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CN109514739A - 一种泡沫水泥浆固井设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泡沫水泥浆固井设备及方法。该设备包括液氮气化处理装置、泡沫发生器和发泡液存储器。其中液氮气化处理装置包括空温式气化器和加热器，该空温式气化器将加压后的液氮转换为氮气。当空温式气化器输出的氮气温度过低时，加热器启动并将高压氮气加热到一定温度后将其送至泡沫发生器内。发泡液存储于发泡液存储器内并经柱塞泵加压后送至泡沫发生器内。在泡沫发生器内，氮气、发泡液和水泥浆在高压状态下完成混合形成泡沫水泥浆。另外，本设备还包括传感器和控制器，通过控制器显示和控制各流体流量和密度等参数。本发明还提供了一种根据本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。本发明还涉及到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。
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。
根据本发明的第一方面，提供了一种泡沫水泥浆固井设备，包括：
发泡液存储器；
第一管道，用于接收来自水泥浆源的水泥浆，其中，所述发泡液存储器通过第二管道与所述第一管道连接，从而形成含有发泡液的水泥浆；
液氮气化处理装置，其用于接收来自液氮源的液氮，并将液氮转化为氮气；
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，所述液氮气化处理装置包括与所述液氮源相连的空温式气化器。
在一个实施例中，所述氮气供应装置还包括与所述空温式气化器相连的加热器，用于将来自所述空温式气化器的氮气加热到设定的温度并输出给所述泡沫发生器。
在一个实施例中，所述空温式气化器通过第一柱塞泵与所述液氮源相连。
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，其特征在于，所述发泡液存储器的底端连接有第二柱塞泵，所述第二柱塞泵与所述第二管道相连。
在一个实施例中，所述泡沫水泥浆固井设备还包括传感器，所述传感器采集关于氮气、发泡液和水泥浆的数据。
在一个实施例中，其特征在于，所述泡沫水泥浆固井设备还包括控制器，所述控制器根据所述传感器所提供的数据来控制液氮和/或发泡液的供应。
根据本发明的第二方面，提供了一种泡沫水泥浆固井方法，包括以下步骤：
所述的泡沫水泥浆固井设备与水泥泵车和液氮源相连；
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；
通过所述的水泥泵车、发泡液存储器和液氮气化处理装置分别供应水泥浆、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和/或发泡液排量，以便调节所述泡沫水泥浆的密度。
在一个实施例中，利用第一柱塞泵来控制氮气排量和/或利用第二柱塞泵来控制发泡液排量。
根据本发明的所述泡沫水泥浆固井设备通过所述发泡液存储器和所述的柱塞泵将发泡液加压后送至所述的第一管道，与水泥浆混配后形成含有发泡液的水泥浆。含有发泡液的水泥浆通过所述的第一管道进入所述的泡沫发生器内。之后，再将经液氮气化处理装置输出的高压氮气送入到所述的泡沫发生器内与含发泡液的水泥浆混配，从而完成并输出泡沫水泥浆。所述液氮气化处理装置还包括空温式气化器，通过所述空温式气化器将液氮转换为氮气。
其中，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而直接形成泡沫水泥浆，并经所述输出管道输出。
进一步，所述液氮气化处理装置包含低温液氮泵、空温式气化器和加热器。通过高低压管道将所述低温液氮泵与空温式气化器和加热器相连接。
低温液氮通过低压管道进入所述液氮泵增压后进入空温式气化器进行气化，并辅助地设有一加热器。当气化氮气温度低于0℃，启用所述加热器将氮气加热至常温后，将氮气送入所述泡沫发生器内。所述空温式气化器采用内翅片结构，利用空气自然对流产生热交换，将液氮转换为低温气体，实现无能耗、无污染、高效、轻量化设计。
经空温式气化器气化的氮气通过所述加热器时，当传感器检测到所述氮气温度低于0℃，所述加热器启动，通过加热所述加热器筒体内的水加热紧凑式换热管内的低温氮气。可将所述加热器的出口温度设定为常温，以保证最终输出氮气的温度处于可接受的范围内，进一步保证氮气与含有发泡液的水泥浆的有效混合。
在所述发泡液存储器内，将一定剂量的发泡剂、稳泡剂和水配制成发泡液。所述泡沫箱内部设有加热器，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输出的发泡液温度在一定范围内。
所述泡沫箱底部与柱塞泵吸入口通过管道相连接。所述发泡液经所述柱塞泵加压后送至所述泡沫发生器的一输入管道内，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。所述含有发泡液的水泥浆再输入至所述泡沫发生器内的混合腔内。在所述输入管道内发泡液与水泥浆的预配好中，发泡液与水泥浆均为加压状态，混合效果好，且可以杜绝空气中的成分干扰，利于监测。
此外，所述设备还包括控制器、传感器、发电机、高低压管道组。
进一步地，所述低温液氮泵、空温式气化器、加热器、泡沫发生器、发泡液存储器、柱塞泵均通过管道相连接。
在各管道内设有传感器，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，并通过所述控制器进行显示和控制，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和/或发泡液的排量大小来实现对输出的泡沫水泥浆密度大小的控制。
进一步地，所述发电机与所述控制器、所述低温液氮泵、所述柱塞泵进行线路连接，并为其提供动力。
此外，所述设备还可包括一固井撬底座。所述液氮气化处理装置、发泡液处理装置、泡沫发生器、发电机、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密度控制在0.8至1.6g/cm3之间，泡沫水泥浆排量控制在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：利用空气自然对流加热换热管中的低温液氮，无污染、无能耗、绿色环保；在液氮加热过程中不产生明火，符合天然气井现场安全规定，降低了安全隐患和极大幅度地节约了设备投入和作业成本；水泥浆、发泡液、氮气均在密闭高压环境下混合，混合程度高，密度控制简单，利于监测和控制。
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，控制器1，发电机2，低温液氮泵3，空温式气化器4，加热器5，泡沫发生器6，发泡液存储器7，柱塞泵8，高低压管道组9，数据采集传感器10，固井撬底座11，接口端61，接口端62，接口端63，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。
如图1所示，本实施中的设备100包括固井撬底座11，在固井撬底座11上安装有低温液氮泵3、空温式气化器4、加热器5。通过低温液氮泵3、空温式气化器4和加热器5完成对低温液氮的加压和气化。
其中，低温液氮泵3的入口端通过设备100的输入端接口101与外部液氮源(未示出)通过管道连接，其出口端与空温式气化器4的入口端通过管道连接，空温式气化器4的出口端与加热器5的入口端进行管道连接。
来自外部液氮源的低温液氮经低温液氮泵3增压后，进入空温式气化器4内完成气化。若气化后氮气温度低于0℃，则加热器5启动，以保证输出氮气的温度处于可接受的范围内。经加热器5加热后的高压氮气通过输入管道91进入泡沫发生器6内，以进行下一步作业。
在一个实施例中，低温液氮泵3为可变频调速的电控式柱塞泵。优选的液泵为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。
空温式气化器4是一种通过空气自然对流来加热低温液体并使其蒸发为气体的高效节能的换热设备。空温式气化器4可以采用专用铝材换热，以实现高效、轻量化设计。优选地，可以使用特莱姆公司的某一型号空温式气化器，其耐压可达到35Mpa、气量化为3600m3/min。这种空温式气化器采用Φ200mm超大直径专用铝制换热管，化霜速度快，且换热管采用内翅片结构，提高了换热管的换热效率。选用空温式气化器的主要优点在于其绿色环保，能耗低、安装维修简便、使用寿命长。
在一个实施例中，加热器5为一种高效率的电加热器，其采用水温控制系统，通过加热筒体内的水来加热紧凑式换热管内的低温流体。在本实施例中，当氮气温度低于0℃，加热器5启动，将低温氮气加热至常温后输出。由于输出的常规水泥浆为常温状态，因此将高压氮气加热至常温状态，可利于高压氮气和水泥浆的混合。
另外，根据本发明，在固井撬底座11上还安装有发泡液存储器7和柱塞泵8。
发泡液存储器7用于配制和储存发泡液，其底部通过管道94与柱塞泵8的吸入口相连接。柱塞泵8的输出口通过管道95与输入管道92相连接。柱塞泵8用于将发泡液加压并送至输入管道92内。
在发泡液存储器7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7的内部设有加热器，外部设有保温层，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。配制好后的发泡液通过管道94输送至柱塞泵8内，并经柱塞泵8加压后通过管道95输送至输入管道92内。
输入管道92的输入端接口102可与外部水泥泵车(未示出)相连接，水泥泵车输出水泥浆至输入管道92内。由于与柱塞泵8相连的管道95也与输入管道92相连接，因此在输入管道92内水泥浆与发泡液完成预配合，形成含有发泡液的水泥浆。
优选地，柱塞泵8优选为一可变频调速的电控柱塞泵，最高压力为35Mpa，排量为0-50L/min。
如图1所示，在固井撬底座11上还安装有泡沫发生器6。泡沫发生器6的接口端61、接口端62、接口端63分别与输入管道91、输入管道92和输出管道93相连接。
根据本发明，泡沫发生器6为螺旋式泡沫发生装置，用于配制泡沫水泥浆。含有发泡液的水泥浆与高压氮气分别通过输入管道92和输入管道91喷射进入泡沫发生器6的混合腔内，并且在泡沫发生器6的混合腔内的螺旋组块的扰动和撞击作用下，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)，以用于固井作业。其中，输出管道93通过输出端接口103与外部水泥头相连。所述螺旋组块通过电控方式控制。
如上所述，发泡液和水泥浆在进入泡沫发生器6内之前在管道内完成预配合。这种设计的优点是可以节省空间，简化泡沫发生器6的结构，且利于后续泡沫水泥浆的混合效果。另外，在泡沫发生器6内输入一定比例的氮气之前，应先输入一定比例的含有发泡液的水泥浆。
需要指出的是，发泡液和水泥浆也可以通过各自的管道直接进入到泡沫发生器6内完。在这种情况下，发泡液、水泥浆和氮气同时排入到泡沫发生器6的混合腔内进行混合，但泡沫水泥浆的混合效果不如前者。
在本实施例中，用于连接各部件的管道统称为高低压管道组9。高低压管道组9为根据各流体介质特性和工作压力，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。在本实施例中，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。
根据本发明，设备100还包括控制器1，发电机2以及传感器10。控制器1、发电机2均安装在固井撬底座11上，以方便安装及运输，实现紧凑型设计。
在一个实施例中，传感器10包括压力计、涡流流量计、氮气质量流量计、温度计。它们分别设置在相应的管道内，用于采集氮气、发泡液、水泥浆等动态信号。控制器1，设计为一体机形式，全程触屏操作，用于显示氮气、发泡液、水泥浆的流量、密度等参数信息，并通过调控高压氮气和/或发泡液的排量来实现对泡沫水泥浆密度的控制。
为适应油田作业，本实施例中发电机2选用防爆发电机，分别为控制器1、低温液氮泵3和柱塞泵8提供动力。在一个实施例中，发电机2的功率为100-150KW。
在一个实施例中，设备100可耐压25Mpa,通过本设备100可将泡沫水泥浆密度控制在0.8-1.6g/cm3之间，并且泡沫水泥浆排量达到0.3-1.8m3/min。
下面介绍根据本发明的泡沫水泥浆设备100的操作方法。
首先进行设备连接。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。
然后进行设备启动。在试压完成后，启动发电机2，待控制器1自检完毕后，对低温液氮泵3进行冷泵，以防止液氮在低温液氮泵3内气化。
之后进行注泡沫水泥浆作业。首先通过水泥泵车向管道内输送水泥浆，然后启动柱塞泵8在管道内输送一定比例发泡液，再启动低温液氮泵3，向泡沫发生器6内输送一定比例氮气。当氮气温度过低时，启动加热器5，对低温氮气进行加热。
在操作期间可进行远程泡沫水泥浆密度控制，其中通过控制器1来控制发泡液与氮气输送的操作。根据水泥浆的排量，通过发泡液和/或氮气排量控制泡沫水泥浆密度。在控制器1上发出指令，通过调整低温液氮泵3和/或柱塞泵8的转速，增加或降低氮气和/或发泡液的排量，实现泡沫水泥浆密度的降低与增加。
在注泡沫水泥浆作业完成后，依次停止低温液氮泵3、柱塞泵8，并关闭氮气管道阀门，打开气体排空阀，排空氮气，关闭控制器1与发电机2。
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 (10)

1.一种泡沫水泥浆固井设备，包括：
发泡液存储器；
第一管道，用于接收来自水泥浆源的水泥浆，其中，所述发泡液存储器通过第二管道与所述第一管道连接，从而形成含有发泡液的水泥浆；
液氮气化处理装置，其用于接收来自液氮源的液氮，并将液氮转化为氮气；
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，所述液氮气化处理装置包括与所述液氮源相连的空温式气化器。
3.根据权利要求2所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述氮气供应装置还包括与所述空温式气化器相连的加热器，用于将来自所述空温式气化器的氮气加热到设定的温度并输出给所述泡沫发生器。
4.根据权利要求2或3所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述空温式气化器通过第一柱塞泵与所述液氮源相连。
5.根据权利要求1到4中任一项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。
6.根据权利要求5所述的泡沫水泥浆固井设备，其特征在于，所述发泡液存储器的底端连接有第二柱塞泵，所述第二柱塞泵与所述第二管道相连。
7.根据权利要求1到6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。
8.根据权利要求7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控制器，所述控制器根据所述传感器所提供的数据来控制液氮和/或发泡液的供应。
9.一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8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、发泡液存储器和液氮气化处理装置分别供应水泥浆、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和/或发泡液排量，以便调节所述泡沫水泥浆的密度。
10.根据权利要求9所述的泡沫水泥浆固井方法，其特征在于，利用第一柱塞泵来控制氮气排量，和/或利用第二柱塞泵来控制发泡液排量。
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