机械消泡法试验研究

万里平，孟英峰，陈浩，魏纳

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500；2.西南石油大学机电工程学院，成都 610500）＊

泡沫钻井技术始于20世纪50年代中期的美国，国内在80年代开始泡沫钻井技术的研究和应用，并相继在新疆、辽河、胜利、大庆、渤海等油田试验及应用［1－4］。制约泡沫钻井技术推广的瓶颈技术之一是无法实现泡沫循环利用，以降低成本。机械消泡法是目前比较常用的消泡方法，其消泡原理是依靠机械力引起的强烈振动或压力变化促进泡沫破裂，实现泡沫循环利用［5－9］。本文通过自制的泡沫循环装置（其消泡机理属于机械消泡法），研究操作参数（喷射压力、气液比）、消泡装置结构参数（喷嘴直径、喷嘴与挡板间距）与消泡率关系，为正确设计机械消泡装置，同时也为实现机械与化学联合消泡提供技术支持。

1 试验系统

试验系统由发泡系统、泡沫加热系统和机械消泡装置系统3部分构成［10］，如图1。泡沫流体通过喷嘴时，利用其冲击力、剪切力及产生的负压来实现消泡。破泡后的液体可回流到泡沫基液罐，实现循环利用。

图1 机械消泡试验系统流程

2 消泡率定义

消泡是指采用物理、化学或机械的方法使气、液混合物中的气体分离出去，故可将消泡率定义为：消泡后的气体量与消泡前气体总量的百分比。经理论推导得到消泡率计算式为：

式中：pt为消泡后泡沫流体密度；p0为消泡前泡沫流体密度；pj为基液密度。

具体试验过程是：当消泡过程稳定时，从挡板下端量取一定量的泡沫流体，测定其密度（pt）；继续静置一段时间，待泡沫流体中的泡沫自然破裂并全部析出基液，测定其密度（pj）。消泡前泡沫流体密度（p0）通过理论气液比换算得到。

3 试验结果

3.1 喷射压力与消泡率关系

通过调节喷嘴前面截止阀的开度可改变喷射压力，喷嘴直径分别为3mm 和8mm，喷嘴至挡板间距离为300mm 时（后续试验中若未加说明，喷嘴至挡板间距离均取300mm），试验测得不同气液比下喷射压力与消泡率关系，如图2所示。

图2 喷射压力与消泡率关系

从图2可以看出，消泡率随喷射压力上升而增加，因为喷射压力越大，喷嘴内外压差越大，泡沫更容易膨胀破裂［11］。当喷射压力较小时，随喷射压力增加而消泡率增加较快，但当喷射压力达到一定值后，消泡率随喷射压力增加而增加缓慢。在进行机械消泡装置设计时，设计的喷射压力不是越高越好，而是处在某一范围内，可避免因提高喷射压力而消耗过多的能量。本装置推荐喷射压力为0.3～0.5MPa。

3.2 喷嘴直径与消泡率关系

通过更换不同孔径的喷嘴，研究气液比分别为37∶1和106∶1时，不同喷射压力下喷嘴直径与消泡率关系，如图3所示。

图3 喷嘴直径与消泡率关系

从图3可以看出，相同条件下消泡率随喷嘴直径增加而降低，但是当喷嘴直径＞5mm 时，消泡率随喷嘴直径增大而降低的速度明显趋缓。考虑到实际泡沫钻井中泡沫流体可能携带有微小钻屑颗粒，喷嘴直径取5～6mm 较合适。

3.3 气液比与消泡率关系

喷嘴直径为6mm，通过改变进气量和进液量，研究在不同喷射压力下，气液比与消泡率关系，如图4所示。

图4 气液比与消泡率关系

从图4可知，相同条件下消泡率随气液比的增加而增加。通常，随气液比增加，泡沫质量相应增加，泡沫越来越黏稠，泡沫中的气体应该更难除去，即随着气液比增加，消泡率应该越低，为何试验结论与常理相反？分析认为，当气液比达到49∶1时，理论上泡沫质量已达0.98，此时泡沫已由稳定泡沫区转变为雾区，泡沫流体的流变特征已发生变化，普遍认可的泡沫黏度与气液比间的关系已不适合已雾化的泡沫流体，因此，出现本试验的现象，即消泡率随气液比增加而增加，而不是下降的现象。因此，在满足钻井工艺要求的前提下，可以选择含气量较高的泡沫。

3.4 喷嘴至挡板间距离与消泡率关系

气液比分别为43∶1和120∶1时，在一定的喷嘴直径和喷射压力情况下，研究消泡率与喷嘴至挡板间的距离关系，如图5。

图5 喷嘴至挡板距离与消泡率关系

由图5可知，相同条件下喷嘴至挡板间距离与消泡率基本无关。尽管喷嘴至挡板间的距离基本不影响消泡率，但挡板的作用仍然不容忽视。首先通过设置挡板可以减小消泡装置的尺寸；其次，有关文献报道挡板材料及表面粗糙度对消泡率有影响，其影响大小尚需进一步验证。

4 结论

1）通过机械消泡试验系统研究喷射压力、喷嘴直径、气液比和喷嘴与挡板间距离4个参数与消泡率关系。

2）消泡率随喷射压力上升而增加；相同条件下消泡率随喷嘴直径增加而降低。但是，当喷嘴直径＞5mm 时，消泡率随喷嘴直径增大而降低的速度明显趋缓；消泡率随气液比的增加而增加；喷嘴至挡板间距离与消泡率基本无关，但挡板的作用仍然不容忽视。

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