CN113202445A - 一种泡沫水泥浆固井设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泡沫水泥浆固井设备，包括车辆、装设于所述车辆上的动力装置、热交换装置、转换装置、控制装置以及混浆装置；所述动力装置与所述热交换装置、转换装置以及混浆装置连接，所述控制装置与所述动力装置电性连接；所述动力装置用于驱动所述热交换装置、转换装置以及混浆装置，所述热交换装置用于热量交换，所述转换装置用于实现液氮汽化，所述混浆装置用于实现水泥浆依次与发泡液和氮气高压混合形成高压泡沫水泥浆。

Description

一种泡沫水泥浆固井设备

技术领域

本发明涉及水泥浆固井设备技术领域，尤其涉及一种泡沫水泥浆固井设备。

背景技术

目前，制备泡沫水泥浆有两种方法，即化学发泡法和物理发泡法，化学发泡法指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。

物理发泡法指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；该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，难以满足油田固井高压工作。

因此充气式制备泡沫水泥的方法受到越来越多的关注。氮气因化学性质稳定，一般不与其他物质发生反应，可以起到隔离、阻燃、防爆、防腐的功用，且对储层伤害小，成为泡沫水泥优选的充气介质。

现有的充气式泡沫水泥的制备装置无法对泡沫水泥的密度进行实时监控，若泡沫水泥密度不能满足施工要求会导致固井成本增加甚至固井失败；而且此方法需要设立专门的加热装置对液氮进行加热升温，能耗高、设备投入及作业成本高。

鉴于以上所述，实有必要提供一种新型的泡沫水泥浆固井设备以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种泡沫水泥浆固井设备，通过热交换装置在固井过程中进行热交换用以加热蒸发液氮，简化了设备的结构，降低了设备的投入成本；利用混浆装置对发泡液、氮气和水泥浆进行高压混合增加了混合均匀性，降低了出口泥浆密度；实现了设备操作的自动化控制，作业更加精准和智能化。

为了实现上述目的，本发明提供一种泡沫水泥浆固井设备，包括车辆、装设于所述车辆上的动力装置、热交换装置、转换装置、控制装置以及混浆装置；所述动力装置与所述热交换装置、转换装置以及混浆装置连接，所述控制装置与所述动力装置电性连接；

所述动力装置用于驱动所述热交换装置、转换装置以及混浆装置，所述热交换装置用于热量交换，所述转换装置用于实现液氮汽化，所述混浆装置用于实现水泥浆依次与发泡液和氮气高压混合，形成高压泡沫水泥浆。

优选的，所述动力装置包括发动机、分动箱以及散热水箱；所述发动机与所述分动箱连接，所述动力装置通过所述散热水箱与所述热交换装置连接，所述发动机通过所述分动箱驱动所述热交换装置、转换装置以及混浆装置运转。

优选的，所述热交换装置包括蒸发器、换热器、冷却液箱、冷却液离心泵以及水刹车；所述散热水箱与所述换热器连接，所述换热器与所述发动机连接，所述发动机与所述散热水箱连接；所述换热器与所述冷却液箱连接，所述冷却液箱与所述冷却液离心泵连接，所述冷却液离心泵分别与所述蒸发器和水刹车连接，所述蒸发器与换热器连接，所述水刹车与所述冷却液箱连接。

优选的，所述转换装置包括液氮离心泵、第一柱塞泵、第一管线以及第二管线；所述第一管线与所述液氮离心泵连接，所述液氮离心泵与所述第一柱塞泵连接，所述第一柱塞泵与蒸发器连接；所述液氮离心泵还与所述第二管线连接，所述第二管线连接有液氮储罐。

优选的，所述混浆装置包括第二柱塞泵、发泡液混合器、泡沫发生器、发泡液箱、第三管道以及第四管道；所述发泡液箱与所述第二柱塞泵连接，所述第二柱塞泵与发泡液混合器连接，所述第四管道与所述发泡液混合器连接，所述发泡液混合器与泡沫发生器连接，所述泡沫发生器与第三管道连接，所述蒸发器与所述泡沫发生器连接。

优选的，所述发泡液箱具有保温层，且内部设置有液位计和搅拌器。

优选的，所述发泡液箱与所述第二柱塞泵管线设置有增压泵，所述发泡液箱上设置有上液泵。

优选的，所述分动箱还包括液压油泵，所述液压油泵通过管道与所述热交换装置的冷却液离心泵、转换装置的液氮离心泵、转换装置的第一柱塞泵、混浆装置的发泡液箱的增压泵和上液泵连接，所述液压油泵用于驱动冷却液离心泵、液氮离心泵、第一柱塞泵、增压泵以及上液泵运转，所述第二柱塞泵由车辆的发动机驱动运转。

优选的，所述控制装置内设置有控制柜，所述控制柜包括工控机，所述工控机与所述第一柱塞泵、第二柱塞泵、冷却液离心泵、液氮离心泵、增压泵、上液泵、液位器、加热器以及搅拌器电性连接。

优选的，所述车辆包括底盘，所述动力装置、热交换装置、转换装置、控制装置以及混浆装置均安装于所述底盘上。

与现有技术相比，本发明提供的一种泡沫水泥浆固井设备，有益效果在于：通过热交换装置在固井过程中进行热量回收用以加热蒸发液氮，简化了设备的结构，降低了设备的投入成本；利用混浆装置对发泡液、氮气和水泥浆进行高压混合增加了混合均匀性，降低了出口泥浆密度；实现了设备操作的自动化控制，作业更加精准和智能化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的泡沫水泥浆固井设备的结构示意图。

附图标记：底盘100；动力装置200；热交换装置300；转换装置400；控制装置500；混浆装置600；发动机21；分动箱2；散热水箱3；蒸发器6；液氮离心泵7；换热器4；第一柱塞泵17；第一管线101；第二管线102；第二柱塞泵10；发泡液混合器12；泡沫发生器13；发泡液箱14；第三管道103；第四管道104；控制柜8；冷却液离心泵18；冷却液箱19；水刹车20。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。

需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。此外，“多个”、“若干”的含义是指两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，本发明提供一种泡沫水泥浆固井设备，包括车辆、装设于车辆上的动力装置200、热交换装置300、转换装置400、控制装置500以及混浆装置600；所述动力装置200与所述热交换装置300、转换装置400以及混浆装置600连接，所述控制装置500与所述动力装置200电性连接；

所述动力装置200用于驱动所述热交换装置300、转换装置400以及混浆装置600，所述热交换装置300用于进行热量交换，所述转换装置400用于实现液氮汽化，所述混浆装置600用于实现水泥浆依次与发泡液和氮气高压混合，形成高压泡沫水泥浆。

进一步的，所述动力装置200包括发动机21、分动箱2以及散热水箱3；所述发动机21与所述分动箱2连接，所述动力装置200通过所述散热水箱3与所述热交换装置300连接，所述发动机21通过所述分动箱2驱动所述热交换装置300、转换装置400以及混浆装置600运转。

进一步的，所述热交换装置300包括蒸发器6、换热器4、冷却液箱19、冷却液离心泵18以及水刹车20；所述散热水箱3与所述换热器4连接，所述换热器4与所述发动机21连接，所述发动机21与所述散热水箱3连接组成发动机换热单元；所述换热器4与所述冷却液箱19连接，所述冷却液箱19与所述冷却液离心泵18连接，所述冷却液离心泵18分别与所述蒸发器6和水刹车20连接，所述水刹车20与所述冷却液箱19连接，所述蒸发器6与换热器4连接组成氮气换热单元，所述换热器4设置有节温器。在本实施方式中，所述蒸发器6为水浴式蒸发器。

如此，加热后的冷却液由冷却液箱19被吸入冷却液离心泵18加压后，泵注到蒸发器6中将蒸发器6内的液氮加热蒸发为10-25℃的氮气，再流入到换热器4中吸收热量，使冷却液维持在60℃以上的温度，保证热交换功能的正常进行；当液氮蒸发量加大，所述节温器检测到冷却液的温度未超过60℃时，换热器4内的冷却液与散热水箱3内的防冻液进行热交换吸收发动机内部的热量；当液氮蒸发量继续加大，则水刹车20开启，利用发动机的机械能转换成的热量为冷却液加温，保证热量交换的平衡。

进一步的，所述转换装置400包括液氮离心泵7、第一柱塞泵17、第一管线101以及第二管线102；

所述第一管线101与所述液氮离心泵7连接，液氮由所述第一管线101进入液氮离心泵7，给所述液氮离心泵7输送液氮，所述液氮离心泵7与所述第一柱塞泵17连接，所述第一柱塞泵17与蒸发器6连接，利用热交换装置300回收的热量对液氮加热汽化，所述第一柱塞泵17的最大工作压力为103.4MPa；

所述液氮离心泵7还与所述第二管线102连接，所述第二管线102连接有液氮储罐，所述液氮储罐用于储存液氮。

进一步的，所述混浆装置600包括第二柱塞泵10、发泡液混合器12、泡沫发生器13、发泡液箱14、第三管道103以及第四管道104；

所述发泡液箱14的出口与所述第二柱塞泵10的进口连接，所述第二柱塞泵10的出口与发泡液混合器12的进口连接，所述第四管道104与所述发泡液混合器12的进口连接，所述发泡液混合器12的出口与泡沫发生器13的进口连接，所述泡沫发生器13的出口与第三管道103连接，所述蒸发器6的氮气出口与所述泡沫发生器13连接为水泥浆发泡提供氮气，所述第二柱塞泵10的最大工作压力为50Mpa，所述第四管道104设置有泥浆密度监测装置。

如此，当水泥浆从所述第四管道104进入所述发泡液混合器12中实现发泡液与水泥浆在第四管道104中高压混合形成水泥基浆，再进入所述泡沫发生器13中与氮气高压混合形成泡沫水泥浆，并通过泡沫发生器13经所述第三管道103排出。

进一步的，所述发泡液箱14内设置有液位计，以便检测所述发泡液箱14内的发泡液液位。在本实施方式中，所述液位计为雷达液位计。

进一步的，所述发泡液箱14具有保温层，且所述发泡液箱14内设置有加热器。通过在发泡液箱14的保温层与加热器的配合，可以放置发泡液箱14内的发泡液在低温环境下冻结。

进一步的，所述发泡液箱14内设置有搅拌器，可以使所述发泡液箱14内的发泡液更加均匀。

进一步的，所述发泡液箱14上设置有上液泵，可以为所述发泡液箱14添加发泡液，同时在作业完毕后，可以用于添加清水来清洗管线。

进一步的，所述发泡液箱14与所述第二柱塞泵10的管线中间设置有增压泵，可以用于发泡液增压保证第二柱塞泵10的吸入充足，在本实施例中，增压泵优选螺杆泵。

进一步的，所述控制装置500内设置有控制柜8，所述控制柜8包括工控机，所述工控机与所述第一柱塞泵17、第二柱塞泵10、冷却液离心泵18、液氮离心泵7、上液泵、增压泵、液位器、加热器以及搅拌器电性连接。

如此，通过在所述控制柜8的工控机的显示屏上，可实现实时监测设备运行的参数(如温度、液位、压力、流量的参数)，还可实现对于第一柱塞泵17和第二柱塞泵10的转速控制，进而调节发泡液和氮气的流量和压力，根据传感器监测的温度、压力、流量和密度等参数，实现泡沫水泥浆密度的自动控制。

需要说明的是，所述热交换装置300的连接管路上可设置有与所述工控机电性连接的压力传感器、温度传感器以及流量传感器，如此可方便通过工控机监测冷却液热交换后的状态。

进一步的，所述分动箱2还包括液压油泵，所述液压油泵通过管道与所述冷却液离心泵18、转换装置400的液氮离心泵7、转换装置400的第一柱塞泵17、混浆装置600的发泡液箱14的上液泵和增压泵连接，所述液压油泵用于驱动冷却液离心泵18、液氮离心泵7、第一柱塞泵17以及上液泵和增压泵运转，所述第二柱塞泵10由车辆的发动机驱动运转。

进一步的，所述车辆包括底盘100，所述动力装置200、热交换装置300、转换装置400、控制装置500以及混浆装置600均安装于所述底盘100上。

本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所描述，因此对于熟悉领域的人员而言可容易地实现另外的优点和修改，故在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念的精神和范围的情况下，本发明并不限于特定的细节、代表性的设备和这里示出与描述的示例。

Claims (10)

1.一种泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，包括车辆、装设于所述车辆上的动力装置(200)、热交换装置(300)、转换装置(400)、控制装置(500)以及混浆装置(600)；所述动力装置(200)与所述热交换装置(300)、转换装置(400)以及混浆装置(600)连接，所述控制装置(500)与所述动力装置(200)电性连接；

所述动力装置(200)用于驱动所述热交换装置(300)、转换装置(400)以及混浆装置(600)，所述热交换装置(300)用于热量交换，所述转换装置(400)用于实现液氮汽化，所述混浆装置(600)用于实现水泥浆依次与发泡液和氮气高压混合，形成高压泡沫水泥浆。

2.如权利要求1所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述动力装置(200)包括发动机(21)、分动箱(2)以及散热水箱(3)；所述发动机(21)与所述分动箱(2)连接，所述动力装置(200)通过所述散热水箱(3)与所述热交换装置(300)连接，所述发动机(21)通过所述分动箱(2)驱动所述热交换装置(300)、转换装置(400)以及混浆装置(600)运转。

3.如权利要求2所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述热交换装置(300)包括蒸发器(6)、换热器(4)、冷却液箱(19)、冷却液离心泵(18)以及水刹车(20)；所述散热水箱(3)与所述换热器(4)连接，所述换热器(4)与所述发动机(21)连接，所述发动机(21)与所述散热水箱(3)连接；所述换热器(4)与所述冷却液箱(19)连接，所述冷却液箱(19)与所述冷却液离心泵(18)连接，所述冷却液离心泵(18)分别与所述蒸发器(6)和水刹车(20)连接，所述蒸发器(6)与换热器(4)连接，所述水刹车(20)与所述冷却液箱(19)连接。

4.如权利要求3所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述转换装置(400)包括液氮离心泵(7)、第一柱塞泵(17)、第一管线(101)以及第二管线(102)；所述第一管线(101)与所述液氮离心泵(7)连接，所述液氮离心泵(7)与所述第一柱塞泵(17)连接，所述第一柱塞泵(17)与蒸发器(6)连接；所述液氮离心泵(7)还与所述第二管线(102)连接，所述第二管线(102)连接有液氮储罐。

5.如权利要求4所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述混浆装置(600)包括第二柱塞泵(10)、发泡液混合器(12)、泡沫发生器(13)、发泡液箱(14)、第三管道(103)以及第四管道(104)；所述发泡液箱(14)与所述第二柱塞泵(10)连接，所述第二柱塞泵(10)与发泡液混合器(12)连接，所述第四管道(104)与所述发泡液混合器(12)连接，所述发泡液混合器(12)与泡沫发生器(13)连接，所述泡沫发生器(13)与第三管道(103)连接，所述蒸发器(6)与所述泡沫发生器(13)连接。

6.如权利要求5所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述发泡液箱(14)具有保温层，且内部设置有液位计和搅拌器。

7.如权利要求5所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述发泡液箱(14)与所述第二柱塞泵(10)管线设置有增压泵，所述发泡液箱(14)上设置有上液泵。

8.如权利要求7所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述分动箱(2)还包括液压油泵，所述液压油泵通过管道与所述热交换装置(300)的冷却液离心泵(18)、转换装置(400)的液氮离心泵(7)、转换装置(400)的第一柱塞泵(17)、混浆装置(600)的发泡液箱(14)的增压泵和上液泵连接，所述液压油泵用于驱动冷却液离心泵(18)、液氮离心泵(7)、第一柱塞泵(17)、增压泵以及上液泵运转，所述第二柱塞泵(10)由车辆的发动机驱动运转。

9.如权利要求8所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述控制装置(500)内设置有控制柜(8)，所述控制柜(8)包括工控机，所述工控机与所述第一柱塞泵(17)、第二柱塞泵(10)、冷却液离心泵(18)、液氮离心泵(7)、增压泵、上液泵、液位器、加热器以及搅拌器电性连接。

10.如权利要求1所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述车辆包括底盘(100)，所述动力装置(200)、热交换装置(300)、转换装置(400)、控制装置(500)以及混浆装置(600)均安装于所述底盘(100)上。

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