機械消泡法試驗研究

萬里平，孟英峰，陳浩，魏納

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500；2.西南石油大學機電工程學院，成都 610500）＊

泡沫鉆井技術始于20世紀50年代中期的美國，國內在80年代開始泡沫鉆井技術的研究和應用，并相繼在新疆、遼河、勝利、大慶、渤海等油田試驗及應用［1－4］。制約泡沫鉆井技術推廣的瓶頸技術之一是無法實現泡沫循環利用，以降低成本。機械消泡法是目前比較常用的消泡方法，其消泡原理是依靠機械力引起的強烈振動或壓力變化促進泡沫破裂，實現泡沫循環利用［5－9］。本文通過自制的泡沫循環裝置（其消泡機理屬于機械消泡法），研究操作參數（噴射壓力、氣液比）、消泡裝置結構參數（噴嘴直徑、噴嘴與擋板間距）與消泡率關系，為正確設計機械消泡裝置，同時也為實現機械與化學聯合消泡提供技術支持。

1 試驗系統

試驗系統由發泡系統、泡沫加熱系統和機械消泡裝置系統3部分構成［10］，如圖1。泡沫流體通過噴嘴時，利用其沖擊力、剪切力及產生的負壓來實現消泡。破泡后的液體可回流到泡沫基液罐，實現循環利用。

圖1 機械消泡試驗系統流程

2 消泡率定義

消泡是指采用物理、化學或機械的方法使氣、液混合物中的氣體分離出去，故可將消泡率定義為：消泡后的氣體量與消泡前氣體總量的百分比。經理論推導得到消泡率計算式為：

式中：pt為消泡后泡沫流體密度；p0為消泡前泡沫流體密度；pj為基液密度。

具體試驗過程是：當消泡過程穩定時，從擋板下端量取一定量的泡沫流體，測定其密度（pt）；繼續靜置一段時間，待泡沫流體中的泡沫自然破裂并全部析出基液，測定其密度（pj）。消泡前泡沫流體密度（p0）通過理論氣液比換算得到。

3 試驗結果

3.1 噴射壓力與消泡率關系

通過調節噴嘴前面截止閥的開度可改變噴射壓力，噴嘴直徑分別為3mm 和8mm，噴嘴至擋板間距離為300mm 時（后續試驗中若未加說明，噴嘴至擋板間距離均取300mm），試驗測得不同氣液比下噴射壓力與消泡率關系，如圖2所示。

圖2 噴射壓力與消泡率關系

從圖2可以看出，消泡率隨噴射壓力上升而增加，因為噴射壓力越大，噴嘴內外壓差越大，泡沫更容易膨脹破裂［11］。當噴射壓力較小時，隨噴射壓力增加而消泡率增加較快，但當噴射壓力達到一定值后，消泡率隨噴射壓力增加而增加緩慢。在進行機械消泡裝置設計時，設計的噴射壓力不是越高越好，而是處在某一范圍內，可避免因提高噴射壓力而消耗過多的能量。本裝置推薦噴射壓力為0.3～0.5MPa。

3.2 噴嘴直徑與消泡率關系

通過更換不同孔徑的噴嘴，研究氣液比分別為37∶1和106∶1時，不同噴射壓力下噴嘴直徑與消泡率關系，如圖3所示。

圖3 噴嘴直徑與消泡率關系

從圖3可以看出，相同條件下消泡率隨噴嘴直徑增加而降低，但是當噴嘴直徑＞5mm 時，消泡率隨噴嘴直徑增大而降低的速度明顯趨緩。考慮到實際泡沫鉆井中泡沫流體可能攜帶有微小鉆屑顆粒，噴嘴直徑取5～6mm 較合適。

3.3 氣液比與消泡率關系

噴嘴直徑為6mm，通過改變進氣量和進液量，研究在不同噴射壓力下，氣液比與消泡率關系，如圖4所示。

圖4 氣液比與消泡率關系

從圖4可知，相同條件下消泡率隨氣液比的增加而增加。通常，隨氣液比增加，泡沫質量相應增加，泡沫越來越黏稠，泡沫中的氣體應該更難除去，即隨著氣液比增加，消泡率應該越低，為何試驗結論與常理相反？分析認為，當氣液比達到49∶1時，理論上泡沫質量已達0.98，此時泡沫已由穩定泡沫區轉變為霧區，泡沫流體的流變特征已發生變化，普遍認可的泡沫黏度與氣液比間的關系已不適合已霧化的泡沫流體，因此，出現本試驗的現象，即消泡率隨氣液比增加而增加，而不是下降的現象。因此，在滿足鉆井工藝要求的前提下，可以選擇含氣量較高的泡沫。

3.4 噴嘴至擋板間距離與消泡率關系

氣液比分別為43∶1和120∶1時，在一定的噴嘴直徑和噴射壓力情況下，研究消泡率與噴嘴至擋板間的距離關系，如圖5。

圖5 噴嘴至擋板距離與消泡率關系

由圖5可知，相同條件下噴嘴至擋板間距離與消泡率基本無關。盡管噴嘴至擋板間的距離基本不影響消泡率，但擋板的作用仍然不容忽視。首先通過設置擋板可以減小消泡裝置的尺寸；其次，有關文獻報道擋板材料及表面粗糙度對消泡率有影響，其影響大小尚需進一步驗證。

4 結論

1）通過機械消泡試驗系統研究噴射壓力、噴嘴直徑、氣液比和噴嘴與擋板間距離4個參數與消泡率關系。

2）消泡率隨噴射壓力上升而增加；相同條件下消泡率隨噴嘴直徑增加而降低。但是，當噴嘴直徑＞5mm 時，消泡率隨噴嘴直徑增大而降低的速度明顯趨緩；消泡率隨氣液比的增加而增加；噴嘴至擋板間距離與消泡率基本無關，但擋板的作用仍然不容忽視。

［1］許期聰，劉奇林，侯偉.四川油氣田氣體鉆井技術［J］.天然氣工業，2007，27（3）：56－59.

［2］吳志均，唐紅君.氣體鉆井需要關注的問題［J］.鉆采工藝，2008，31（3）：28－31.

［3］王建.泡沫鉆井中泡沫基液酸堿循環利用技術基礎研究［D］.成都：西南石油大學，2010.

［4］Rojas Y，Vieira P，Borrell M.Field application of nearbalanced drilling using aqueous foams in western Venezuela［C］.SPE 74449，2002.

［5］Hall D L，Robets R D.Offshore drilling with preformed stable foam［C］.SPE 12794，1984.

［6］Hanking T，Rappuhn T F.Case history：Breitbrunn－horizontal foam drilling project in an environmentally sensitive area in Bavaria Germany［C］.SPE 35068，1996.

［7］萬里平，孟英峰，李永杰.泡沫流體循環利用研究進展［J］.鉆采工藝，2010，33（1）：76－79.

［8］Wan Li－Ping，Meng Ying－Feng，Li Yong－Jie.The Study of The Circulation of DrillingFoam［C］.SPE131068，2010.

［9］趙海暉，李兆敏，蔡文斌.自驅動往復式高壓水射流泡沫沖砂裝置研究［J］.石油礦場機械，2009，38（9）：24－27.

［10］萬里平，孟英峰，李永杰，等.一種可循環泡沫模擬實驗裝置：中國，200820141304.x［P］.2009－08－05.

［11］亞爾巴，孫友宏，穆罕默德.壓力對消泡器消泡能力的影響實驗研究與數值模擬［J］.探礦工程：巖土鉆掘工程，2010，37（4）：11－13.