CN111773989A - 一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备，橇架上设有多个氮气罐、药剂罐和泡沫混浆装置，氮气罐总成和药剂罐分别与泡沫混浆装置进液口连通，泡沫混浆装置用于发生泡沫从出液口排出，泡沫混浆装置上设有基浆进口，基浆进口与水泥基浆罐连通，设备采用井场网电或自身供电系统作动力源，将自动控制系统、氮气添加系统、添加剂供给系统、柴油发电机组和三相流混合功能集成到一台橇上，水泥基浆、高压氮气和液体添加剂经过高管管汇中三相流混合器的作用后形成均匀稳定的泡沫水泥浆并排出，有效减少井场占地面积、降低了作业成本。

Description

一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备

技术领域

本发明涉及石油钻采固井作业设备领域，特别涉及到适用于低密度固井作业的一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备。

背景技术

随着页岩气开发力度的不断增大，当前固井作业呈现水平段、斜井段长的特点，套管偏心、低压易漏失等问题日益突出，对固井施工中的低密度水泥浆提出更高要求。泡沫水泥浆固井技术能够实现了低密度水泥浆制备，改善易漏失地层井漏、减少套管偏心等问题，在国外得到推广应用。

哈里伯顿、BJ等公司的泡沫水泥浆固井系统代表了泡沫固井的先进水平。配套的水泥浆制备体系、计算机控制系统及配套施工工艺，在现场得到了工业应用。国内目前在此方面相对落后，缺少可靠的泡沫混浆设备。

中国专利CN 105626013 A “泡沫剂注入撬装装置”公开了泡沫剂注入撬装装置，包括药剂罐系统以及均和药剂罐系统连接的注入系统和进料泵，所述药剂罐系统包括药剂罐和连接在药剂罐上的加热系统，所述药剂罐、加热系统、注入系统、进料泵同时设置在底座上，形成撬装式设计。所述药剂罐、加热系统、注入系统、进料泵同时被罩在厢体内部，厢体底部与所述底座固定连接，所述厢体上开设有门和窗。结构庞大，占地面积较大，且需要随时加热系统对氮气泡沫调节。

中国专利CN 202441352 U “一种氮气泡沫调驱装置” 公开了一种氮气泡沫调驱装置，包括溶液箱，溶液箱内部设置有用于搅拌发泡剂的搅拌器，溶液箱上设置有进液口和出液口，溶液箱的进液口通过进液管路连接有进液泵，溶液箱的出液口通过主出液管路连接有主计量泵，溶液箱的箱体上固定设置有用于将发泡剂加热的电加热器，箱体上设置电加热器使发泡，发泡剂搅拌混合均匀，然后发泡剂与氮气混合发泡，发泡需要一个庞大的加热结构，使用时先加热后才能发泡，使用较为繁琐。

中国专利CN 109514740 A “一种泡沫水泥浆固井设备及方法” 公开了一种泡沫水泥浆固井设备，包括：直燃式气化器，用于将液氮转换为氮气；发泡液供应装置，于储存和加压发泡液；第一管道，用于接收来自水泥浆源的水泥浆和所述发泡液，从而形成含有发泡液的水泥浆；以及泡沫发生器，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。也是采用直燃的方式加热液氮转换为氮气，需要加热氮气后才能实现发泡作用，结构复杂。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备，该设备采用井场网电或自身供电系统作动力源，将自动控制系统、氮气添加系统、添加剂供给系统、柴油发电机组和三相流混合功能集成到一台橇上，解决进行泡沫固井作业时，泡沫水泥浆密度不稳定、设备占用井场面积大、作业成本高的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备，包括橇架，橇架上设有多个氮气罐、药剂罐和泡沫混浆装置，氮气罐总成和药剂罐分别与泡沫混浆装置进液口连通，泡沫混浆装置用于发生泡沫从出液口排出，泡沫混浆装置上设有基浆进口，基浆进口与水泥基浆罐连通。

优选方案中，多个氮气罐、药剂罐通过高压管汇与泡沫混浆装置连通；

多个氮气罐连接组成的氮气罐总成，氮气罐总成通过氮气管汇与高压管汇连通；

药剂罐出液口与液体添加泵连通，液体添加泵通过液添管汇与高压管汇连通。

优选方案中，氮气管汇上设有氮气调节阀，氮气调节阀为气动或者为电动调节，氮气管汇与高压管汇之间设有第二单向阀。

优选方案中，氮气罐出气端设有气体安全阀，氮气罐上设有温度传感器，所述温度传感器一侧设有压力传感器。

优选方案中，液添管汇与与高压管汇之间设有第一单向阀，液添管汇上设有液体流量计。

优选方案中，泡沫混浆装置为三相流混合器，三相流混合器内部设有搅拌叶片，氮气管汇通过缩口的管道与三相流混合器内部连通，液添管汇与水泥基浆进口通过基浆混合器与三相流混合器内部连通；

水泥基浆通过基浆混合器与药剂罐内部药剂充分混合后，与氮气管汇在缩口的管道内部产生紊流混合，混合液流经三相流混合器内部被进一步剪切、混合，从而形成密度稳定均匀的泡沫水泥浆。

优选方案中，基浆进口通过三通管一端出口与基浆混合器连通，三通管一端出口上设有第一旋塞阀，三通管另一端出口通过第二旋塞阀与出管口连通；

三相流混合器与出管口之间设有第三旋塞阀。

优选方案中，出管口上设有备有出管口，备有出管口上设有第四旋塞阀。

优选方案中，氮气罐总成设在橇架一端，三相流混合器设在氮气罐总成一侧，液体添加泵设在氮气罐总成的一端，液体添加泵一侧设有柴油发电机组，柴油发电机组一端设有外接电缆滚筒，药剂罐设在外接电缆滚筒的一侧，药剂罐下方设有供液泵，供液泵用于与外部药剂桶连通。

优选方案中，所述橇架另一端设有控制箱，控制箱一侧设有配电箱，配电箱与柴油发电机组或/和外接电缆滚筒上的电缆电连接，控制箱与供液泵、液体添加泵、氮气调节阀或者外接电缆滚筒电连接。

本发明提供了一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备，该设备采用井场网电或自身供电系统作动力源，将自动控制系统、氮气添加系统、添加剂供给系统、柴油发电机组和三相流混合功能集成到一台橇上。

本发明的有益效果为：

1、本发明是集三相流连续混合、供输和自动控制等多功能于一体；

2．本发明采用井场网电和自身发电机组供电两套独立供电系统，达到节能减排提升设备可靠性的目的；

3．本发明集供电系统、液添系统、氮气调节系统、三相流混合系统和整机控制系统于一体，大幅缩减作业人员、有效减少井场占地面积、降低了作业成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明俯视结构图；

图2是本发明正面侧视结构图；

图3是本发明反面侧视结构图；

图4是本发明工艺流程结构图；

图5是本发明高压管汇与三相流混合器内部结构图；

图6是本发明三相流混合器内部结构图；

图中：橇架1；氮气罐总成2；液体添加泵3；柴油发电机组4；药剂罐5；外接电缆滚筒6；控制箱7；配电箱8；供液泵9；液添管汇10；液体流量计11；氮气管汇12；高压管汇13；气体安全阀14；温度传感器15；压力传感器16；第一单向阀17；氮气调节阀18；三相流混合器19；水泥基浆进口20；第一旋塞阀21；第二旋塞阀22；第三旋塞阀23；第二单向阀24；第四旋塞阀25；水泥基浆罐26；水泥泵27；基浆混合器28；备有出管口29；出管口30。

具体实施方式

实施例1

如图1~6所示，一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备，包括橇架1，橇架1上设有多个氮气罐、药剂罐5和泡沫混浆装置，氮气罐总成2和药剂罐5分别与泡沫混浆装置进液口连通，泡沫混浆装置用于发生泡沫从出液口排出，泡沫混浆装置上设有基浆进口20，基浆进口20与水泥基浆罐26连通。由此结构，将固态、液态和气态这三种流相介质进行混合，形成密度稳定、混合均匀的泡沫水泥浆，药剂罐5里面的发泡剂与水泥基浆混合后与氮气罐内部的氮气混合，

接着混有氮气的、液体添加发泡剂和水泥基浆的混合液经过泡沫混浆装置混合，从而形成密度稳定均匀的泡沫水泥浆。

优选方案中，多个氮气罐、药剂罐5通过高压管汇13与泡沫混浆装置连通。多个氮气罐连接组成的氮气罐总成2，氮气罐总成2通过氮气管汇12与高压管汇13连通。药剂罐5出液口与液体添加泵3连通，液体添加泵3通过液添管汇10与高压管汇13连通。由此结构，氮气罐总成2的氮气在输送到高压管汇13内部，不需要加热气化，之接将氮气压缩到氮气罐内部，方便使用。药剂罐5方便为高压管汇13内部提供液体添加剂。高压管汇13是用于连接氮气罐总成2、药剂罐5和水泥基浆罐26的作用，高压管汇13再与泡沫混浆装置连通，起到制备泡沫水泥浆的作用。

优选方案中，氮气管汇12上设有氮气调节阀18，氮气调节阀18为气动或者为电动调节，氮气管汇12与高压管汇13之间设有第二单向阀24。由此结构，氮气调节阀18用于调节氮气大小。第二单向阀24，防止高压管汇13中的物质反窜到氮气罐总成2中。

优选方案中，氮气罐出气端设有气体安全阀14，氮气罐上设有温度传感器15，所述温度传感器15一侧设有压力传感器16。由此结构，温度传感器15对氮气罐内部进行温度检测，压力传感器16检测氮气罐内部压力。

优选方案中，液添管汇10与与高压管汇13之间设有第一单向阀17，液添管汇10上设有液体流量计11。由此结构，第一单向阀17起到防止高压管汇13中的物质反窜到液体添加泵3中，液体流量计11起到计量作用。

优选方案中，泡沫混浆装置为三相流混合器19，三相流混合器19内部设有搅拌叶片，氮气管汇12通过缩口的管道与三相流混合器19内部连通，液添管汇10与水泥基浆进口20通过基浆混合器28与三相流混合器19内部连通，水泥基浆通过基浆混合器28与药剂罐5内部药剂充分混合后，与氮气管汇12在缩口的管道内部产生紊流混合，混合液流经三相流混合器19内部被进一步剪切、混合，从而形成密度稳定均匀的泡沫水泥浆。由此结构，氮气管汇12安装在氮气罐总成2和高压管汇13之间，将经过氮气罐总成2稳压后的高压氮气加注至高压管汇13中，并在三相流混合器19中进行混合。

液添管汇10安装在供液泵9和高压管汇13之间，将经过液添泵3加压后的药剂加注至高压管汇13中，并在三相流混合器19中进行混合。

水泥基浆、高压氮气和液体添加剂经过高管管汇13中在三相流混合器19的作用后形成均匀稳定的泡沫水泥浆并排出，混配过程中控制系统对氮气调节阀18和液添泵3进行实时调节。

优选方案中，基浆进口20通过三通管一端出口与基浆混合器28连通，三通管一端出口上设有第一旋塞阀21，三通管另一端出口通过第二旋塞阀22与出管口30连通，三相流混合器19与出管口30之间设有第三旋塞阀23。由此结构，通过不同旋塞阀可实现水泥基浆流经三相流混合器19中进行泡沫水泥浆的混配并排出，或者水泥基浆不经过三相流混合器19直接排出。

优选方案中，出管口30上设有备有出管口29，备有出管口29上设有第四旋塞阀25。由此结构，备有出管口29起到备用作用。

优选方案中，氮气罐总成2设在橇架1一端，三相流混合器19设在氮气罐总成2一侧，液体添加泵3设在氮气罐总成2的一端，液体添加泵3一侧设有柴油发电机组4，柴油发电机组4一端设有外接电缆滚筒6，药剂罐5设在外接电缆滚筒6的一侧，药剂罐5下方设有供液泵9，供液泵9用于与外部药剂桶连通。由此结构，集供电系统、液添系统、氮气调节系统、三相流混合系统和整机控制系统于一体，大幅缩减作业人员、有效减少井场占地面积、降低了作业成本。

优选方案中，所述橇架1另一端设有控制箱7，控制箱7一侧设有配电箱8，配电箱8与柴油发电机组4或/和外接电缆滚筒6上的电缆电连接，控制箱7与供液泵9、液体添加泵3、氮气调节阀18或者外接电缆滚筒6电连接。由此结构，控制箱7对液体添加泵3的电机的转速、氮气调节阀18的开度、供液泵9启停以及电缆滚筒6的起停、正反转进行控制，同时具备作业参数显示功能、异常状况报警功能和作业数据存储功能。

实施例2

结合实施例1进一步说明，如图1~6所示，如附图1所示，一种泡沫混浆设备包括：橇架1以及安装在橇架1上的氮气罐总成2、液体添加泵3、柴油发电机组4、药剂罐5、外接电缆滚动6、控制箱7、配电箱8、供液泵9、液添管汇10、液体流量计11、氮气管汇12和高压管汇13。氮气罐总成2安装在橇架1尾部一侧，高压氮气在氮气罐总成2中稳压，使氮气压力稳定；液体添加泵3安装在橇架1中部一侧，液体添加剂经过液体添加泵3后被加压；柴油发电机组4安装在橇架1中部另外一侧，柴油发电机组4可为整机工作提供电能；药剂罐5安装在橇架1的中前部，药剂罐5用于存放药剂，药剂罐5的排出口与液体添加泵3的吸入口相连；外接电缆滚动6安装在药剂罐5右侧，电缆滚动6用于收放外接电缆线，为整机导入外部电能；控制箱7安装在橇架1的前部，控制箱7对整机进行控制；配电箱8安装在控制箱7的右侧，配电箱8为整机不同部件进行对应配电；供液泵9安装在药剂罐5的下方，用于将外部药剂添加至药剂罐5中。

液添管汇10安装在供液泵9和高压管汇13之间，将经过液添泵3加压后的药剂加注至高压管汇13中，并在三相流混合器19中进行混合。

氮气管汇12安装在氮气罐总成2和高压管汇13之间，将经过氮气罐总成2稳压后的高压氮气加注至高压管汇13中，并在三相流混合器19中进行混合。

两个高压单向阀和一套三相流混合器19和一些高压高压管件和旋塞阀，两个单向阀17分别安装在氮气管汇12与高压管汇13连接处和液添管汇10与高压管汇13连接处，防止高压管汇13中的物质反窜到氮气罐总成2和液体添加泵3中。通过开关高压管汇13中的不同旋塞阀可实现水泥基浆流经三相流混合器19中进行泡沫水泥浆的混配并排出，或者水泥基浆不经过三相流混合器19直接排出。

控制系统7对液体添泵3的电机的转速、氮气调节阀18的开度、供液泵9启停以及电缆滚筒6的起停、正反转进行控制，同时具备作业参数显示功能、异常状况报警功能和作业数据存储功能。

整机具体工作流程如下：

柴油发电机组4发电或外接电缆滚动6将外部电源接入为整机工作提供电能。

通过控制系统7的集中控制，供液泵9将外部药剂加注到药剂罐5，液体添泵3以某一设定排量将药剂罐5中的液体添加剂通过液添管汇10注入高压管汇13中；

控制系统7根据需求调解氮气管汇12上调节阀18开度从而将经过氮气罐总成2稳压后的高压氮气按需通过氮气管汇12加注至高压管汇13中。

水泥基浆、高压氮气和液体添加剂经过高管管汇13中三相流混合器19的作用后形成均匀稳定的泡沫水泥浆并排出，混配过程中控制系统对氮气调节阀18和液添泵3进行实时调节。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备，其特征是：包括橇架（1），橇架（1）上设有多个氮气罐、药剂罐（5）和泡沫混浆装置，氮气罐总成（2）和药剂罐（5）分别与泡沫混浆装置进液口连通，泡沫混浆装置用于发生泡沫水泥浆从出液口排出，泡沫混浆装置上设有基浆进口（20），基浆进口（20）与水泥基浆罐（26）连通。

2.根据权利要求1所述一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备，其特征是：多个氮气罐、药剂罐（5）通过高压管汇（13）与泡沫混浆装置连通；

多个氮气罐连接组成的氮气罐总成（2），氮气罐总成（2）通过氮气管汇（12）与高压管汇（13）连通；

药剂罐（5）出液口与液体添加泵（3）连通，液体添加泵（3）通过液添管汇（10）与高压管汇（13）连通。

3.根据权利要求2所述一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备，其特征是：氮气管汇（12）上设有氮气调节阀（18），氮气调节阀（18）为气动或者为电动调节，氮气管汇（12）与高压管汇（13）之间设有第二单向阀（24）。

4.根据权利要求2所述一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备，其特征是：氮气罐出气端设有气体安全阀（14），氮气罐上设有温度传感器（15），所述温度传感器（15）一侧设有压力传感器（16）。

5.根据权利要求2所述一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备，其特征是：液添管汇（10）与与高压管汇（13）之间设有第一单向阀（17），液添管汇（10）上设有液体流量计（11）。

6.根据权利要求2所述一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备，其特征是：泡沫混浆装置为三相流混合器（19），三相流混合器（19）内部设有搅拌叶片，氮气管汇（12）通过缩口的管道与三相流混合器（19）内部连通，液添管汇（10）与水泥基浆进口（20）通过基浆混合器（28）与三相流混合器（19）内部连通；

水泥基浆通过基浆混合器（28）与药剂罐（5）内部药剂充分混合后，与氮气管汇（12）在缩口的管道内部产生紊流混合，混合液流经三相流混合器（19）内部被进一步剪切、混合，从而形成密度稳定均匀的泡沫水泥浆。

7.根据权利要求6所述一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备，其特征是：基浆进口（20）通过三通管一端出口与基浆混合器（28）连通，三通管一端出口上设有第一旋塞阀（21），三通管另一端出口通过第二旋塞阀（22）与出管口（30）连通；

三相流混合器（19）与出管口（30）之间设有第三旋塞阀（23）。

8.根据权利要求7所述一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备，其特征是：出管口（30）上设有备有出管口（29），备有出管口（29）上设有第四旋塞阀（25）。

9.根据权利要求2所述一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备，其特征是：氮气罐总成（2）设在橇架（1）一端，三相流混合器（19）设在氮气罐总成（2）一侧，液体添加泵（3）设在氮气罐总成（2）的一端，液体添加泵（3）一侧设有柴油发电机组（4），柴油发电机组（4）一端设有外接电缆滚筒（6），药剂罐（5）设在外接电缆滚筒（6）的一侧，药剂罐（5）下方设有供液泵（9），供液泵（9）用于与外部药剂桶连通。

10.根据权利要求9所述一种石油钻采固井作业的泡沫混浆设备，其特征是：所述橇架（1）另一端设有控制箱（7），控制箱（7）一侧设有配电箱（8），配电箱（8）与柴油发电机组（4）或/和外接电缆滚筒（6）上的电缆电连接，控制箱（7）与供液泵（9）、液体添加泵（3）、氮气调节阀（18）或者外接电缆滚筒（6）电连接。

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