一种氮气泡沫水泥制备装置及其制备方法与流程

本发明涉及油田固井技术领域，具体涉及一种氮气泡沫水泥制备装置及其制备方法。

背景技术：

在油气田固井作业中，水泥漏失是固井领域中普遍面临的难题之一。随着国内油气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。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。目前常采用物理发泡方法制备泡沫水泥，即将提前配置好的泡沫液与水泥浆混合或直接向含有发泡液的水泥浆冲入气体的方式形成泡沫水泥。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，难以满足固井高压工作。因此充气式制备泡沫水泥的方法受到越来越多的关注。氮气因化学性质稳定，一般不与其他物质发生反应，可以起到隔离、阻燃、防爆、防腐的功用，且对储层伤害小，成为泡沫水泥优选的充气介质。目前现有的充气式泡沫水泥的制备装置无法对泡沫水泥的密度进行实时监控，若泡沫水泥密度不能满足施工要求会导致固井成本增加甚至固井失败；而且此方法需要设立专门的加热装置对液氮进行加热升温，能耗高、设备投入及作业成本高。

技术实现要素：

本发明的目的克服现有技术的不足，提供一种氮气泡沫水泥制备装置及其制备方法，通过热交换系统回收氮气泡沫固井装置中动力单元、液压系统和润滑系统等装置产生的热量，并用回收的热量作为液氮蒸发器的热源，为液氮气化提供热量，能耗低，节能环保，能源利用率高，减少设备投入，作业成本低；采用高压液氮柱塞泵和高压泡沫液柱塞泵对液氮和泡沫液进行加压，增加混合均匀度，降低泡沫水泥的密度；设置密度检测装置对泡沫水泥的密度进行实时检测，并根据密度对液氮和/或泡沫液的流量进行调节，密度控制简单；设置清水箱，固井操作结束后对泡沫水泥发生器等设备进行冲洗，增加设备的使用寿命。

本发明的目的是通过以下技术措施达到的：一种氮气泡沫水泥制备装置，所述制备装置包括泡沫水泥发生器、液氮蒸发器、液氮柱塞泵、泡沫液柱塞泵、泡沫液箱、热交换系统、液氮管线、高压水泥浆管线、第一管线、泡沫水泥排出管线和密度检测装置，所述泡沫水泥发生器设有气相进口和液相进口，所述液氮管线与所述液氮柱塞泵的进口连接，所述液氮柱塞泵的出口与所述液氮蒸发器的进口连接，所述液氮蒸发器的出口与所述泡沫水泥发生器的气相进口连接，所述泡沫液箱的出口与所述泡沫液柱塞泵的进口连接，所述泡沫液柱塞泵的出口与所述泡沫水泥发生器的液相进口通过第一管线连接，所述高压水泥浆管线与所述第一管线汇合，所述泡沫水泥发生器的出口与所述泡沫水泥排出管线连接，所述泡沫水泥排出管线上设有密度检测装置，所述热交换系统为所述液氮蒸发器提供热源。

进一步地，所述制备装置还包括水箱，所述液氮蒸发器还设有热源进口和热源出口，所述热交换系统的出口与所述水箱的进口连接，所述水箱的出口与所述热源进口连接，所述热源出口与所述热交换系统的进口连接。

进一步地，所述制备装置还包括清水箱，所述清水箱与所述泡沫液箱的进口连接。

进一步地，所述制备装置还包括控制装置，所述控制装置用于控制液氮和/或泡沫液的流量。

进一步地，所述制备装置还包括液氮回液管线，所述液氮回液管线与所述液氮柱塞泵的进口连接。

进一步地，所述制备装置可车载或单独使用。

一种氮气泡沫水泥制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)液氮通过液氮柱塞泵加压后输送至液氮蒸发器内进行气化，气化后的氮气输送至泡沫水泥发生器；

(2)泡沫液经泡沫液柱塞泵加压后与高压水泥浆汇合，高压水泥浆与泡沫液在管线内预混合后输送至泡沫水泥发生器；

(3)氮气与含有泡沫液的高压水泥浆在泡沫水泥发生器内混合形成泡沫水泥并由泡沫水泥发生器排出；

(4)密度检测装置对排出的泡沫水泥进行密度检测，若泡沫水泥的密度满足施工要求，则泡沫水泥由泡沫水泥排出管线输出并用于固井操作，若泡沫水泥的密度不满足施工要求，则将泡沫水泥排出并通过控制装置调节泡沫液的流量和/或液氮的流量，并重新检测泡沫水泥的密度，直至泡沫水泥的密度满足施工要求为止；

(5)施工结束后，用清水对泡沫水泥发生器进行清洗。

进一步地，在步骤(1)中，所述液氮蒸发器进行气化所需的热源由热交换系统提供。

进一步地，所述液氮蒸发器内气化的氮气的温度为15-21℃。

进一步地，所述液氮柱塞泵的工作压力为20-45mpa。

进一步地，所述泡沫液柱塞泵的工作压力为30-35mpa。

进一步地，所述步骤(4)中的控制装置通过控制液氮柱塞泵的转速和/或泡沫液柱塞泵的转速实现液氮和/或泡沫液流量的调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本氮气泡沫水泥制备装置及其制备方法，通过热交换系统回收固井装置中动力单元、液压系统和润滑系统等装置产生的热量，并用回收的热量作为液氮蒸发器的热源，为液氮气化提供热量，能耗低，节能环保，能源利用率高，减少设备投入，作业成本低；采用高压液氮柱塞泵和高压泡沫液柱塞泵对液氮和泡沫液进行加压，增加混合均匀度，降低泡沫水泥的密度；设置密度检测装置对泡沫水泥的密度进行实时检测，并根据密度对液氮和/或泡沫液的流量进行调节，密度控制简单；设置清水箱，固井操作结束后对泡沫水泥发生器等设备进行冲洗，增加设备的使用寿命。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本氮气泡沫水泥制备装置的结构示意图。

其中，1.泡沫水泥发生器，2.液氮柱塞泵，3.热交换系统，4.泡沫液柱塞泵，5.泡沫液箱，6.液氮蒸发器，7.水箱，8.液氮管线，9.液氮回液管线，10.清水箱，11.高压水泥浆管线，12.密度检测装置，13.第一管线，14.泡沫水泥排出管线。

具体实施方式

如图1所示，一种氮气泡沫水泥制备装置，所述制备装置包括泡沫水泥发生器1、液氮蒸发器6、液氮柱塞泵2、泡沫液柱塞泵、泡沫液箱5、热交换系统3、液氮管线8、高压水泥浆管线11、第一管线13、泡沫水泥排出管线14和密度检测装置12。所述制备装置还包括动力装置，所述动力装置为所述制备装置提供动力。所述泡沫水泥发生器1设有气相进口和液相进口，所述液氮管线8与所述液氮柱塞泵2的进口连接，所述液氮柱塞泵2的出口与所述液氮蒸发器6的进口连接，进一步所述液氮柱塞泵2的最大工作压力为69mpa。所述液氮蒸发器6的出口与所述泡沫水泥发生器1的气相进口连接，所述泡沫液箱5的出口与所述泡沫液柱塞泵4的进口连接，所述泡沫液柱塞泵4的出口与所述泡沫水泥发生器1的液相进口通过第一管线13连接，进一步所述泡沫液柱塞泵4的最大工作压力为40mpa。所述高压水泥浆管线11与所述第一管线13汇合，所述高压水泥浆管线用于输送高压水泥浆，高压水泥浆与泡沫液在第一管线13内汇合并在第一管线内预混合。所述泡沫水泥发生器1的出口与所述泡沫水泥排出管线14连接，所述泡沫水泥排出管线14上设有密度检测装置12，所述热交换系统3为所述液氮蒸发器6提供热源。

所述制备装置还包括水箱7，所述液氮蒸发器6还设有热源进口和热源出口，所述热交换系统3的出口与所述水箱7的进口连接，所述水箱7的出口与所述热源进口连接，所述热源出口与所述热交换系统3的进口连接。所述热源介质为水，所述热交换系统3、水箱7以及液氮蒸发器6之间形成循环水路，热交换系统3回收固井装置中动力单元、液压系统和润滑系统等装置产生的热量，并将循环水加热升温，循环水进入水箱7缓存，水箱7内缓存的循环水进入液氮蒸发器6内并与液氮蒸发器6内的低温液氮进行热交换，为液氮气化提供热量，热交换后降温的循环水又重新进入热交换系统3进行加热升温。利用回收的余热气化液氮，能耗低，节能环保，能源利用率高，无需单独设置加热装置减少设备投入，作业成本低。

所述制备装置还包括清水箱10，所述清水箱10与所述泡沫液箱5的进口连接。固井操作结束后，利用清水箱10中的清水对泡沫液管线、泡沫液柱塞泵4、泡沫水泥发生器1以及泡沫水泥排出管线14等设备、管线进行冲洗，减少泡沫液设备及管线的腐蚀，同时防止水泥凝固将设备管线堵塞，增加设备的使用寿命。

所述制备装置还包括控制装置，所述控制装置用于控制液氮和/或泡沫液的流量。所述制备装置用于控制和检测设备各项参数，包括系统启停、压力检测、温度检测、密度检测、流量检测等，主要用于根据密度检测参数控制调节泡沫液的流量和液氮的流量，以便调节控制泡沫水泥浆的密度。

所述制备装置还包括液氮回液管线9，所述液氮回液管线9与所述液氮柱塞泵2的进口连接。所述液氮回路管线9连接有液氮储槽，液氮回路管线9用于将液氮柱塞泵2进口多余的液氮回流至液氮储槽内，便于液氮柱塞泵2进行液氮流量调节。

所述制备装置可车载或单独使用。所述氮气泡沫水泥制备装置结构紧凑，占地空间小，可设置成固井车载装置也可以单独设置在固井场地使用。

所述制备装置不制备泡沫水泥时还可作为氮气源使用。如若固井操作过程中不需要氮气泡沫水泥时，该制备装置还可用于提供氮气，即液氮管线8将液氮输送至液氮柱塞泵2，液氮柱塞泵2将液氮输送至液氮蒸发器6内与热交换系统3提供的热源进行热交换，热交换后液氮升温气化成氮气，可为其它固井操作提供氮气。而且所提供的氮气的温度可根据实际操作需求设定。

一种氮气泡沫水泥制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)液氮通过液氮管线8输送至液氮柱塞泵2，并由液氮柱塞泵2加压后输送至液氮蒸发器6，液氮在液氮蒸发器6内与热交换系统3提供的热源进行热交换，热交换后液氮升温气化成氮气并输送至泡沫水泥发生器1；进一步优选，所述液氮柱塞泵2的工作压力为20-45mpa。所述液氮蒸发器6内气化的氮气的温度为15-21℃。通过热交换系统3回收固井装置中动力单元、液压系统和润滑系统等装置产生的热量，并用回收的热量作为液氮蒸发器6的热源，为液氮气化提供热量，能耗低，节能环保，能源利用率高。采用高压液氮柱塞泵2可增加液氮的压力，进而增加氮气的压力，提高泡沫水泥的品质。

(2)泡沫液由泡沫液箱5输送至泡沫液柱塞泵4，经泡沫液柱塞泵4加压后在第一管线13内与高压水泥浆管线11输送的高压水泥浆汇合，高压水泥浆与泡沫液在第一管线13内预混合后输送至泡沫水泥发生器1；进一步优选，所述泡沫液柱塞泵4的工作压力为30-35mpa。高压泡沫液与高压水泥浆在第一管线13内预混合，增加了高压泡沫液与高压水泥浆的混合均匀度，有利于后续增加后续制备的泡沫水泥的均匀度，降低泡沫水泥的密度。

(3)氮气与含有泡沫液的高压水泥浆在泡沫水泥发生器1内混合形成泡沫水泥并由泡沫水泥发生器1排出到泡沫水泥排出管线14；高压氮气、高压泡沫水和高压水泥浆在泡沫水泥发生器1混合生成高压泡沫水泥，所述泡沫水泥压力可达到30-40mpa，泡沫水泥的密度为0.3-0.7g/cm³，降低了泡沫水泥的密度。

(4)密度检测装置12对泡沫水泥排出管线14排出的泡沫水泥进行密度检测，若泡沫水泥的密度满足施工要求，则泡沫水泥由泡沫水泥排出管线14输出并用于固井操作，若泡沫水泥的密度不满足施工要求，则将泡沫水泥排出并通过控制装置调节泡沫液的流量和/或液氮的流量，并重新检测泡沫水泥的密度，直至泡沫水泥的密度满足施工要求为止；进一步优选，所述控制装置通过控制液氮柱塞泵2的转速和/或泡沫液柱塞泵4的转速实现液氮和/或泡沫液流量的调节。通过对泡沫水泥密度的实时检测，并实时调节泡沫液的流量和/或液氮的流量，制备满足施工要求的泡沫水泥，并可根据不同的要求，制备不同密度的泡沫水泥。

(5)施工结束后，用清水箱10内的清水对泡沫水泥发生器1进行清洗。保证管线及设备的清洁，防止管线及设备堵塞。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。