但在室内研究中，常温条件下高效的早强剂往往会使水泥浆过快水化，甚至在搅拌过程中就迅速凝固，导致后续研究无法进行，因此负温固井水泥浆搅拌器的研制意义重大。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种负温固井水泥浆高速搅拌器，解决实验室内室温条件下无法配制低温水泥的问题，真实模拟室外低温条件实现负温环境下的水泥浆搅拌，防止低温水泥浆搅拌过程中快速凝固，实现室温环境下对低温水泥浆的配制。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种负温固井水泥浆高速搅拌器，包括冷冻箱以及设置在冷冻箱内的冷却室、冷却设备和温控设备；
所述冷却室与冷却设备连接，所述冷却设备与温控设备连接；
在所述冷却室内设置有搅拌杯；
在所述搅拌杯内设置有温度电偶，所述温度电偶与所述温控设备连接。
所述冷却设备包括:蒸发器、压缩机、冷凝管、节流阀；
所述蒸发器安装在冷却室的内壁上；
所述压缩机、冷凝管、节流阀均设置在冷却室的外部；
所述蒸发器的出口与压缩机的入口连接，所述压缩机的出口与冷凝管的入口连接，所述冷凝管的出口与节流阀的入口连接，所述节流阀的出口与蒸发器的入口连接。
所述蒸发器包括多个开口环形管线；所述开口环形管线为不闭合的环形结构；
多个所述开口环形管线依次从上至下设置在冷却室的内壁上，且各个开口环形管线均平行设置；
各个开口环形管线的开口在纵向上位于同一个位置处，形成一个从上至下贯穿的放置槽；
每个所述开口环形管线在其开口处的一端为进液口，另一端为出液口。
位于最上层的开口环形管线的进液口即所述蒸发器的入口，与节流阀的出口连接，该开口环形管线的出液口与一个竖直管线的入口连接，该竖直管线的出口与下一层的开口环形管线的进液口连接；
位于最上层的开口环形管线和最下层的开口环形管线之间的每一层的开口环形管线的进液口均通过一个竖直管线与位于其上一层的开口环形管线的出液口连接，其出液口均通过另一个竖直管线与位于其下一层的开口环形管线的进液口连接；
位于最下层的开口环形管线的进液口通过一个竖直管线与位于其上一层的出液口连接，其出液口即所述蒸发器的出口，与压缩机的入口连接。
在所述制冷设备内设置有制冷剂；
所述压缩机将制冷剂气体加压形成高压制冷剂气体，并将高压制冷剂气体送入到冷凝管内，高压制冷剂气体在冷凝管内放热形成高压制冷剂液体进入到节流阀内；高压制冷剂液体在节流阀内体积变大形成低压制冷剂液体后进入蒸发器，低压制冷剂液体在所述蒸发器内吸热气化形成低压制冷剂气体，低压制冷剂气体再回到压缩机内，形成冷冻循环。
所述制冷剂采用：氟利昂、共沸混合溶液、碳氢化合物或者氨。
在所述冷却室内开有搅拌杯槽，所述搅拌杯放置在所述搅拌杯槽内；
所述搅拌杯槽的轴线与水平面垂直。
在所述冷却室的壁上以及冷冻箱的外壳上均开有搅拌杯把手及电偶槽；
两个所述搅拌杯把手及电偶槽与所述放置槽在纵向上对齐。
所述搅拌杯包括搅拌杯外壁和设置在外壁一侧的把手；
在所述把手的下方的搅拌杯外壁上开有电偶安装孔，在所述电偶安装孔内插入所述温度电偶，然后将所述电偶安装孔密封；
所述温度电偶伸入到所述搅拌杯的内腔中；
所述把手依次从冷却室、冷冻箱上的搅拌杯把手及电偶槽穿出；
与所述温度电偶连接的电偶传感线的另一端从冷却室的搅拌杯把手及电偶槽穿出后与温控设备连接。
在所述冷却室的下方设有动力设备；
在所述搅拌杯的底部设置有搅拌叶和搅拌轴；
所述搅拌叶安装在搅拌轴上；
所述搅拌轴的下端从搅拌杯的底端穿出后与动力设备的输出轴连接，动力设备能够通过搅拌轴带动搅拌叶旋转。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)快速冷却搅拌杯：通过低压液体进入蒸发器中气化，吸收热量，迅速降低冷却室内的温度，实现了现场真实低温环境的模拟。
(2)搅拌杯内液体温度可控：通过温度控制器及制冷设备实现了冷冻室内温度的控制。
附图说明
图1本发明负温固井水泥浆高速搅拌器结构示意图；
图2本发明负温固井水泥浆高速搅拌器的内部结构示意图；
图3本发明负温固井水泥浆高速搅拌器中的搅拌杯的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
低温固井液开发中，技术人员为克服低温环境下水泥颗粒水化速度慢甚至完全不水化的问题，通常会加入高效的早强剂以使促进水泥快速水化，使其具备合理的凝结时间。加入早强剂的低温水泥浆对温度非常敏感，其各项性能的设计适用温度往往是4℃至-8℃。但实验室温度通常为26℃左右，在室内研究中通常低温水泥浆的实验温度比设计温度高出20℃至30℃。在如此高温的环境下，高效的早强剂往往会使水泥浆过快水化，甚至在搅拌过程中就迅速凝固导致后续研究工作根本无法进行。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：在水泥搅拌器的搅拌杯周围安置一个冷冻箱，冷冻箱内置冷却管线，可在箱内快速形成低温环境并逐渐冷却搅拌杯内的液体；冷冻箱内置温度控制及显示装置，可设置调节温度；水泥搅拌器的搅拌杯内侧置有温度电偶，可实时监测搅拌杯内液体温度，实现低温条件下的水泥浆搅拌。
如图1到图3所示，本发明负温固井水泥浆高速搅拌器包括：冷冻箱、设置在冷冻箱内的冷却室2、冷却设备、温控设备3、动力设备5，其中，冷却室2与冷却设备连接，冷却室2内的温度可迅速调节至负温，温控装置3可检测并调节冷却室2内的温度，在冷却室2的下方设有动力设备5，动力设备5可实现水泥浆的搅拌。所述冷却设备包括：压缩机4、冷凝管11、蒸发器9、节流阀8和它们之间连接的管线。
在冷却室2内开有与冷却室2同轴线的搅拌杯槽1，所述搅拌杯槽1用于放置搅拌杯7，可使带有把手及温度电偶的搅拌杯落入冷却室内并由其下方安装的动力设备5带动搅拌，转速可调。
所述动力设备5采用现有的搅拌机的动力设备，将其安装在冷却室2的下方即可。搅拌杯7放置于冷却室2中的搅拌杯槽1内相应位置后，将温度电偶12的传感线接入温控设备3(即温度电偶的传感线10的一端与温度电偶12连接，另一端与温控设备3与连接。)；温度电偶12会将搅拌杯内的温度信号传送至温控设备3。温控设备3根据收到的温度信号和设置的搅拌温度进行对比并控制压缩机4工作制冷以调节冷冻室的温度，即温控设备3根据冷却室2内的温度变化随时接通或断开压缩机4的电源，具体如下：当冷却室内的温度高于设置的搅拌温度时，接通压缩机的电源，压缩机工作，进行降温，当冷却室内的温度达到设置的搅拌温度时，断开压缩机的电源，压缩机停止工作。
图2中，压缩机4的入口与蒸发器9的出口连接，压缩机4的出口与冷凝管11的下方入口连接，冷凝管11的上方出口通过节流阀8与蒸发器9的入口连接，形成循环管路。制冷剂直接充入到该循环管路中，当制冷剂不足时，向循环管路中补充制冷剂即可。
实际工作时，压缩机4将制冷剂气体加压后形成高压制冷剂气体，压缩机4将高压制冷剂气体送入冷凝管11内，高压制冷剂气体在冷凝管11内放热形成高压制冷剂液体，高压制冷剂液体从冷凝管11流入节流阀8中；高压制冷剂液体在节流阀8内体积变大形成低压制冷剂液体后进入到蒸发器9内。所述蒸发器9利用制冷剂低温易气化的特性使制冷剂气化吸热，即低压制冷剂液体在蒸发器9内吸热气化形成低压制冷剂气体，同时快速降低冷却室2的温度；此后低压制冷剂气体再次进入压缩机完成冷冻循环。所述制冷剂可以采用：氟利昂(饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物)，共沸混合溶液、碳氢化合物(丙烷、乙烯等)、氨等。
其中，蒸发器9为制冷设备中的重要原件，可以采用现有的多种蒸发器产品，本发明所用蒸发器采用开口环形管线，即不闭合的环形管线，环形是为了保证蒸发器能够贴近搅拌杯，设置开口的环形形管线而非闭合的环形管线是因为需要在冷却室留出一个缺口，即搅拌杯把手及电偶槽6，用于放置搅拌杯把手和穿出温度电偶的传感线。
本发明所用蒸发器具体排布方式为：在冷却室外壁内镶嵌设置多个平行的开口环形管线，开口环形管线在开口处的一端为进液口，另一端为出液口，制冷剂能够从进液口流入到开口环形管线的内腔中，穿过开口环形管线的整个内腔后从出液口流出。位于最上层的开口环形管线的进液口(即蒸发器的入口)与节流阀的出口连接，该开口环形管线的出液口与一个竖直管线的入口连接，该竖直管线的出口与下一层的开口环形管线的进液口连接；中间各个开口环形管线的进液口与上一层开口环形管线的出液口通过一个竖直管线相接，出液口则与下一层带开口的环形管线的进液口相接，位于最下层的开口环形管线的进液口通过一个竖直管线与位于其上一层的出液口连接，其出液口(即蒸发器的出口)与压缩机的入口连接，这样能够保证制冷剂自上而下流经所有的开口环形管线的内腔。
所述温控装置3不仅具备显示搅拌杯内的实时温度、控制压缩机工作的功能，还可控制冷却室的冷冻速度，以及设置降温程序。本发明中的所述温控装置3采用现有的多种温控装置即可，例如可以采用苏州工业园区天和仪器有限公司生产的CTM-5；美国Omega公司的DP32Pt、DP16Pt和DP8Pt系列温控仪等等。
为了方便操作以及安装温度电偶，在冷却室2的壁上、冷冻箱的外壳上均开有搅拌杯把手及电偶槽6。各个开口环形管线的开口在纵向上位于同一个位置处，形成一个从上至下贯穿的放置槽，该放置槽与冷却室2的壁上、冷冻箱的外壳上所述搅拌杯把手及电偶槽6对齐，形成一个纵向的缺口。
如图3所示，所述搅拌杯7包括搅拌杯外壁13和把手15，在搅拌杯外壁13的一侧安装有搅拌杯把手15，在搅拌杯把手15的下方的搅拌杯的内腔中设置有温度电偶12，与温度电偶12连接的传感线10从搅拌杯外壁13穿出到搅拌杯的外部。放置到冷冻箱内时，搅拌杯7的把手15从所述冷却室2的壁上、冷冻箱的外壳上的所述搅拌杯把手及电偶槽6伸出到冷冻箱的外部。温度电偶12固定安装在搅拌杯的内壁以检测杯内液体温度，其电偶传感线10穿过搅拌杯壁后与温控设备3连接。具体来说，在现有的搅拌杯7的把手下方的壁上开有电偶安装孔，在电偶安装孔内插入温度电偶，然后将该孔密封，温度电偶伸入到搅拌杯7的内腔中直接与水泥浆接触，与温度电偶连接的电偶传感线10从冷却室2上的搅拌杯把手及电偶槽6穿出后与温控设备3连接。
在搅拌杯7的底部安装有搅拌叶14和搅拌轴，所述搅拌轴从搅拌杯7的底端伸出后与动力设备5的输出轴连接，具体来说，搅拌叶14安装在搅拌轴上，搅拌轴穿过杯体的底部后与动力设备5连接，可在动力设备带动下转动搅拌叶14以搅拌水泥浆。
本发明可在冷冻箱内快速形成低温环境并逐渐冷却搅拌杯内的液体；冷冻箱内置温控装置，可设置调节冷却箱内的温度；水泥搅拌器搅拌杯内侧置有温度电偶，可实时监测搅拌杯内液体的温度，实现低温条件下的水泥浆搅拌。使用时，先将负温水泥浆配浆溶液倒入搅拌杯7中，利用本发明装置将其冷却到目标温度后再加入水泥干粉进行搅拌，这样可最大程度地模拟低温现场环境。
随着油气资源勘探开发向极地冷海进军，低温冻土区恶劣的环境条件以及复杂的地质条件，使钻井作业面临更大的风险和挑战。本发明能够满足极地低温固井水泥浆实验研究需求，促进低温水泥浆体系开发，为占领未来北极油气国际合作的技术经济制高点，维护国家权益，保障能源安全，具有重大的实用价值和社会经济效益。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (10)
1.一种负温固井水泥浆高速搅拌器，其特征在于：所述负温固井水泥浆高速搅拌器包括：冷冻箱以及设置在冷冻箱内的冷却室、冷却设备和温控设备；
所述冷却室与冷却设备连接，所述冷却设备与温控设备连接；
在所述冷却室内设置有搅拌杯；
在所述搅拌杯内设置有温度电偶，所述温度电偶与所述温控设备连接。
2.根据权利要求1所述的负温固井水泥浆高速搅拌器，其特征在于：所述冷却设备包括:蒸发器、压缩机、冷凝管、节流阀；
所述蒸发器安装在冷却室的内壁上；
所述压缩机、冷凝管、节流阀均设置在冷却室的外部；
所述蒸发器的出口与压缩机的入口连接，所述压缩机的出口与冷凝管的入口连接，所述冷凝管的出口与节流阀的入口连接，所述节流阀的出口与蒸发器的入口连接。
3.根据权利要求2所述的负温固井水泥浆高速搅拌器，其特征在于：所述蒸发器包括多个开口环形管线；所述开口环形管线为不闭合的环形结构；
多个所述开口环形管线依次从上至下设置在冷却室的内壁上，且各个开口环形管线均平行设置；
各个开口环形管线的开口在纵向上位于同一个位置处，形成一个从上至下贯穿的放置槽；
每个所述开口环形管线在其开口处的一端为进液口，另一端为出液口。
4.根据权利要求3所述的负温固井水泥浆高速搅拌器，其特征在于：位于最上层的开口环形管线的进液口即所述蒸发器的入口，与节流阀的出口连接，该开口环形管线的出液口与一个竖直管线的入口连接，该竖直管线的出口与下一层的开口环形管线的进液口连接；
位于最上层的开口环形管线和最下层的开口环形管线之间的每一层的开口环形管线的进液口均通过一个竖直管线与位于其上一层的开口环形管线的出液口连接，其出液口均通过另一个竖直管线与位于其下一层的开口环形管线的进液口连接；
位于最下层的开口环形管线的进液口通过一个竖直管线与位于其上一层的出液口连接，其出液口即所述蒸发器的出口，与压缩机的入口连接。
5.根据权利要求4所述的负温固井水泥浆高速搅拌器，其特征在于：在所述制冷设备内设置有制冷剂；
所述压缩机将制冷剂气体加压形成高压制冷剂气体，并将高压制冷剂气体送入到冷凝管内，高压制冷剂气体在冷凝管内放热形成高压制冷剂液体进入到节流阀内；高压制冷剂液体在节流阀内体积变大形成低压制冷剂液体后进入蒸发器，低压制冷剂液体在所述蒸发器内吸热气化形成低压制冷剂气体，低压制冷剂气体再回到压缩机内，形成冷冻循环。
6.根据权利要求5所述的负温固井水泥浆高速搅拌器，其特征在于：所述制冷剂采用：氟利昂、共沸混合溶液、碳氢化合物或者氨。
7.根据权利要求1-6任一所述的负温固井水泥浆高速搅拌器，其特征在于：在所述冷却室内开有搅拌杯槽，所述搅拌杯放置在所述搅拌杯槽内；
所述搅拌杯槽的轴线与水平面垂直。
8.根据权利要求7所述的负温固井水泥浆高速搅拌器，其特征在于：在所述冷却室的壁上以及冷冻箱的外壳上均开有搅拌杯把手及电偶槽；
两个所述搅拌杯把手及电偶槽与所述放置槽在纵向上对齐。
9.根据权利要求8所述的负温固井水泥浆高速搅拌器，其特征在于：所述搅拌杯包括搅拌杯外壁和设置在外壁一侧的把手；
在所述把手的下方的搅拌杯外壁上开有电偶安装孔，在所述电偶安装孔内插入所述温度电偶，然后将所述电偶安装孔密封；
所述温度电偶伸入到所述搅拌杯的内腔中；
所述把手依次从冷却室、冷冻箱上的搅拌杯把手及电偶槽穿出；
与所述温度电偶连接的电偶传感线的另一端从冷却室的搅拌杯把手及电偶槽穿出后与温控设备连接。
10.根据权利要求9所述的负温固井水泥浆高速搅拌器，其特征在于：在所述冷却室的下方设有动力设备；
在所述搅拌杯的底部设置有搅拌叶和搅拌轴；
所述搅拌叶安装在搅拌轴上；
所述搅拌轴的下端从搅拌杯的底端穿出后与动力设备的输出轴连接，动力设备能够通过搅拌轴带动搅拌叶旋转。
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