本发明涉及石油固井技术领域，具体涉及一种适用于油田泡沫流体作业装置，尤其涉及一种泡沫水泥浆的固井装置。
背景技术：
水泥漏失是固井领域所面临的普遍难题之一。随着国内勘探开发程度的深入，固井水泥的漏失比例也呈急剧增加的趋势。为提高固井质量，减少环空带压风险，因此对低密度水泥固井提出迫切需求。相比常规水泥，泡沫水泥浆由于密度低、强度较高等特点，在防漏、防窜、提高顶替效率方面具有优势。
目前，制备泡沫水泥浆有两种方式，即化学发泡和物理发泡。
对于化学发泡来说，是在干水泥中掺入一定量的发泡剂，当水泥和水混合搅拌后，发泡剂与水泥浆中的某些化学成分起反应产生气体，其分布在水泥中从而形成泡沫水泥。由于这种方式发气量较少，因此在井下高压环境下，难以大幅度地降低泡沫水泥浆的密度，且现场施工中无法随时调整泡沫水泥浆的密度。目前，我国主要以化学发泡方式为主。
在物理发泡中，是采用泡沫液和水泥浆混合或直接向含有发泡液的水泥浆中充入气体的方式产生泡沫水泥浆。国外以哈里伯顿为代表，主要发展充氮气泡沫水泥浆固井，近十年来，我国才开始研究物理发泡固井方式，如发明专利cn200810046582.1、cn201010263300.0中采用将水与发泡剂，利用空气压缩机先混配成泡沫液，再将泡沫液与常规水泥浆进行混合，这种方式由于泡沫压力低、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作业。实用新型专利cn201427353y中提及到一种充气泡沫水泥浆机械式配气发泡机组，由配液系统、配气发泡系统和智能专家监控系统组成，其主要系统需安装在两个撬式底座上，设备庞大。并且该设备采用柴油机和电控加热，能耗大。
因此，为降低设备复杂程度，节约作业成本并降低能耗，在本领域中需要提供一种泡沫水泥浆固井撬装置。
技术实现要素：
针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种泡沫水泥浆固井撬装置，该装置集液氮汽化、高压发泡、自动控制为一体，具有功率小、占地面积小和自动控制等优点。
本发明提出了一种具有以下结构的泡沫水泥固井撬装置，包括：
液氮增压气化系统，用于将液氮增压并气化为高压氮气；
发泡液泵送系统，用于为发泡液加压；
泡沫发生系统，包括第一管道和泡沫发生器，其中所述第一管道用于接收加压后的发泡液和来自水泥泵车的水泥浆以形成含有发泡液的水泥浆，所述泡沫发生器用于接收所述的高压氮气和含有发泡液的水泥浆；
控制系统；
发电系统；
撬装底座，用于安装所述液氮增压气化系统、所述发泡液泵送系统、所述泡沫发生系统、所述控制系统和所述发电系统。
在一个实施例中，所述的泡沫发生器包括两个入口和混合腔，通过所述的两个入口的流体以彼此垂直的方向进入到所述的混合腔内。
在一个实施例中，所述液氮增压气化系统，包括水浴式蒸发器和锅炉，其中所述锅炉为所述水浴式蒸发器提供循环热水，从而在所述水浴式蒸发器内将液氮气化为氮气。
在一个实施例中，所述水浴式蒸发器通过低温液氮泵与外部液氮源相连。
在一个实施例中，所述水浴式蒸发器通过氮气缓冲罐与所述泡沫发生器相连。
在一个实施例中，所述发泡液泵送系统包括发泡液箱和柱塞泵，所述发泡液箱通过所述柱塞泵与所述第一管道相连。
在一个实施例中，所述发泡液箱的内部设加热器，外部设有保温层。
在一个实施例中，所述控制系统包括传感器，用于采集氮气、发泡液和水泥浆的数据。
在一个实施例中，所述控制系统还包括控制器，所述控制器通过控制所述低温液氮泵和所述柱塞泵的泵冲来调整泡沫水泥浆的密度。
根据本发明的泡沫水泥浆固井撬装置，所述的液氮增压气化系统通过所述的低温液氮泵吸入液氮，并将液氮加压后输送至所述的水浴式蒸发器内。所述的水浴式蒸发器通过所述的锅炉所提供的循环热水将加压后的液氮气化为高压氮气。之后，高压氮气进入到与所述的水浴式蒸发器相连的所述的氮气缓冲罐内。待上述的高压氮气气流和压力稳定后，进入到所述的泡沫发生系统内。
根据本发明的泡沫水泥浆固井撬装置，所述的发泡液泵送系统通过所述的发泡液箱存储发泡液，并通过与所述的发泡液箱相连的所述的柱塞泵输送至所述的泡沫发生系统内。
根据本发明的泡沫水泥浆固井撬装置，在所述的第一管道内，所述的发泡液泵送系统将加压的发泡液与水泥泵车输出的水泥浆形成含有发泡液的水泥浆。含有发泡液的水泥浆和上述的高压氮气通过所述的泡沫发生器的两个输入口以彼此垂直的方向进入到所述泡沫发生器的混合腔内，并混合生成泡沫水泥浆。
与现有技术相比，本发明的优点在于：集成度高，结构紧凑，占地面积小，运输方便，可用于海洋平台或陆地平台作业；自动化程度高，降低作业复杂程度；利用循环热水的热量对液氮进行加热，能耗较低；水泥浆和发泡液在管道中进行高压混合，结构简单，可杜绝空气成分干扰；不仅满足泡沫水泥浆固井作业，也可满足泡沫钻井液、泡沫压裂液和泡沫气举等油田泡沫流体作业。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
图1显示了根据本发明的一个实施例的泡沫水泥浆固井撬装置的俯视图示意图。
附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
以下为附图中的附图标记说明。
撬装底座1，发电机2，锅炉3，低温液氮泵4，水浴式蒸发器5，氮气缓冲罐6，氮气阀门7，发泡液箱8，柱塞泵9，泡沫发生器10，管道11，管道12，管道13，旋塞阀14，传感器15，控制器16，管道111，管道112，管道121，管道122，旁通管道131。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。
根据本发明提出了一种高压泡沫水泥浆固井撬装置，下面进行说明。
图1显示了根据本发明的一个具体实施例的高压泡沫水泥浆固井撬装置的结构性示意图。
如图1所示，该装置包括撬装底座1，在撬装底座1上安装了泡沫水泥浆固井撬装置的各个部件，包括液氮增压气化系统、发泡液泵送系统、泡沫发生系统、控制系统和发电系统等等，以便于整体运输。在一个实施例中，根据本发明的泡沫水泥浆固井撬装置按照标准集装箱尺寸设计，方便运输。另外，在装置的顶部设计有若干个(例如四个)吊环(未示出)，用于整个装置的装卸。
该装置的液氮增压气化系统通过液氮泵增压和水浴式加热的方式，将低温液氮转换为10-25℃的高压氮气。该液氮增压气化系统由锅炉3、低温液氮泵4、水浴式蒸发器5、氮气缓冲罐6以及与这些部件相连的管道构成。
根据本发明的，来自外部的液氮源(未示出)的低温液氮经低温液氮泵4加压后，形成高压液氮。随后，高压液氮进入水浴式蒸发器5内，水浴式蒸发器5通过锅炉3提供的循环热水与高压液氮产生热交换的方式将高压液氮气化为高压氮气。之后，高压氮气进入氮气缓冲罐6内形成气流稳定的高压氮气。之后，气流稳定的高压氮气再进入到泡沫发生系统内以进行下一步作业。
其中，低温液氮泵4的吸入口通过低温低压管汇与外部的液氮源相连接。低温液氮泵4的输出口与水浴式蒸发器5中的输入口通过高压管汇相连。
在一个实施例中，低温液氮泵4为三缸柱塞泵，压力可达到30mpa，并配有变频电机。该变频电机可以对液氮的排量进行无级调速。
水浴式蒸发器5的输出口与高压氮气缓冲罐6的输入口通过高压管道相连接。水浴式蒸发器5采用vmp高压盘管式设计，耐压可以达到70mpa。进入盘管内的低温液氮通过与盘管外的循环流动的热水进行热交换，当低温液氮吸收了足够的热量后，其转换为常温氮气。本实施例中，因水泥浆为常温状态，因此，水浴式蒸发器5输出的氮气的温度在5～25℃之间即可满足需求。
锅炉3与水浴式蒸发器5通过循环管路相连，并为水浴式蒸发器5提供循环热水。本实施例中，锅炉3按照常压设计，在其顶部设有通气孔。
锅炉3包括燃油燃烧器、锅炉控制器、热水泵。在常压工作状态下，锅炉3通过燃油燃烧器内的燃油来对水加热，使热水的温度保持在60～85℃之间。锅炉3通过锅炉控制器来点燃燃油燃烧器内的燃油，并通过其底部的热水泵将热水送至水浴式蒸发器5内。
经水浴式蒸发器5输出的氮气气流并不稳定，因此需经氮气缓冲罐6内进一步稳定气流。氮气缓冲罐6为高压容器，可耐压力35mpa，可以是多个高压瓶组串联而成。在氮气缓冲罐6的顶部安装有压力表，通过压力表可以观察出氮气缓冲罐6内的氮气压力是否稳定。待氮气压力稳定后，打开氮气阀门7将氮气输送至泡沫发生系统内，以进行下一步作业。
该装置的发泡液泵送系统由发泡液箱8和柱塞泵9及其连接管路构成。发泡液箱8的底部通过低压管道与柱塞泵9的吸入口相连接。
发泡液箱8用于储存发泡液。发泡液是通过将一定比例的发泡剂、稳泡剂和清水配制而成。发泡液箱8的内部设有加热器，外部设有保温层，以保证输出的发泡液处于常温状态。
柱塞泵9用于将发泡液加压后送至泡沫发生系统内，以进行下一步作业。优选地，柱塞泵9为一可变频调速的电控柱塞泵，最高压力可达35mpa。
该装置的泡沫发生系统由泡沫发生器10和与其相连的输入输出管道构成。
在泡沫发生系统内，发泡液与水泥浆先完成预混合，形成含有发泡液的水泥浆，含有发泡液的水泥浆再与氮气混合形成泡沫水泥浆。
如图1所示，泡沫发生器10为三通式，包括两个入口和一个出口。其中两个入口分别与管道11，管道12相连，出口与管道13相连。
管道11的一端与泡沫发生器10的其中的一个入口相连，另一端通过管道111与氮气缓冲罐6相连。管道112为管道111的并联管道，作为备用管道使用。在管道111和管道112上均安装有旋塞阀14。
管道12的一端与泡沫发生器10的另外一个入口相连，另一端通过一个t型三通管接头分别与管道121和管道122相连。其中管道12和管道121形成直通通路。管道121的另一端与外部水泥泵车(未示出)相连，用于输入水泥浆。管道122的另一端与柱塞泵9的输出口相连，用于输入发泡液。经水泥泵车和柱塞泵9分别输出的水泥浆和发泡液在管道12内汇合，形成含有发泡液的水泥浆。
泡沫发生器10为耐高压容器，其内部结构为双喷射螺旋流道。经液氮增压气化系统和发泡液泵送系统、水泥泵车(未示出)分别输出的氮气、发泡液和水泥浆均为高压状态，因此，含有发泡液的水泥浆和氮气以喷射的状态进入到泡沫发生器10内。
为提高氮气和含有发泡液的水泥浆的混合效果，含有发泡液的水泥浆和氮气以相互垂直的方向进入到泡沫发生器10的混合腔内以进行混合。在一个实施例中，有发泡液的水泥浆沿泡沫发生器10的径向方向进入到泡沫发生器10的混合腔内后，氮气沿泡沫发生器10的轴向方向进入到泡沫发生器10的混合腔内。含有发泡液的水泥浆与氮气在该混合腔内经过一次混合后，进入到泡沫发生器10的螺旋流道内。混合后的含有发泡液的水泥浆和高压氮气在该螺旋流道内进一步通过分散和撞击等作业，形成泡沫细小的泡沫水泥浆。最终形成的泡沫水泥浆通过管道13输出至外部水泥头(未示出)以完成固井作业。
用于输出泡沫水泥浆的管道13和用于输入水泥浆的管道121上设有旁通管道131。在管道13、管道121和旁通管道131上均设有旋塞阀14。当该装置需要输出泡沫水泥浆时，应关闭旁通管道131上的旋塞阀并打开管道13和管道121上的旋塞阀。当该装置需输出普通水泥浆时，应关闭管道13和管道121上的旋塞阀并打开旁通管道131上的旋塞阀。
在本实施例中，管道11、管道12、管道13、管道111、管道112、管道121、管道122、旁通管道131均为2英寸的无缝钢管。管道连接方式为由壬。
该装置的控制系统由传感器15和控制器16构成。
传感器15用于采集氮气、水泥浆和发泡液的动态参数，其包括压力计、涡轮流量计、氮气质量流量计和温度计，根据需求分别安装在各管道上。例如，管道122上安装有涡轮流量计，管道11上安装有氮气质量流量计，不复赘述。
传感器15将采集到的数据传输到控制器16上，通过控制器16中的泡沫水泥浆的数学模型来实现对泡沫水泥浆的密度的控制。该数学模型以泡沫水泥浆的密度为目标值，水泥浆的排量为已知值，通过调整液氮和发泡液的排量来实现对泡沫水泥浆的密度值的控制。控制器16通过向电动控制阀发出指令来调整低温液氮泵4和柱塞泵9的泵冲，从而改变液氮和发泡液的排量，与水泥浆的排量实时匹配。
在一个实施例中，控制器16选用plc控制系统，并选用触屏操作。
该装置中的发电系统由发电机2及其连接线路构成。发电机2是该装置的动力来源，为该装置中的耗能元件提供电源。
根据油田作业需求，发电机2优先地选用防爆式发电机。在一个实施例中，发电机2优选为功率为100～150kw防爆式发电机。
在施工现场使用中，只需将本装置的接口与液氮源、水泥泵车和水泥头直接相连，即可使用。
使用中，应先向装置内输入一定比例的水泥浆，再输入一定比例的发泡液，之后，再输入一定比例的氮气。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。