一种用于油田暂堵的液氮冷冻装置的制作方法

本发明涉油田井口冷冻暂堵技术领域，在管道或井口进行冷冻暂堵作业时提供稳定、可靠的冷源，具体是一种用于油田暂堵的液氮冷冻装置。

背景技术：

在石油天然气开采过程中，维持井筒内压力和地层压力的相对平衡非常重要，在实施油井或者气井的带压修井更换采油采气井口或者部分闸阀作业时，需要对井下通往地面的油气通道进行封堵，传统的机械堵塞方式，工艺复杂，操作时间长，不能同时封堵油管内径和环空，密封很不可靠，容易发生重大安全事故，为此，发展了冷冻暂堵技术，冷冻暂堵技术已经在化工、石油、天然气、供水系统等领域取得了大量的应用。

在实施油井或者气井的带压修井更换采油采气井口或者部分闸阀作业时，需要对井下通往地面的油气通道进行封堵，传统机械的堵塞技术工艺较为复杂，操作时间较长，并且难以同时封堵井口和环空，而且密封不可靠，因此需要采用冷冻暂堵技术实现在最短时间内对井内套管进行封堵。

冷冻暂堵技术的核心在于对注入井口内的暂堵剂进行冷冻，实现对管道的封堵，目前常使用的方案有冷冻盒装置以及冷氮气夹套，前者需要人工加入冷冻剂，并长时间关注冷冻剂情况，不能保证冷冻温度均匀以及合适的降温速度，工作效率低，控制不准确；后者使用液氮或冷氮气作为冷冻工质，实现了冷冻剂的自动补给，但对冷冻剂的控制还需要进一步提升，而且没有提供完备的用于提供冷冻剂的系统。

此外，对油田井口实施冷冻暂堵操作时，需要提供合适温度的冷冻剂对暂堵剂进行冷冻，不合理的冷冻温度及降温速度会影响暂堵剂的密封效果，影响工作效率，甚至导致低温冷脆等不安全因素的出现。使用冷冻盒方式的冷冻暂堵方式，冷冻剂为干冰+甲醇，冷冻剂本身为温室气体及可燃性冷媒，容易成为不安全因素；使用夹套的冷冻暂堵方式，尽管使用液氮作为冷冻剂，但缺乏相应的冷冻系统对冷冻剂进行调控。

技术实现要素：

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种冷却目标温度可控、冷冻速度可控且避免材料改性同时保证井筒安全的液氮冷冻装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于油田暂堵的液氮冷冻装置，包括：液氮源模块、低温分配模块及控制模块，其中：

所述液氮源模块包括液氮贮槽及与所述液氮贮槽连接的空温式换热器，所述空温式换热器将来自所述液氮贮槽的液氮气化为常温的氮气，所述液氮源模块用于为所述低温分配模块提供常温氮气和液氮；

所述低温分配模块包括氮气兑温器，所述氮气兑温器包括不锈钢兑温釜、设置于所述不锈钢兑温釜上端的液氮入口、设置于所述不锈钢兑温釜内且连接所述液氮入口的液氮喷淋雾化器、置于所述液氮喷淋雾化器下端的不锈钢丝网、设置于所述不锈钢兑温釜左下端的常温氮气入口、设置于所述不锈钢兑温釜右上端的冷氮气出口、设置于所述不锈钢兑温釜下端的底部支撑件，所述不锈钢兑温釜包裹于绝热填料夹层中，所述空温式换热器的一端连接所述液氮贮槽，另一端与所述氮气兑温器的常温氮气入口相连，通过所述常温氮气入口通入的氮气向上运动与通过所述液氮入口进入的液氮混合、并通过所述不锈钢丝网换热，得到冷氮气，并通过所述冷氮气出口输出；

所述控制模块包括布置在管路上的低温流量控制阀以及检测所述氮气兑温器的温度检测装置，对冷氮气进行测量与调控。

在一些较佳的实施例中，所述液氮贮槽通过三通管与所述空温式换热器和所述低温分配模块相连。

在一些较佳的实施例中，所述低温分配模块还包括低温分配箱，所述氮气兑温器安装于所述低温分配箱内。

在一些较佳的实施例中，所述氮气兑温器通过第一三通管的一端连接所述液氮入口，所述第一三通管的另一端连接第二三通管，所述第一三通管的第三端与第三三通管一端连接，所述氮气兑温器的冷氮气出口连接所述第三三通管的另一端，所述第三三通管的第三端与用户侧恒温器相连。

在一些较佳的实施例中，所述低温分配模块还包括集成在所述低温分配箱上的低温开关阀门和低温流量控制阀，所述空温式换热器与氮气兑温器的常温氮气入口连接管路上设置有第一低温流量控制阀，所述第一三通管与所述第二三通管的连接管路上设置有第二低温流量控制阀，所述氮气兑温器的液氮入口与所述第一三通管连接管路上设置有第一低温开关阀，所述第一三通管与所述第三三通管连接管路上设置有第二低温开关阀，所述氮气兑温器的冷氮气出口与所述第三三通管连接管路上设置有第三低温开关阀。

在一些较佳的实施例中，所述氮气兑温器还包括设置于所述不锈钢兑温釜两侧的侧向绝热支撑件，所述侧向绝热支撑件固定于所述绝热填料夹层中。

在一些较佳的实施例中，所述侧向绝热支撑件为导热系数低的材料，如环氧玻璃钢，特氟龙等。

在一些较佳的实施例中，所述氮气兑温器还包括设置于所述不锈钢兑温釜下端的底部支撑件。

在一些较佳的实施例中，所述氮气兑温器还包括设置于底部、中部和冷氮气出口处的温度计。

在一些较佳的实施例中，所述控制模块包括电气控制箱，集成于所述电气控制箱内用于控制所述低温流量控制阀的控制单元以及控制面板。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明提供的一种用于油田暂堵的液氮冷冻装置，包括：液氮源模块、低温分配模块及控制模块，所述液氮源模块包括液氮贮槽及与所述液氮贮槽连接的空温式换热器，所述空温式换热器将来自所述液氮贮槽的液氮气化为常温的氮气，所述液氮源模块用于为所述低温分配模块提供常温氮气和液氮，所述低温分配模块包括氮气兑温器，所述空温式换热器的一端连接所述液氮贮槽，另一端与所述氮气兑温器的常温氮气入口相连，通过所述常温氮气入口通入的氮气向上运动与通过所述液氮入口进入的液氮混合、换热，得到冷氮气，并通过所述冷氮气出口输出，所述控制模块用于控制管路上的低温流量控制阀以及检测所述氮气兑温器的温度检测装置，对冷氮气进行测量与调控，从而实现冷却目标温度可控、冷冻速度可控，避免材料改性同时保证井筒安全，同时，该液氮冷冻装置满足方便使用及运输，且不受恶劣环境影响的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的液氮冷冻装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的氮气兑温器的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的液氮冷冻装置的立体示意图。

其中，100为液氮源模块，200为低温分配模块，300为控制模块，310为电气控制箱，400为低温管线，10为液氮贮槽，11为空温式换热器，20为氮气兑温器，21为不锈钢兑温釜，22为液氮入口，23为液氮喷淋雾化器，24为不锈钢丝网，25为常温氮气入口，26为冷氮气出口，27为绝热填料夹层，28为侧向绝热支撑件，29为底部支撑件，30为用户侧恒温器，40为低温分配箱，41为控制面板，l1为第一三通管，l2为第二三通管，l3为第三三通管，v1为第一低温流量控制阀，v2为第二低温流量控制阀，v21为第一低温开关阀，v22为第二低温开关阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1及图3，为本发明实施例提供的液氮冷冻装置的结构示意图，包括：液氮源模块100、低温分配模块200及控制模块300和低温管线400，本发明将液氮源模块100、低温分配模块200及控制模块300集成在一个撬块中，方便运输和使用。以下详细说明各个部件的方案。

所述液氮源模块100用于为所述低温分配模块200提供常温氮气和液氮。

具体地，所述液氮源模块100包括液氮贮槽10及与所述液氮贮槽10连接的空温式换热器11，所述空温式换热器11将来自所述液氮贮槽10的液氮气化为常温的氮气。

在一些较佳的实施例中，所述液氮贮槽10通过三通管与所述空温式换热器11和所述低温分配模块200相连。

可以理解，本发明提供的液氮贮槽10使用卧式液氮储罐代替多个液氮存储罐，操作简便，更加安全可靠。

请参阅图2，为本发明实施例提供的所述低温分配模块200的结构示意图，包括氮气兑温器20，所述氮气兑温器20包括不锈钢兑温釜21、设置于所述不锈钢兑温釜21上端的液氮入口22、设置于所述不锈钢兑温釜21内且连接所述液氮入口22的液氮喷淋雾化器23、置于所述液氮喷淋雾化器23下端的不锈钢丝网24、设置于所述不锈钢兑温釜21左下端的常温氮气入口25、设置于所述不锈钢兑温釜21右上端的冷氮气出口26、所述不锈钢兑温釜21包裹于绝热填料夹层27中。

可以理解，液氮入口22位于氮气兑温器20的顶端，液氮入口22连接液氮喷淋雾化器23，在液氮喷淋雾化器23作用下可用于破碎雾化通入的液氮。

可以理解，由于氮气兑温器20内部设置有多层不锈钢丝网24，从而能够强化常温氮气和液氮的换热，增强内部混合换热并承载较大液滴。

本发明提供的氮气兑温器20，其工作方式如下：

所述空温式换热器11的一端连接所述液氮贮槽10，另一端与所述氮气兑温器20的常温氮气入口25相连，通过所述常温氮气入口25通入的氮气向上运动与通过所述液氮入口22进入的液氮混合、并通过所述不锈钢丝网24换热，得到冷氮气，并通过所述冷氮气出口26输出，从而为油田冷冻暂堵作业提供稳定均匀可靠的冷源。

可以理解，氮气兑温器20在工作时，液氮从顶部入口进入不锈钢兑温釜21，并在液氮喷淋雾化器23中被分散破碎成小颗粒的雾化液氮，与来自不锈钢兑温釜21底部的常温氮气进行充分混合换热，少量相对较大的液滴被多层不锈钢丝网24拦截，利用不锈钢丝网24进一步强化高低温流体的换热，混合好的冷氮气由氮气出口排出。

具体地，所述氮气兑温器20通过第一三通管l1的一端连接所述液氮入口22，所述第一三通管l1的另一端连接第二三通管l2，所述第一三通管l1的第三端与第三三通管l3一端连接，所述氮气兑温器20的冷氮气出口26连接所述第三三通管l3的另一端，所述第三三通管l3的第三端与用户侧恒温器30相连。

在一些较佳的实施例中，所述低温分配模块200还包括低温分配箱40，所述氮气兑温器20安装于所述低温分配箱40内，所述低温分配箱还设置有控制面板41。

在一些较佳的实施例中，所述低温分配模块200还包括集成在所述低温分配箱40上的低温开关阀门和低温流量控制阀，所述空温式换热器11与氮气兑温器20的常温氮气入口25连接管路上设置有第一低温流量控制阀v1，所述第一三通管l1与所述第二三通管l2的连接管路上设置有第二低温流量控制阀v2，所述氮气兑温器20的液氮入口22与所述第一三通管l1连接管路上设置有第一低温开关阀v21，所述第一三通管l1与所述第三三通管l3连接管路上设置有第二低温开关阀v22，所述氮气兑温器20的冷氮气出口26与所述第三三通管l3连接管路上设置有第三低温开关阀v3。

可以理解，当需要井口需要提供液氮时，关闭v1、v21和v3，打开v22，通过控制v2的开度控制从液氮贮槽10中流出液氮的流量。当井口需要提供冷氮气时，关闭v22，打开v3和v21，并通过控制模块300的控制策略自动控制v1和v2的开度或得需要的冷氮气流量及合适的温度。其中，v1路的液氮通过空温式换热器11汽化变成常温的氮气，与v2路的液氮在氮气对氮气兑温器20中进行混合，合适的v1和v2开度比例将会使得氮气在离开对氮气兑温器20后形成合适的温度的冷氮气用于井口的冷却。

可以理解，无论是液氮还是冷氮气都将通过液氮冷冻装置10中的绝热低温传输管线将低温分配模块200提供的冷媒输运至用户侧恒温器30中。当系统需要吹扫或者需要复温的时候，控制模块300将关闭v2、v21和v22，打开v3，并控制v1的开度获得所需要的常温氮气流量，如果还需获得高于常温的干燥氮气，还可以开启氮气兑温器20中的电加热装置(图中未标示)，并通过控制模块300设置所需氮气温度，并自动控制该加热装置的加热功率。

在一些较佳的实施例中，所述氮气兑温器20还包括设置于所述不锈钢兑温釜21两侧的侧向绝热支撑件28，所述侧向绝热支撑件28固定于所述绝热填料夹层27中。优选地，所述侧向绝热支撑件28为导热系数低的材料，如环氧玻璃钢，特氟龙等。

在一些较佳的实施例中，所述氮气兑温器20还包括设置于所述不锈钢兑温釜21下端的底部支撑件29，所述底部支撑件29固定于所述绝热填料夹层27中。

可以理解，根据氮气兑温器20内部温度分布，使用不同的支撑方式，底部使用普通结构固定支撑，侧向使用低导热系数绝热支撑，使得其更为稳定可靠。

在一些较佳的实施例中，所述氮气兑温器20还包括设置于底部、中部和冷氮气出口处的温度计。

控制模块300包括电气控制箱310，集成于所述电气控制箱内用于控制所述低温流量控制阀的控制单元(图中未标示)，控制单元可控制控制面板41。

可以理解，在实际中控制模块300通过用户侧恒温器30的进口温度来控制待冷却套管的冷却温度，通过用户侧恒温器30的进出口温差来控制冷氮气的流量，进出口温差过大说明，冷氮气的流量不够，可能会引发降温的不均匀；而进出口温差过小则说明，冷氮气的流量过大，冷量没有完全利用就被排出，影响了系统的经济性，由于二者共同作用，控制模块300控制液氮与常温氮气进入的流量，实现对冷氮气温度和流量的控制。

可以理解，本发明提供的控制模块300内置温控算法，配合输入参数，根据实际的待冷却套管的情况，计算出能接受的最大温度梯度和降温的速率，从而自动控制液氮的导出流速，确保套管中的热应力不超过其许用应力；且控制模块300全程温度监控，降温速度可控，冷却目标温度可控。

本发明提供的液氮冷冻装置，包括：液氮源模块100、低温分配模块200及控制模块300，所述液氮源模块100包括液氮贮槽10及与所述液氮贮槽10连接的空温式换热器11，所述空温式换热器11将来自所述液氮贮槽10的液氮气化为常温的氮气，所述液氮源模块100用于为所述低温分配模块提供常温氮气和液氮，所述低温分配模块200包括氮气兑温器20，所述空温式换热器11的一端连接所述液氮贮槽10，另一端与所述氮气兑温器20的常温氮气入口相连，通过所述常温氮气入口通入的氮气向上运动与通过所述液氮入口进入的液氮混合、换热，得到冷氮气，并通过所述冷氮气出口输出，所述控制模块用于控制管路上的低温流量控制阀以及检测所述氮气兑温器的温度检测装置，对冷氮气进行测量与调控，从而实现冷却目标温度可控、冷冻速度可控，避免材料改性同时保证井筒安全，同时，该液氮冷冻装置满足方便使用及运输，且不受恶劣环境影响的要求。

可以理解，本发明提供的液氮冷冻装置，所述贮存腔内储存的冷冻剂可经所述引出管进入所述浸泡空间，实现对待冷却管道内的暂堵剂的冷冻，从而能够将待冷却管道冷却至更低的温度，缩短冷却时间，增加封堵块的承压能力，减少暂堵剂的长度，增加封堵的安全性。

当然本发明的液氮冷冻装置还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。