專利名稱：一種泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于油田低密度固井領(lǐng)域，具體涉及一種泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)油田使用的低密度水泥種類很多，其中包括(1)加入粘性固態(tài)無機物和有機物的高吸水材料和輕質(zhì)充填物，這種方法配制的低密度水泥漿密度一般在1. 5g/cm3左右；(2)加入細小而耐壓的中空玻璃球或微珠，能使水泥漿密度最低降至1. 18g/cm3 ；(3)通過機械充氣或化學(xué)發(fā)氣方法配制的泡沫水泥漿，其密度可調(diào)范圍為 0. 8-1. 7g/m3，有資料表明現(xiàn)在泡沫水泥最低密度已達0. 50g/cm3?？紤]到前兩種低密度水泥漿其密度可調(diào)范圍為1. 18-1. 50g/cm3，對于那些地層壓力系數(shù)或破裂壓力系數(shù)小于1. 08的地層而言，往往不能滿足設(shè)計的密度條件，因此必須使用超低密度的泡沫水泥來進行堵漏、固井施工作業(yè)。泡沫水泥漿雖然在50多年前就已被用于建筑行業(yè)，但是在國內(nèi)，對使用泡沫水泥進行固井施工的研究始于1985年，隨后相繼在各個油田得以研究和發(fā)展，此外隨著發(fā)泡和穩(wěn)泡技術(shù)的發(fā)展，以及固井設(shè)備性能的提高，使得泡沫低密度水泥固井技術(shù)得到迅速發(fā)展， 先后形成了化學(xué)充氣和機械充氣兩種施工技術(shù)。與化學(xué)反應(yīng)生成氮氣相比，機械充氮泡沫水泥的強度明顯要高。因為化學(xué)發(fā)泡的水泥漿中含有強氧化劑，對水泥石的整體性能會產(chǎn)生破壞，且由于化學(xué)發(fā)泡的化學(xué)劑中亞硝酸鹽和氨具有腐蝕性和毒性，亞硝酸鹽和氧化劑與水泥漿外加劑相互之間的作用關(guān)系復(fù)雜，所以沒有推廣開來。目前室內(nèi)采用的機械注氮方式產(chǎn)生泡沫的方式多為機械攪拌發(fā)泡，它是將發(fā)泡液倒入攪拌漿杯中，然后用攪拌機的葉片攪拌發(fā)泡液，通過在氣體(一般指空氣)中攪動液體，把氣體攪入液體中而產(chǎn)生泡沫，操作簡單。隨著泡沫固井技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)盡管泡沫固井技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)場展開，但室內(nèi)對泡沫水泥漿的研究還僅限于從理論上對泡沫水泥漿的性能影響規(guī)律進行研究，室內(nèi)泡沫發(fā)生多采用常規(guī)固井水泥漿攪拌漿杯，其原理是在常壓狀態(tài)下以一定轉(zhuǎn)速通過在空氣中攪動發(fā)泡液，把氣體攪入液體中而產(chǎn)生泡沫。因為常規(guī)水泥漿漿杯只能在常壓下攪拌，且漿葉葉片少，無法完全把上部的泡沫攪勻，所以用此方法產(chǎn)生的泡沫比較松散，泡沫上下不均勻，發(fā)泡倍數(shù)也相對較低。而泡沫水泥的強度和滲透率除了與它的密度有直接關(guān)系外，在很大程度上取決于泡沫本身的質(zhì)量，即泡沫愈細小，分散得愈均勻，泡沫水泥漿愈穩(wěn)定，形成的水泥石的強度也愈高，滲透率相對也愈小。為了能獲得細密均勻成膜氣泡，需要在泡沫產(chǎn)生時施加一定的壓力，使泡沫的孔徑變小、泡膜增厚，剛性增強，常規(guī)攪拌漿杯無法實現(xiàn)帶壓攪拌。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置，利用該裝置在密閉帶壓情況下，泡沫在多級漿葉攪拌過程中實現(xiàn)成膜微氣泡球狀結(jié)構(gòu)，增加了泡沫的剛性，所發(fā)的泡既獨立、細小均勻又比較穩(wěn)定且具有一定強度，從而延長了泡沫的維泡時間。通過帶壓密閉攪拌裝置制成的泡沫，與優(yōu)選的水泥漿充分混合后制成泡沫水泥漿。同時，這種方式更接近現(xiàn)場泡沫水泥漿發(fā)泡裝置的配漿方式。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置，包括漿杯1和置于漿杯1內(nèi)的攪拌漿葉，所述漿杯1為立式中空結(jié)構(gòu)；在所述漿杯1上端蓋有杯蓋9，下端安裝有杯底；所述攪拌漿葉安裝在所述杯蓋9 和杯底之間；在所述杯蓋9上開有進氣口 B和排氣口 C ；在所述杯底的側(cè)面開有進出漿口 D ；所述進氣口 B通過管線與漿杯1外的加壓系統(tǒng)相連。所述攪拌漿葉包括漿葉軸和漿葉片2 ；所述漿葉軸是中空的，其上端通過上軸承10密封安裝在所述杯蓋9上，下端通過螺紋孔與驅(qū)動軸4連接；所述驅(qū)動軸4穿過杯底與電機相連；所述漿葉片2固定在所述漿葉軸上。所述漿葉片2包括徑向葉片組和軸向葉片組；所述徑向葉片組包括從上至下依次在漿葉軸上分層均布的徑向葉片，每層包括三片徑向葉片，每層的三片徑向葉片在垂直于漿葉軸軸線的圓周上均布，且均沿半徑方向分布；相鄰兩層的徑向葉片在圓周上交錯均布， 即下層徑向葉片相當(dāng)于上層徑向葉片在圓周上旋轉(zhuǎn)60度；所述軸向葉片組包括6片軸向葉片，軸向葉片的長度方向與漿葉軸的軸線平行；所有徑向葉片均一端固定在所述漿葉軸上，另一端固定在軸向葉片上，即各個奇數(shù)層的三片徑向葉片的另一端分別固定在三片軸向葉片上，各個偶數(shù)層的三片徑向葉片的另一端分別固定在另外三片軸向葉片上。工作狀態(tài)下，優(yōu)化方案是，徑向葉片組包括6 10層徑向葉片，所述徑向葉片與水平面成20度-40度角傾斜；所述軸向葉片與鉛垂平面成20度-40度角傾斜；所述漿葉軸的上端設(shè)計有陽度-70度的圓錐面，以引導(dǎo)漿葉軸進入所述杯蓋中的上軸承10中。徑向和軸向的葉片均采用20度-40度傾斜角起到混合和攪拌作用。另外，本發(fā)明的密封措施如下所述進氣口 B、排氣口 C和進出漿口 D均采用球閥密封；所述杯蓋9下部與漿杯1內(nèi)壁采用橡膠0型密封圈密封；所述驅(qū)動軸4通過下軸承6安裝在所述杯底底部，在所述下軸承6的上方裝有機械密封組件5，在旋轉(zhuǎn)時對驅(qū)動軸4進行密封；所述機械密封組件5包括彈簧和摩擦副，所述摩擦副由陶瓷精密表面和石墨精密表面兩個表面組成。杯底與漿杯1采用焊接密封。所述杯蓋9中心開有通孔，所述上軸承10通過卡簧13固定在孔的下部；孔的上部塞有密封塞11，所述密封塞11上部與杯蓋上表面之間裝有密封墊12。所述加壓系統(tǒng)包括高壓氮氣瓶、高壓管線、氣源閥門和壓力閥門，所述高壓氮氣瓶通過高壓管線，依次經(jīng)過氣源閥門、壓力閥門接入所述進氣口 B。
5
所述漿杯1的內(nèi)表面設(shè)有四道凸起的三角形長棱；所述漿杯1外壁上還裝有漿杯手柄8。本發(fā)明裝置的工作原理是泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置是通過調(diào)速電機帶動攪拌漿葉旋轉(zhuǎn)；漿杯內(nèi)壁參照瓦楞攪拌器設(shè)計有四道凸起的三角形長棱，漿葉交錯排列了 6 10 層類似API增壓稠化儀所用的攪拌漿葉，實際操作時可以通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)速獲得理想的泡沫水泥效果。通過壓力源控制閥門，調(diào)節(jié)壓力在0-0. 5Mpa的范圍內(nèi)進行發(fā)泡。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是(1)通過使用本發(fā)明的裝置，可以在轉(zhuǎn)速 10-2000rpm，壓力0-0. 6Mpa的條件下，進行帶壓攪拌發(fā)泡，在同等發(fā)泡液量的情況下泡沫發(fā)泡倍數(shù)提高30%，與水泥混合后水泥漿密度降低6%以上，泡沫穩(wěn)定性得到很大提高，水泥石的抗壓強度提高20%以上；( 利用本裝置可以模擬現(xiàn)場泡沫固井的施工條件，在密閉帶壓情況下，泡沫在多級漿葉的攪拌過程中實現(xiàn)成膜微氣泡球狀結(jié)構(gòu)，很大程度上提高了泡沫的自身耐壓質(zhì)量，不僅增加了泡沫的剛性，使所發(fā)的泡既細小均勻又比較穩(wěn)定，而且配成的泡沫水泥漿形成的水泥石的強度較常規(guī)泡沫水泥石高，且滲透率下降，有效提高了泡沫水泥固井質(zhì)量。(3)該裝置對模擬現(xiàn)場泡沫水泥漿的性能評價檢測的準(zhǔn)確度高，實驗操作簡便易行，對于泡沫水泥漿的性能評價及檢測有一定的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置中攪拌漿杯外觀圖。圖2是本發(fā)明圖1中攪拌漿杯的A-A剖視圖。圖3是本發(fā)明泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置中攪拌漿的立體圖。圖4是本發(fā)明泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置中攪拌漿的主視圖。圖5是本發(fā)明泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置中攪拌漿的左視圖。圖6是圖5中的B-B剖視圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。一種泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置，包括漿杯1和置于漿杯內(nèi)的攪拌漿葉。如圖1所示，所述漿杯1為立式中空圓柱體結(jié)構(gòu)；在漿杯1外壁上還裝有漿杯手柄 8。如圖2所示，在所述漿杯1上端蓋有杯蓋9，下端安裝有杯底；所述攪拌漿葉安裝在所述杯蓋9和杯底之間；在所述杯蓋9上開有進氣口 B和排氣口 C ；在所述杯底的側(cè)面開有進出漿口 D，通過壓力源將水泥基漿注入到漿杯里與所發(fā)的泡沫進行混合；所述進氣口 B 通過管線與漿杯1外的加壓系統(tǒng)相連。所述加壓系統(tǒng)(圖2中未給出)包括高壓氮氣瓶、高壓管線、氣源閥門和壓力閥門，所述高壓氮氣瓶通過高壓管線，依次經(jīng)過氣源閥門、壓力閥門接入所述進氣口 B。所述攪拌裝置的壓力控制方式為將高壓氮氣瓶壓力手動調(diào)節(jié)到2MPa以內(nèi)，再打開杯蓋頂端上方的氣源閥門(此氣源閥門是獨立于加壓系統(tǒng)的，它的作用是關(guān)閉時可以將漿杯1與加壓系統(tǒng)分離，連通時可以示數(shù)壓力值。)；然后調(diào)節(jié)壓力閥門，調(diào)節(jié)到所需壓力(0. l-0.5MPa)，最后開啟進氣口 B，這時就實現(xiàn)了漿杯壓力為所設(shè)置的壓力；此壓力也可在顯示屏上看到。
工作過程中，漿杯1內(nèi)一直保持帶壓密封狀態(tài)。所述攪拌漿葉包括漿葉軸和漿葉片2 ；所述漿葉軸是中空的，其上端通過上軸承10密封安裝在所述杯蓋9上，下端通過螺紋孔與驅(qū)動軸4連接；所述驅(qū)動軸4穿過杯底與電機相連。實施例中，所述漿葉片2是焊接在所述漿葉軸上。如圖3所示，所述漿葉片2包括徑向葉片組和軸向葉片組；所述徑向葉片組包括從上至下依次在漿葉軸上均布的數(shù)層徑向葉片，每層包括三片徑向葉片，每層的三片徑向葉片在垂直于漿葉軸軸線的圓周上均布，且均沿半徑方向分布；相鄰兩層的徑向葉片在圓周上交錯均布(如圖5所示)，即下層徑向葉片相當(dāng)于上層徑向葉片在圓周上旋轉(zhuǎn)60度；所述軸向葉片組包括6片軸向葉片，軸向葉片的長度方向與漿葉軸的軸線平行；徑向葉片的層數(shù)是根據(jù)漿杯的高度與徑向葉片長度之比來決定，層數(shù)大于漿軸長度除以徑向葉片長度的比值，有利于上下泡沫攪拌更均勻，一般取6 10層。如圖4所示， 本實施例中，所述徑向葉片組包括10層徑向葉片，所有徑向葉片均一端固定在漿葉軸上， 另一端固定在軸向葉片上，即各個奇數(shù)層的三片徑向葉片的另一端分別固定在三片軸向葉片上，各個偶數(shù)層的三片徑向葉片的另一端分別固定在另外三片軸向葉片上。實施例中的漿葉軸直徑為10mm，葉片厚度為2mm。所述徑向葉片與水平面可以成20度-40度角傾斜；所述軸向葉片與鉛垂平面可以成20度-40度角傾斜；所述漿葉軸的上端設(shè)計有55度-70度的圓錐面。如圖6所示，本實施例中，所述徑向葉片與水平面成20度角傾斜；所述軸向葉片與鉛垂平面成20度角傾斜， 徑向和軸向的葉片均采用20度傾斜角起到混合和攪拌作用。所述漿葉軸的上端設(shè)計有60 度的圓錐面，以引導(dǎo)漿葉軸進入所述杯蓋中的上軸承10中，保證轉(zhuǎn)動時漿葉的同軸。另外，本發(fā)明的密封措施如下所述進氣口 B、排氣口 C和進出漿口 D均采用球閥密封；所述杯蓋9下部與漿杯1內(nèi)壁采用橡膠0型密封圈密封；所述驅(qū)動軸4通過下軸承6安裝在所述杯底底部，在所述下軸承6的上方裝有機械密封組件5，在旋轉(zhuǎn)時對驅(qū)動軸4進行密封；機械密封組件5的工作原理為通過彈簧的作用，使兩個(一個是陶瓷，另一個是石墨)精密表面摩擦副在旋轉(zhuǎn)時起到密封作用，此技術(shù)在水泵等壓力裝置中應(yīng)用較普遍。因為此處對密封的要求比較高，故采用機械密封方式。杯底與漿杯1采用焊接密封，焊接處為焊口 A。焊口 A的焊接工藝，主要考慮漿杯的整體性。所述杯蓋中心開有通孔，所述上軸承10通過卡簧13固定在孔的下部；孔的上部塞有密封塞11，所述密封塞11上部與杯蓋上表面之間裝有密封墊12。在更換上軸承10時需將密封塞11和密封墊12取下，從塞密封塞11的通孔中卸下上軸承10，如果不設(shè)計成密封塞和密封墊的形式，上軸承10將難以取出。所述漿杯1采用耐腐蝕、耐磨損的進口不銹鋼材料，并在漿杯1內(nèi)表面設(shè)有四道凸起的三角形長棱，所述三角形長棱經(jīng)過拋光處理。因為漿杯1內(nèi)壁有所述的三角形長棱，另外還要給機械密封留出空間，整體加工保證不了精度，甚至無法進行整體加工，所以采用了杯底焊接在漿杯上的方式。所述漿杯1采用耐磨損并具有一定彈性的特殊不銹鋼3Crl3MnMo。
本發(fā)明裝置的特點在于(1)漿杯1全部采用耐腐蝕、耐磨損的進口不銹鋼制造，為保證攪拌效果，漿杯內(nèi)表面采用四道凸起的三角形長棱形式，并進行拋光處理，可提高抗水泥漿腐蝕內(nèi)表面能力， 并使泡沫水泥漿容易倒出和清洗。(2)攪拌漿杯漿葉的密封是本發(fā)明的關(guān)鍵，由于該漿杯是在壓力狀態(tài)下工作，密封是非常重要的。根據(jù)容器的特殊性和空間的局限性在部分位置采用機械密封。(3)攪拌漿葉的材料選用耐磨損并具有一定彈性的特殊不銹鋼3Crl3MnM0，經(jīng)過熱處理制成，確保漿葉的耐用性。并且考慮泡沫液發(fā)泡能力大，設(shè)計采用自上而下的葉片攪拌，利于泡沫上下均勻一致。(4)加壓系統(tǒng)給漿杯內(nèi)的水泥漿施加穩(wěn)定的壓力。加壓系統(tǒng)是為了給漿杯內(nèi)的泡沫施加穩(wěn)定的壓力而設(shè)計的，它由高壓氮氣瓶、高壓管線、放氣閥和截止閥組成。下面通過兩個實驗證明本發(fā)明的效果實驗1將發(fā)泡液45g倒入容量為IL升的攪拌漿杯1中，旋緊杯蓋，通過裝置上的觸摸屏設(shè)定調(diào)速電機轉(zhuǎn)速lOOOrpm，同時向漿杯1內(nèi)施加0. 35MPa的壓力，攪拌時間90s。配置密度1. 88g/cm3的水泥基漿0. 75L，通過施加0. 4MPa的壓力，開啟和關(guān)閉相關(guān)閥門，將水泥漿注入盛有泡沫的攪拌漿杯中進行水泥漿和泡沫的攪拌，轉(zhuǎn)速控制在 IOOOrpm，攪拌結(jié)束后，將攪拌后的泡沫水泥由氣體壓出，進行下一步實驗。表1給出了實驗 1中的結(jié)果與普通攪拌杯攪拌結(jié)果的對比結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置，包括漿杯(1)和置于漿杯(1)內(nèi)的攪拌漿葉，其特征在于所述漿杯(1)為立式中空結(jié)構(gòu)；在所述漿杯(1)上端蓋有杯蓋(9)，下端安裝有杯底；所述攪拌漿葉安裝在所述杯蓋 (9)和杯底之間；在所述杯蓋(9)上開有進氣口⑶和排氣口(C)；在所述杯底的側(cè)面開有進出漿口(D)；所述進氣口(B)通過管線與漿杯(1)外的加壓系統(tǒng)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置，其特征在于所述攪拌漿葉包括漿葉軸和漿葉片O)；所述漿葉軸是中空的，其上端通過上軸承(10)密封安裝在所述杯蓋(9)上，下端通過螺紋孔與驅(qū)動軸(4)連接；所述驅(qū)動軸(4)穿過杯底與電機相連；所述漿葉片( 固定在所述漿葉軸上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置，其特征在于所述漿葉片(2)包括徑向葉片組和軸向葉片組；所述徑向葉片組包括從上至下依次在漿葉軸上分層均布的徑向葉片，每層包括三片徑向葉片，每層的三片徑向葉片在垂直于漿葉軸軸線的圓周上均布， 且均沿半徑方向分布；相鄰兩層的徑向葉片在圓周上交錯均布，即下層徑向葉片相當(dāng)于上層徑向葉片在圓周上旋轉(zhuǎn)60度；所述軸向葉片組包括6片軸向葉片，軸向葉片的長度方向與漿葉軸的軸線平行；所有徑向葉片均一端固定在所述漿葉軸上，另一端固定在軸向葉片上，即各個奇數(shù)層的三片徑向葉片的另一端分別固定在三片軸向葉片上，各個偶數(shù)層的三片徑向葉片的另一端分別固定在另外三片軸向葉片上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置，其特征在于徑向葉片組包括 6 10層徑向葉片；工作狀態(tài)下，所述徑向葉片與水平面成20度-40度角傾斜；所述軸向葉片與鉛垂平面成20度-40度角傾斜；所述漿葉軸的上端設(shè)計有55度-70度的圓錐面，以引導(dǎo)漿葉軸進入所述杯蓋中的上軸承(10)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置，其特征在于所述進氣口(B)、排氣口(C)和進出漿口⑶均采用球閥密封；所述杯蓋(9)下部與漿杯(1)內(nèi)壁采用橡膠0型密封圈密封；杯底與漿杯(1)采用焊接密封。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置，其特征在于所述驅(qū)動軸(4)通過下軸承(6)安裝在所述杯底底部，在所述下軸承(6)的上方裝有機械密封組件(5)，在旋轉(zhuǎn)時對驅(qū)動軸(4)進行密封。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置，其特征在于所述機械密封組件 (5)包括彈簧和摩擦副，所述摩擦副由陶瓷精密表面和石墨精密表面兩個表面組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置，其特征在于所述杯蓋(9)中心開有通孔，所述上軸承(10)通過卡簧(1 固定在所述通孔的下部；所述通孔的上部塞有密封塞(11)，所述密封塞(11)上部與杯蓋上表面之間裝有密封墊(12)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置，其特征在于所述加壓系統(tǒng)包括高壓氮氣瓶、高壓管線、氣源閥門和壓力閥門，所述高壓氮氣瓶通過高壓管線，依次經(jīng)過氣源閥門、壓力閥門接入所述進氣口(B)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置，其特征在于所述漿杯(1)的內(nèi)表面設(shè)有四道凸起的三角形長棱；在所述漿杯(1)外壁上裝有漿杯手柄(8)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種泡沫水泥漿帶壓攪拌裝置，屬于油田低密度固井領(lǐng)域。本裝置包括漿杯、置于漿杯中的攪拌漿葉總成以及加壓系統(tǒng)。利用本裝置可以模擬現(xiàn)場泡沫固井的施工條件，在密閉帶壓情況下，泡沫在多級漿葉的攪拌過程中實現(xiàn)成膜微氣泡球狀結(jié)構(gòu)，很大程度上提高了泡沫的自身耐壓質(zhì)量，不僅增加了泡沫的剛性，使所發(fā)的泡既細小均勻又比較穩(wěn)定，而且配成的泡沫水泥漿形成的水泥石的強度較常規(guī)泡沫水泥石高，且滲透率下降，有效提高了泡沫水泥固井質(zhì)量。
文檔編號B28C5/10GK102555055SQ201010588589
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者丁士東, 劉偉, 劉建, 周仕明, 桑來玉, 王其春 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院