DE60204394T2

DE60204394T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Aufschäumen

Info

Publication number: DE60204394T2
Application number: DE60204394T
Authority: DE
Inventors: Steven R. Grundmann; Kenneth G. Neal
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2002-08-15
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2022-08-16
Also published as: CA2396522A1; NO20023843D0; US20030045588A1; US6602916B2; NO20023843L; EP1284156B1; DE60204394D1; EP1284156A2; EP1284156A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät und eine Methode für das Aufschäumen einer Flüssigkeits-/Gasmischung.
Aufgeschäumte Flüssigkeiten sind für viele Anwendungen oft wünschenswert, wie zum Beispiel während des Förderns von Öl, Gas, oder geothermischen Flüssigkeiten aus der Erde. So wird zum Beispiel oft ein aufgeschäumter Zementschlamm in den Ringraum zwischen der Außenfläche einer Verrohrung und der Innenfläche eines Bohrlochs eingeführt, um die Verrohrung innerhalb desselben Bohrlochs festzustellen. Der Schaum wird normalerweise durch Mischen eines Gases wie zum Beispiel Stickstoff mit dem Zementschlamm auf eine solche Art und Weise produziert, dass ein Schaum geformt wird, wonach die Mischung dann in das Bohrloch eingeführt wird.
Bei diesen Anordnungen ist es wünschenswert, durch das Auferlegen einer relativ hohen Scherkraft auf die Flüssigkeits-/Gasmischung einen feinen strukturierten Schaum zu erzeugen. Während des Zementierens von relativ seichten Bohrlöchern ist der endgültige Druck des Zementschlamms jedoch relativ niedrig, und die Masse des für das Aufleichtern des Zements erforderlichen Gases ist daher auch relativ gering, so dass die für das Erzeugen der hohen Abscherkraft erhältliche Energie reduziert wird. Einige frühere Versuche, aufgeschäumte Zementschlamme zu formen, schliessen außerdem das Entladen eines Gases wie zum Beispiel Stickstoff, mit einer besonders hohen Geschwindigkeit in ein T-Stück hinein ein, in welches Zement entlang eines Fließpfades eingeführt wird, welcher sich neunzig Grad im Verhältnis zu dem Fließpfad des Stickstoffs erstreckt. Der Stickstoff muß jedoch mit einer besonders hohen Geschwindigkeit in den Zementschlamm entladen werden, um ausreichend große Abscherkräfte für das Produzieren eines fein strukturierten Schaums erzeugen zu können, was es wiederum schwierig gestaltet, die Richtung der resultierenden Stickstoff-/Zementschlammmischung zu kontrollieren. Das Produzieren des unter hohem Druck stehenden Gases fordert spezielle und kostspielige Pumpausrüstungen, welche normalerweise während eines Zementierverfahrens nicht angewendet werden. US-A-5556200 offenbart ein Gerät für das Mischen von zwei Flüssigkeiten mittels eines keilförmigen Durchflußeinschränkers.
Wir haben nun eine einfache Methode und ein Gerät für das Aufschäumen von Flüssigkeits-/Gasmischungen erstellt.
Gemäß eines Aspektes bietet die vorliegende Erfindung ein Gerät für das Aufschäumen einer Flüssigkeits-/Gasmischung, wobei dasselbe Gerät einen Behälter mit einem Einlaß für das Empfangen einer Flüssigkeits-/Gasmischung umfasst, und einen Auslaß für das Auslassen der Mischung, und einen Durchgang, welcher sich von dem Einlaß durch den Behälter hindurch bis an den Auslaß erstreckt; und einen Durchflußeinschränker, welcher innerhalb des Durchgangs positioniert ist, für das Einschränken des Flusses durch den Durchgang und das Steigern der Geschwindigkeit der Mischung sowohl wie von korrespondierenden Abscherkräften auf die Mischung, um eine Turbulenz zu erzeugen und in der Mischung Schaum zu formen, wobei der Durchflußeinschränker in den Durchgang bewegt werden kann, um den Umfang der Einschränkung zu variieren. Der Durchflußeinschränker besteht aus einer Spule, welche einen kegelstumpfen Abschnitt mit einem Ende umfasst, welches in ein Ende des Behälters eingreift, um die Bewegung der Spule in eine Richtung einzuschränken, und einen anderen Endabschnitt, welcher in das andere Ende des Behälters eingreift, um die Bewegung der Spule in die andere Richtung einzuschränken.
Gemäß eines weiteren Aspektes bietet die Erfindung eine Methode für das Aufschäumen einer Mischung von Gas und Flüssigkeit, welche das Einführen der genannten Mischung in einen Behälter umfasst, wobei dieselbe Mischung durch einen Durchgang in den Behälter gelangt; das Einschränken des Flusses der Mischung durch den Behälter, für das Formen von Schaum mittels einer Spule, welche in dem Durchgang positioniert ist, wobei die Spule in dem Durchgang bewegt werden kann, um den Umfang der Einschränkung zu variieren, und wobei die Spule einen kegelstumpfen Abschnitt mit einem Ende umfasst, welches in ein Ende des Behälters eingreift, um die Bewegung der Spule in eine Richtung einzuschränken, und einen anderen Endabschnitt, welcher in das andere Ende des Behälters eingreift, um die Bewegung der Spule in die andere Richtung einzuschränken; und das Auslassen des Schaums aus dem Behälter.
Zur besseren Veranschaulichung der Erfindung beziehen wir uns nun auf die beiliegenden Zeichnungen, wobei:
1 eine axiale Querschnittsansicht einer Ausführungsform des Geräts für das Aufschäumen einer Flüssigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 eine Ansicht darstellt, welcher der von 1 ähnlich ist, welche das Gerät jedoch in einem anderen Betriebsmodus darstellt.
Unter Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen bezieht sich die Referenznummer 10 hier allgemein auf ein Gerät für das Aufschäumen einer Flüssigkeit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Als ein Beispiel soll diese Flüssigkeit hier als ein Zementschlamm des Typs beschrieben werden, welcher normalerweise während des Förderns von Öl, Gas, oder geothermischen Flüssigkeiten aus der Erde angewendet wird. Das Gerät 10 umfasst einen gestreckten Druckbehälter 12 mit einem kreisrunden Querschnitt, und umfasst weiter jeweils zwei Endwände 12a und 12b, einen sich radial erstreckenden Einlaß 14 in der Nähe der Wand 12a, und einen sich radial erstreckenden Auslaß 16 in der Nähe der Wand 12b. Der Rest der Wand des Behälters 12 umfasst einen kegelstumpfen Abschnitt 12c, welcher sich zwischen dem Einlaß 12 und dem Auslaß 16 erstreckt.
Ein Durchflußeinschränker in der Form einer Spule ist in dem Behälter 12 positioniert, wobei dessen Längsachse die Längsachse des Behälters überliegt. Die Spule 20 besteht aus einer kegelstumpfen Basis 22 und einem zylindrischen Stamm 24, welcher sich von dem kleineren Ende der Basis erstreckt. Die Basis 22 erstreckt sich innerhalb des Behälters 12, und der Stamm 24 umfasst einen Abschnitt, welcher sich in den Behälter hinein erstreckt, und einen Abschnitt, welcher durch eine Öffnung hindurch hervorsteht, welche sich durch die Endwand 12a des Behälters hindurch erstreckt. Vorzugsweise ist der Stamm 24 integral mit der Basis 22 geformt.
Eine Stange, oder Schaft 26, erstreckt sich durch eine Öffnung in der Endwand 12b des Behälters 12 und ist an einem Ende mit dem größeren Ende der Basis 22 verbunden. Ein Fachmann wird erkennen, dass das andere Ende der Stange 26 mit einem Gerät für das Auferlegen eines konstanten Drucks auf die Stange 26 in einer axialen Richtung verbunden ist, wobei dieselbe Kraft in eine Richtung auf die Spule 20 übertragen wird, welche mittels des Pfeils dargestellt ist. Ein nicht einschränkendes Beispiel dieses druckauferlegenden Geräts ist ein pneumatischer oder hydraulischer Zylinder, welcher hier nicht dargestellt ist, da er dem Fachmann auf diesem Gebiet ausreichend bekannt ist. Das druckauferlegende Gerät könnte auch an dem Stamm 24 an dem anderen Ende des Behälters 12 befestigt werden.
Ein ringförmiger Durchgang 30 ist zwischen der Außenfläche der Spule 20 und der korrespondierenden Innenfläche des Behälters geformt, wobei derselbe Durchgang einen eingeschränkten Fließpfad für eine Flüssigkeit formt, welche wie weiter unten noch eingehender beschrieben wird in den Einlaß 14 eingeführt wird.
Dank der kegelstumpfen Form der Basis 22 der Spule 20 und der Wand 12c des Behälters 12 kann der Querschnittsbereich des ringförmigen Durchgangs 30 durch eine axiale Bewegung der Spule 20 innerhalb des Behälters variiert werden. Insbesondere in der in 1 dargestellten Position ist der größere Durchmesserabschnitt der Basis 22 der Spule 20 axial auf den größeren Durchmesserabschnitt der Wand 12c des Behälters 12 ausgerichtet, und die Größe des eingeschränkten Fließpfades entspricht nun der Maximalgröße. Wenn die Spule 20 in eine wie auf den Zeichnungen aufgeführte Richtung von links nach rechts auf die in 2 dargestellte Position bewegt wird, wird der axiale Durchmesserabschnitt der Basis 22 axial auf den kleineren Durchmesserabschnitt der Wand 12c ausgerichtet. Die Größe des ringförmigen Durchgangs 30 wird so im Vergleich mit der in 1 dargestellten Position reduziert. Der genaue Standort der Spule 20 innerhalb des Behälters 12 ist natürlich zwischen den zwei in 1 und 2 dargestellten Positionen variabel, um auf diese Weise den Bereich des Durchgangs 30, welcher den eingeschränkten Fließpfad formt, variieren zu können.
2 zeigt den relativ kleinen Durchmesserabschnitt der Basis 22 der Spule 20, welcher hier gegen die Innenfläche der Endwand 12a anliegt und die oben identifizierte Öffnung definiert, welche damit die axiale Bewegung der Spule in die auf den Zeichnungen dargestellte Richtung von links nach rechts einschränkt. Auf eine ähnliche Art und Weise wird eine Bewegung der Spule 20 in die auf den Zeichnungen dargestellte Richtung von rechts nach links gestoppt, wenn das große Ende der Basis 22 in die Innenfläche der Wand 12b eingreift.
Während des Betriebs ist die Spule 20 in einer vorbestimmten axialen Position innerhalb des Behälters 12 positioniert, und eine konstante Kraft wird derselben Spule auferlegt, um dieselbe in dieser Position zu halten. Eine Mischung einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel ein Zementschlamm, und ein Gas, wie zum Beispiel Stickstoff, werden in einer radialen Richtung relativ zu dem Behälter 12 unter einer vorbestimmten Geschwindigkeit in den Einlaß 14 eingeführt. Die in den Behälter 12 einfließende Mischung trifft auf den eingeschränkten Fließpfad, welcher von dem ringförmigen Durchgang 30 geformt wird, und welcher die Geschwindigkeit der Mischung wesentlich einschränkt und korrespondierende Scherkräfte innerhalb der Mischung erzeugt, wobei die resultierende Turbulenz einen Schaum innerhalb der Flüssigkeit und der gasförmigen Komponenten erzeugt. Die aufgeschäumte Mischung wird dann durch den Auslaß 15 aus dem Behälter 12 herausgelassen, und kann dann in Verbindung mit den weiter oben beschriebenen Wiederherstellungsverfahren in ein Bohrloch oder ähnliches eingeführt werden. Die Größe des von dem Durchgang 30 geformten eingeschränkten Fließpfades, und daher der Grad der Aufschäumung, kann natürlich durch das Bewegen der Spule 20 axial und relativ zu dem Behälter 12 auf die weiter oben beschriebene Weise variiert werden.
Dank der konstanten, wie oben beschrieben auf die Spule 20 auferlegte Kraft ist auch der Druckabfall über dem Einlaß 14 des Behälters 12 bis zum Auslaß 16 über eine Reihe von Fließraten der Mischung durch den Behälter hinweg im Wesentlichen konstant. Da ein Abschnitt des Stamms 24 sich aus dem Behälter heraus erstreckt ist dieser Druckabfall unabhängig von dem Auslaßdruck.
Auf diese Weise bieten das vorliegende Gerät und die Methode mehrere Vorteile. Die für das Erzeugen der Scherkräfte und der feinen Struktur des Schaums erhältliche Energie ist zum Beispiel relativ groß. Auch braucht der Gasanteil der Gas-/Zementschlammmischung nicht unter einem im Vergleich mit der Flüssigkeitskomponente der Mischung relativ hohen Druck zu stehen, was wiederum ein einfaches Kontrollieren der Richtung ermöglicht, in welcher die Mischung den Behälter 12 durch den Auslaß 16 verläßt.
Es sollte dabei beachtet werden, dass Variationen der oben aufgeführten Ausführungsformen möglich sind, ohne von den Prinzipen der Erfindung abzuweichen. So kann zum Beispiel auch ein anderen Gas als Stickstoff mit dem Zement gemischt werden, und andere Flüssigkeit als Zement innerhalb des Umfangs der Erfindung angewendet werden. Auch sollen die oben verwendeten Bezeichnungen „Zement" und „Zementschlamm" Mischungen von Zement, Wasser und/oder andere Additive, welche herkömmlichen Bohrlochtechnologien entsprechen, einschliessen. Außerdem kann die spezifische Form des Behälters 12 und der Spule 20 variiert werden, solange der Querschnittsbereich des Fließdurchgangs, und damit die Einschränkung, variiert werden kann. So kann der Behälter 12 zum Beispiel entlang seiner Achse einen gleichmäßigen Querschnitt aufweisen, und die Spule 20 kann einen variablen Querschnitt aufweisen, oder umgekehrt; und es können in der Tat auch andere variable Drosselvorrichtungen angewendet werden.

Claims

Gerät (10) für das Aufschäumen einer Flüssigkeits-/Gasmischung, wobei dasselbe Gerät einen Behälter (12) mit einem Einlaß (14) umfasst, für das Empfangen einer Flüssigkeits-/Gasmischung, einen Auslaß (16), für das Auslassen der Mischung, und einen Durchgang (30), welcher sich von dem Einlaß (14) durch den Behälter (12) bis an den Auslaß (10) erstreckt, und eine Spule (22), welche in dem Durchgang (30) positioniert ist, für das Einschränken des Flusses der Mischung durch den Durchgang (30), und das Steigern der Geschwindigkeit der Mischung, und das Auferlegen von korrespondierenden Scherkräften auf die Mischung, um eine Turbulenz zu erzeugen und Schaum in der Mischung zu formen, wobei die Spule (22) in dem Durchgang (30) bewegt werden kann, um den Umfang der Einschränkung zu variieren, und wobei die Spule (22) einen kegelstumpfen Abschnitt umfasst, dessen eines Ende in ein Ende des Behälters (12) eingreift, um die Bewegung der Spule (22) in eine Richtung einzuschränken, und einen anderen Endabschnitt, welcher in das andere Ende des Behälters (12) eingreift, um die Bewegung der Spule (22) in die andere Richtung einzuschränken.
Gerät nach Anspruch 1, bei welchem der Querschnittsbereich des Behälters (12) axial unterschiedlich ist, so dass die Bewegung der Spule (22) den Bereich des Durchgangs (30) und den Umfang der Einschränkung ändert.
Gerät nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Querschnittsbereich der Spule (22) axial unterschiedlich ist, so dass die Bewegung der Spule (22) den Bereich des Durchgangs (30) und den Umfang der Einschränkung ändert.
Gerät nach Anspruch 1, 2, oder 3, bei welchem die Spule (22) einen kreisrunden Querschnitt umfasst, wobei der genannte Querschnitt der Spule (22) vorzugsweise entlang der Länge derselben unterschiedlich ist.
Gerät nach Anspruch 4, welches weiter eine Stange (24, 26) umfasst, welche mit der Spule (22) verbunden ist, für das axiale Bewegen der Spule (22) innerhalb des Behälters (12), um den Umfang der Einschränkung zu ändern.
Gerät nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem ein Abschnitt der Spule (22) von dem Behälter (12) hervorsteht.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Einlaß (14) und der Auslaß (16) an sich gegenüber liegenden Enden des Behälters (12) positioniert sind, und wobei die Spule (22) entlang der Längsachse des Behälters (12) bewegt werden kann.
Eine Methode für das Aufschäumen einer Mischung von Gas und Flüssigkeit, welche das Einführen der genannten Mischung in einen Behälter (12) umfasst; und das Hindurchführen der Mischung durch einen Durchgang (30) innerhalb des Behälters (12); das Einschränken des Flusses der Mischung durch den Behälter (12), für das Formen von Schaum mittels einer Spule (22), welche in dem Durchgang (30) positioniert ist, wobei die Spule (12) in dem Durchgang bewegt werden kann, um den Umfang der Einschränkung zu ändern, und wobei die Spule (22) einen kegelstumpfen Abschnitt mit einem Ende umfasst, welches in ein Ende des Behälters (12) eingreift, um die Bewegung der Spule (22) in eine Richtung einzuschränken, und einem anderen Endabschnitt, welcher in das andere Ende des Behälters (12) eingreift, um die Bewegung der Spule (22) in die andere Richtung einzuschränken; und das Auslassen des Schaums aus dem Behälter (12).
Eine Methode nach Anspruch 8, bei welcher die Einschränkung durch das Variieren des Querschnittsbereichs des Durchgangs (30) kontrolliert wird.
Eine Methode nach Anspruch 8 oder 9, bei welcher ein Gerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 angewendet wird.