CN113368719B - 适用于不同工况井下作业的高压泡沫发生装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于不同工况井下作业的高压泡沫发生装置及制备方法。所述装置包括十字四通、T形三通、液体喷嘴、扰流杆、筛管、以及堵头，十字四通与T形三通连接。液体喷嘴为管柱体，设置在十字四通的通道内，能够往十字四通内喷射液体，扰流杆设置在十字四通的三通道内，与液体喷嘴同轴，且被配置为能够改变液体喷嘴所喷射的液体的流向，筛管设置在T形三通的通道内。所述方法包括使用上述高压泡沫发生装置，包括：将泡沫基液从高压液相入口泵入十字四通内部；将高压气体从高压气相入口输入十字四通内部。本发明的有益效果可包括：能够适用于不同工况的井下作业。

Description

适用于不同工况井下作业的高压泡沫发生装置及制备方法

技术领域

本发明涉及油气田井下作业技术领域，具体来讲，涉及一种适用于不同工况井下作业的高压泡沫发生装置及制备方法。

背景技术

泡沬流体作为一种可压缩的非牛顿流体，因其具有独特的结构特性和渗流特性，已广泛应用于钻井、完井以及油气井的增产措施中。在生成高压泡沫流体的各种方法中，将气体与泡沫基液在高压状态下进行混合是最常用的方法之一，在高压状态下实现气体与泡沫基液混合并促成其发泡的装置称为高压泡沫发生装置。

随着井下作业技术的不断进步，对于高压泡沫流体的性能要求也日益多样，这造成了在不同工况或工艺的情况下，对于高压泡沫发生装置有两项关键技术指标的差异巨大，第一项技术指标是高压泡沫发生器的最高工作压力，对于此项技术指标要求低的只有几个MPa，高的现已超过100MPa；第二项技术指标是气、液额定注入排量，现对于此项指标的要求其低值与高值差距也达10倍有余。

由于以上原因，现有的高压泡沫发生装置尚不能同时满足上述要求，这就造成不同工况或工艺需要准备不同型号或规格高压泡沫发生装置的原因，这给成本控制、生产准备以及安全作业等工作都带来诸多不便。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，现有的高压泡沫发生装置尚不能同时适用于不同工况或工艺的情况。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种适用于不同工况井下作业的高压泡沫发生装置，包括十字四通、T形三通、液体喷嘴、扰流杆、筛管、以及堵头，十字四通的额定压力≥105MPa，十字四通具有朝向四个不同方向的第一接口、第二接口、第三接口和第四接口，第一接口和第四接口同轴，第二接口和第三接口同轴；T形三通的额定压力≥105MPa，T形三通具有朝向三个不同方向的第五接口、第六接口和第七接口，且第五接口和第六接口之间的通道为第三通道；十字四通的第四接口与T形三通的第五接口连接并密封；液体喷嘴为管柱体，其一端与第二接口连接，另一端设置在十字四通内部，且能够往十字四通内喷射液体，所述液体喷嘴为第一液体喷嘴，液体排量为50～150L/min，或为第二液体喷嘴，液体排量为150～300L/min，或为第三液体喷嘴，液体排量为500~1000L/min，或为第四液体喷嘴，液体排量为1000～2000L/min，或为第五液体喷嘴，液体排量为2000～3000L/min；扰流杆为圆柱体，其第一端与十字四通的第三接口连接并形成密封，第二端设置在十字四通内部，且扰流杆与液体喷嘴同轴，扰流杆被配置为能够改变液体喷嘴所喷射的液体的流向；所述扰流杆为与第一液体喷嘴配套的第一扰流杆，或为与第二液体喷嘴配套的第二扰流杆，或为与第三液体喷嘴配套的第三扰流杆，或为与第四液体喷嘴配套的第四扰流杆，或为与第五液体喷嘴配套的第五扰流杆；筛管设置在所述第三通道内；堵头与第六接口连接并形成密封。

本发明的另一方面提供了一种适用于不同工况井下作业的高压泡沫制备方法，所述方法使用上述适用于不同工况井下作业的高压泡沫发生装置，包括以下步骤，将泡沫基液从高压液相入口泵入十字四通内部，并在十字四通内部形成螺旋流体；将高压气体从高压气相入口输入十字四通内部。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：通用性好，适合井下作业不同工况下的泡沫流体施工作业；利用标准制式的压裂管汇制备成高压泡沫发生装置的高压壳体，制造成本低、与高压气体和液体的泵注设备匹配性好、安全性高，整体结构简单、现场布局灵活方便；液体喷嘴与扰流杆采用易安装设计，气、液额定注入排量调节方便；筛管采用易安装设计，泡沫直径大小调节方便，并兼具过滤功能。

附图说明

图1示出了本发明的示例性实施例中高压泡沫发生装置的正视图；

图2示出了沿图1中的剖面线A-A截取的剖视图。

图中标记：

1-十字四通，101-第一接口，102-第二接口，103-第三接口，104-第四接口，111-第一通道，112-第二通道，2-T形三通，201-第五接口，202-第六接口，203-第七接口，211-第三通道，212-第四通道，3-液体喷嘴，4-扰流杆，5-筛管，501-长方孔，6-堵头，7-筛管座，8-变径短接，801-第一变径短接，802-第二变径短接，803-第三变径短接，804-第四变径短接，9-等径短接，10-高压气相入口，11-高压液相入口，12-高压泡沫流体出口。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的高压泡沫发生装置及其制备方法。在附图中相同的元件用相同的附图标记标注。

在本发明中披露详细的说明实施例。但是，为了描述示例实施例的目的，本发明中披露的特定的结构和功能细节仅仅是代表性的。然而，本发明可以以诸多可替换的形式实施，并且不应当被解释为仅仅局限于本发明中陈述的实施例。因此，虽然示例实施例能够为各种修改和可替换的形式，但是，这些实施例在附图中以示例的方式示出并在这里被详细地描述。但是，应该理解，不应当将示例实施例限制为所披露的特定形式。相反，示例实施例覆盖落入在本公开的范围内的所有的修改、等同物和可替换物。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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申请和简化描述，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申请的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”“第五”“第六”“第七”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或具有严格的顺序性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“结合”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

示例性实施例1

图1和图2示出了本发明第一示例性实施例中的适用于不同工况井下作业的高压泡沫发生装置。图1为所述装置的正视图，图2为图1沿剖面线A-A的剖视图。

在本发明的第一示例性实施例中，高压泡沫发生装置包括十字四通1、T形三通2、液体喷嘴3、扰流杆4、筛管5、以及堵头6。

十字四通1包括朝向四个不同方向的第一接口101、第二接口102、第三接口103和第四接口104。第二接口102与第三接口103同轴，第一接口101与第四接口104同轴。第一接口101和第四接口104之间的第一通道111与第二接口102和第三接口103之间的第二通道112垂直贯通。

十字四通1的额定压力≥105MPa，例如，十字四通可以为制式压裂管汇，如符合SY/T627-2017《石油天然气钻采设备 固井、压裂管汇的使用与维护》标准中的十字四通，以确保所述高压泡沫发生装置能够适用于不同工况井下作业的压力。

T形三通2包括朝向三个不同方向的第五接口201、第六接口202和第七接口203。第五接口201和第六接口202同轴。第七接口203所在的轴线与第五接口201和第六接口202所在的轴线垂直，即，第五接口201和第六接口202之间的第三通道211与第七接口203所在的第四通道212垂直贯通。

T形三通2为的额定压力≥105MPa，例如，T形三通2可以为制式压裂管汇，如符合SY/T627-2017《石油天然气钻采设备 固井、压裂管汇的使用与维护》标准中的T形三通，以确保所述高压泡沫发生装置能够适用于不同工况井下作业的压力。

十字四通1与T形三通2通过所述第四接口104与第五接口201的连接而连通。进一步地，十字四通1与T形三通2可以通过等径短接9连通。

十字四通1的第四接口104与T形三通的第五接口201连接并密封，同时，第一通道111和第三通道211连通。

十字四通1的第一接口101作为高压气相入口10与高压气体泵注设备连接，第二接口102作为高压液相入口11与高压液体泵注设备连接。

T形三通2的第七接口203作为高压泡沫流体出口12。

液体喷嘴3为管柱体，其外径小于十字四通的内径，或者说第二接口的内径，例如，当十字四通的内径为69.7mm时，液体喷嘴的外径可以为40～48mm，如44mm。液体喷嘴3的一端可以通过与所述第二接口的连接进行固定并形成密封。液体喷嘴3的另一端可以设置在十字四通1的所述第二通道内，当外界有液体从液体喷嘴3的一端泵入时，液体喷嘴3的另一端能够往十字四通内喷射液体。

进一步地，液体喷嘴3的一端可以具有扩大的到与第二接口相配的外径，以便于与第二接口连接并密封液体喷嘴3与第二通道112之间的空隙，使得液体等只能通过液体喷嘴3注入十字四通1的内部。

进一步地，液体喷嘴3的一端可以具有内锥孔，以优化注入液体的流道。

所述液体喷嘴3可以为第一液体喷嘴、第二液体喷嘴、第三液体喷嘴、第四液体喷嘴或第五液体喷嘴中的任意一项，以确保所述装置能够满足不同工况井下作业所需的液体排量。

第一液体喷嘴的液体排量为50～150L/min，第二液体喷嘴的液体排量为150～300L/min，第三液体喷嘴的液体排量为500~1000L/min，第四液体喷嘴的液体排量为1000～2000L/min，第五液体喷嘴的液体排量为2000～3000L/min。

进一步地，所述第一液体喷嘴的内径可为7～9mm，例如8mm。所述第二液体喷嘴的内径可为11～13mm，例如12mm，所述第三液体喷嘴的内径可为20～30mm，例如22mm、25mm或28mm等。所述第四液体喷嘴的内径可为31～33mm，例如32mm。

所述扰流杆4为圆柱体，扰流杆4的直径小于十字四通1的内径，或者说小于所述第三接口103的内径。扰流杆4的第一端可通过与所述第三接口103的连接进行固定并形成密封，进一步地，扰流杆的第一端可以具有扩大到与第三接口103相配的外径，以便于与第三接口103连接并形成密封。扰流杆的第二端设置在十字四通1的内部，也可以说是所述第二通道112内。扰流杆4与液体喷嘴3同轴，且被配置为能够改变液体喷嘴3所喷射的液体的流向。例如，扰流杆的第二端可以具有球形凹面以改变液体喷嘴3所喷射的液体的流向。

所述扰流杆为与第一液体喷嘴配套的第一扰流杆，与第二液体喷嘴配套的第二扰流杆，与第三液体喷嘴配套的第三扰流杆，与第四液体喷嘴配套的第四扰流杆，或与第五液体喷嘴配套的第五扰流杆，以确保能够改变液体喷嘴3所喷射的液体的流向。

进一步地，第一液体喷嘴与第一扰流杆之间的距离（此处指的是液体喷嘴的另一端端面到扰流杆的第二端端面之间的距离）可为65～76mm；第二液体喷嘴与第二扰流杆之间的距离可为80～101mm；第三液体喷嘴与第三扰流杆之间的距离可为110～131mm；第四液体喷嘴与第四扰流杆之间的距离可为140～146mm。

进一步地，第一扰流杆的球形凹面半径可为16～20mm，例如，18mm。第二扰流杆的球形凹面半径可为22～26mm，例如24mm。第三扰流杆的球形凹面半径可为28～32mm，例如30mm。第四扰流杆的球形凹面半径可为28～32mm，例如30mm或31mm等。第五扰流杆的球形凹面半径可为32～36mm，例如34mm。

筛管5位于在第五接口201和第六接口202之间的通道内，即，筛管5设置在所述第三通道211内。筛管5用于形成发泡及过滤腔室。筛管5的直径小于第三通道211的内径，即小于T形三通2的内径。筛管5具有均匀分布在圆周上的长方孔，例如图2中所示，所述长方孔501轴向均匀分布在筛管5的管壁壁上。进一步地，所述长方孔的孔眼总面积大于等于筛管截面积的三倍，以便于发泡。例如，所述长方孔501的孔径可以为2×3mm或1×2mm等。

进一步地，所述装置可包括筛管座7，筛管座7被配置为管柱体，筛管座7的一端与第四接口104或第五接口201连接，筛管座7的另一端与筛管连接。例如，筛管座7的一端以扩大外径的方式与第四接口104或第五接口201连接的内径相匹配，以降低筛管工作时的振动，筛管座7的另一端可具有六方体突起用于连接筛管。所述六方体突起上可配置外螺纹，筛管座7可与筛管5通过螺纹连接。当第四接口104与第五接口201通过等径短接9的方式连接时，筛管座7还可以与等径短接9连接，例如，筛管座7可挂座于等径短接9的密封盘根槽位置。筛管座7的一端还可以具内锥孔，用于优化注入流体的通道。筛管座7的设置有利于筛管5的更换和降低筛管5工作时的震动。

堵头6与第六接口202连接并密封所述第三通道211。

进一步地，所述液体喷嘴3、扰流杆4、筛管5、筛管座7的任意一项或多项可为耐腐蚀材质，例如，不锈钢材质，有利于避免所述高压泡沫发生装置在例如进行泡沫酸酸化、气液混注等工况的井下作业时，被所用的稀盐酸的强腐蚀性液体所腐蚀。

进一步地，所述装置还可包括变径短接8，变径短接8包括第一变径短接801、第二变径短接802、第三变径短接803以及第四变径短接804中的任意一个或多个。其中，第一变径短接与第一接口101连接，第二变径短接与第二接口102连接，第三变径短接与第三接口103连接，第四变径短接与第七接口203连接。变径短接能够改变第一接口101、第二接口102、第三接口103、第七接口203等的内径或外径，以提高所述高压泡沫发生装置与不同口径的高压气体和液体的泵注设备等的匹配性，便于所述高压泡沫发生装置连接不同型号的泵注设备。同时，变径短接还可以与液体喷嘴3和/或扰流杆4连接，以更好的固定液体喷嘴3和/或扰流杆4。液体喷嘴3可挂座于第二变径短接802密封盘的根槽位置；扰流杆4可挂座于第三变径短接803的密封盘根槽位置。

本发明所述的高压泡沫发生装置适用于最高工作压力在105MPa以下，气体额定注入排量在30～700NM³/min（最低值与最高值相差23倍多），液体注入排量在50～3000L/min（最低值与最高值相差60倍），泡沫流体排量在500～4500Lmin（最低值与最高值相差9倍）等不同工况井下作业的高压泡沫发生，其中，1NM³指20℃、一个大气压下的1个立方的气体。

例如，在泡沫冲砂工况中，所需压力范围为5～20MPa，气体注入排量为30～80NM³/min，液体注入排量为100～150L/min，所需泡沫液质量为70～90%，所需泡沫流体排量为500～1700L/min，其中，泡沫液质量是指：泡沫体积/（泡沫体积+液体体积）*100％。此时，液体喷嘴为第一液体喷嘴，扰流杆为第一扰流杆。

例如，在泡沫液钻磨工况中，所需压力范围为20～40MPa，气体注入排量为30～60NM³/min，液体注入排量为150～250L/min，所需泡沫液质量为40～60%，所需泡沫流体排量为300～500L/min。适用于泡沫液钻磨工况时，所述装置的液体喷嘴为第二液体喷嘴，扰流杆为第二扰流杆。

例如，在泡沫酸酸化工况中，所需压力范围为20～50MPa，气体注入排量为270～700NM³/min，液体注入排量为500～2000L/min，所需泡沫液质量为50～80%，所需泡沫流体排量为1000～4500L/min。适用于泡沫酸酸化工况时，所述装置的液体喷嘴为第三液体喷嘴，扰流杆为第三扰流杆，或液体喷嘴为第四液体喷嘴，扰流杆为第四扰流杆。

在气液混注工况中，所需压力范围为60～95MPa，气体注入排量为90～180NM³/min，液体注入排量为2000～3000L/min，所需泡沫液质量为5～15%，所需泡沫流体排量为2200～3500L/min。适用于气液混注工况时，所述装置的液体喷嘴为第五液体喷嘴，扰流杆为第五扰流杆。

示例性实施例2

在本发明的第二示例性实施例中，所述适用于不同工况井下作业的高压泡沫制备方法使用第一示例性实施例中的高压泡沫发生装置。

所述高压泡沫制备方法包括以下步骤：

将泡沫基液从高压液相入口泵入十字四通1内部，并在十字四通1内部形成螺旋流体；

将高压气体从高压气相入口输入十字四通1内部。

将泡沫基液通过泵注设备高压泵注，使泡沫基液从高压液相入口11经过液体喷嘴3进入十字四通1腔体内（第二通道112内），形成高压液流，高压液流经扰流杆4转向，在十字四通1腔体内形成螺旋流体。将气体通过增压设备的增压从高压气相入口10进入十字四通1的腔体内（第一通道111内），在泡沫基液形成的螺旋流体侧面开始进行气、液混合，混合后的高压气、液混合流体从十字四通1流动至T形三通2，并在T形三通2内部的筛管5切割作用下生成符合施工要求的高压泡沫流体，并经第四通道212，从高压泡沫流体出口12，即高压泡沫流体从第七接口203输出。同时，筛管5将超过长方孔501孔隙的固相杂质拦截在筛管5中，达到同步过滤效果。

综上，本发明的有益效果可包括：

（1）通用性好，适合井下作业不同工况下的泡沫流体施工作业；

（2）适用压力跨度系数大，从0～150MPa均可适用，气体额定注入排量跨度达23倍，液体注入排量跨度达60倍，泡沫流体排量跨度达9倍；

（3）可调节泡沫直径大小和气、液额定注入排量；

（4）与高压气体和液体的泵注设备匹配性好；

（5）整体结构简单，易安装，现场布局灵活方便。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (6)

1.一种适用于不同工况井下作业的高压泡沫发生装置，其特征在于，所述装置包括十字四通、T形三通、液体喷嘴、扰流杆、筛管、以及堵头，

十字四通的额定压力≥105MPa，十字四通具有朝向四个不同方向的第一接口、第二接口、第三接口和第四接口，第一接口和第四接口同轴，第二接口和第三接口同轴；

T形三通的额定压力≥105MPa，T形三通具有朝向三个不同方向的第五接口、第六接口和第七接口，第五接口和第六接口同轴，且第五接口和第六接口之间的通道为第三通道；

十字四通的第四接口与T形三通的第五接口连接并密封；

液体喷嘴为管柱体，其一端与第二接口连接，另一端设置在十字四通内部，且能够往十字四通内喷射液体，

所述液体喷嘴为适用于泡沫冲砂工况的第一液体喷嘴，液体排量为50～150L/min，

或为适用于泡沫液钻磨工况的第二液体喷嘴，液体排量为150～300L/min，

或为适用于泡沫酸酸化工况的第三液体喷嘴，液体排量为500~1000L/min，

或为适用于泡沫酸酸化工况的第四液体喷嘴，液体排量为1000～2000L/min，

或为适用于气液混注工况的第五液体喷嘴，液体排量为2000～3000L/min；

扰流杆为圆柱体，其第一端与十字四通的第三接口连接并形成密封，第二端设置在十字四通内部，且扰流杆与液体喷嘴同轴，扰流杆被配置为能够改变液体喷嘴所喷射的液体的流向；

所述扰流杆的第二端具有球形凹面，且所述扰流杆为与第一液体喷嘴配套的第一扰流杆，或为与第二液体喷嘴配套的第二扰流杆，或为与第三液体喷嘴配套的第三扰流杆，或为与第四液体喷嘴配套的第四扰流杆，或为与第五液体喷嘴配套的第五扰流杆，并且第一液体喷嘴与第一扰流杆之间的距离为65～76mm；第二液体喷嘴与第二扰流杆之间的距离为80～101mm；第三液体喷嘴与第三扰流杆之间的距离为110～131mm；第四液体喷嘴与第四扰流杆之间的距离为140～146mm，第一扰流杆的球形凹面半径为16～20mm，第二扰流杆的球形凹面半径为22～26mm，第三扰流杆的球形凹面半径为28～32mm，第四扰流杆的球形凹面半径为28～32mm，第五扰流杆的球形凹面半径为32～36mm；

筛管设置在所述第三通道内；

堵头与第六接口连接并形成密封。

2.根据权利要求1所述的适用于不同工况井下作业的高压泡沫发生装置，其特征在于，所述第四接口与所述第五接口通过等径短接连接。

3.根据权利要求1所述的适用于不同工况井下作业的高压泡沫发生装置，其特征在于，所述装置还包括筛管座，筛管座被配置为管柱体，筛管座的一端与第六接口或第四接口连接，另一端与筛管连接；筛管座的一端具有内锥孔，筛管座的另一端具有六方体突起，所述六方体突起上配置有外螺纹。

4.根据权利要求1所述的适用于不同工况井下作业的高压泡沫发生装置，其特征在于，所述筛管具有均匀分布在圆周上的长方孔，所述长方孔的孔眼总面积大于或等于筛管截面积的三倍。

5.根据权利要求1所述的适用于不同工况井下作业的高压泡沫发生装置，其特征在于，所述装置还包括第一变径短接、第二变径短接、第三变径短接以及第四变径短接中的任意一个或多个，第一变径短接与第一接口连接，第二变径短接与第二接口连接，第三变径短接与第三接口连接，第四变径短接与第七接口连接。

6.一种适用于不同工况井下作业的高压泡沫制备方法，其特征在于，使用权利要求1～5中任意一项所述的适用于不同工况井下作业的高压泡沫发生装置，且包括以下步骤：

将泡沫基液从高压液相入口泵入十字四通内部，并在十字四通内部形成螺旋流体；

将高压气体从高压气相入口输入十字四通内部。

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