液氮-冰粒射流水滴冻结与冲蚀试验研究

李敬彬，程 康，李根生，黄中伟，陈昭廷

（中国石油大学（北京） 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

0 引言

液氮是一种惰性极强且清洁无污染的“绿色”流体，来源广泛。工业上利用液氮对食品直接喷淋冻结，使冻结速度和冻结质量大大提高［1］。液氮温度极低（-196 ℃），在喷射过程中会在岩石表面形成一定范围的低温冲击区，该区域内的岩石温度急剧降低并迅速收缩，从而在岩石内部和冲击面上产生较大的拉应力，促使微裂缝的产生和扩展，辅助破碎岩石。对于含水岩石，在与液氮接触的过程中岩石孔隙内流体冻结膨胀，在岩石颗粒间形成较大的拉应力，破坏岩石颗粒间基质胶结并形成裂隙损伤，从而大幅降低岩石强度。此外，液氮进入岩石裂缝孔隙后气化膨胀，将在裂缝尖端形成巨大的张力作用，有效促使裂缝扩展延伸，提高液氮射流破岩效果［2-3］。由于页岩气、致密气等非常规天然气储层质量较差，均需大型压裂改造，耗水量巨大，且易污染储层［4-6］，导致以水基工作液为主的钻采技术难以满足非常规资源高效开发的需求［7］，需寻找新型流体替代常规工作液。

随着钻采技术的快速发展，在20 世纪90 年代，液氮曾作为压裂液用于页岩和煤岩等储层压裂增产中［8-9］，探索使用液氮磨料射流进行辅助破岩以及压裂作业对于解决非常规天然气开发存在的储层伤害和水资源过度消耗等问题具有重要意义。

在液氮射流研究方面，2004年，ZONG等［10］通过数值模拟研究了低温氮向超临界环境的射流过程，研究了围压及环境温度等因素对射流结构和流体性质的影响。2010年，CLARKE等［11］对此进行了可视化研究，通过向封闭水池中进行低温氮射流，研究了液氮气化膨胀增压过程中的热传递及相变过程，得到了液氮射流进入水池之后的射流结构变化情况。2012年，LARIBOU等［12］将低温氮应用于金属表面的清洗和剥离，通过电镜扫描，分析了金属破坏形式及特征，得到了喷距、时间和压力等参数对冲蚀的影响规律。2014年，NAKORYAKOV等［13］进行了类似的液氮射流试验，主要研究液氮射入密闭水池之后压力的变化情况。2015年，GROSDIDIER等［14］研究了液氮射流进行金属硬化，结果显示液氮射流作用下的金属硬度增加了2倍以上。2015年，CAI等［15］人对液氮磨料射流特性进行了数值模拟研究，与水射流进行了对比，认为液氮磨料射流具有更强的破岩冲击效果。

在冰粒射流方面，最早的冰粒射流技术出现在20世纪50年代，用于汽车清洗表面抛光［16］，2007年，刘力红等［17］利用冰块破碎法制备冰粒，采用后混合式且利用压缩空气引射冰粒从而形成冰粒射流系统，研究各工艺参数。2009年，李德玉等［18］在对冰的物理属性及其力学特性进行完整探讨的基础上，对冰射流中冰粒的温度提出维持在-30 ℃以下的要求。2012年，郭宗环等［19］对冰粒水射流抛光进行试验研究，结果表明可以达到抛光作用。2014年，李德玉等［20］针对铝合金2A12基体开展冰射流表面脱漆试验研究，在已知铝合金的表面涂层的综合强度为2级的情况下［21］，重点研究了在定点喷射条件下，冰射流喷射压力和喷射时间对表面脱漆效果和基体表面形貌的影响。为此，本文提出液氮-冰粒射流新型磨料射流，即在液氮射流中泵入水滴，水滴快速凝结成冰粒，跟随液氮形成磨料射流。该技术兼备了液氮射流与冰粒射流的特点，具有环境友好、易控制、磨蚀性低、增强金属强度等优点。但作为一种新提出的射流方法，仍有诸多科学问题有待解决。本文首先研究了水滴在低温环境凝固过程中内部温度与外部特征变化情况；进而设计研发液氮-冰粒射流相关装置，在室内调制液氮-冰粒射流，并通过试验验证其冲击性能。研究成果为液氮冰粒射流技术发展奠定了基础。

1 液氮-冰粒射流

液氮-冰粒射流是一种新型磨料射流［22］，其基本原理如图1所示。在液氮泵的作用下，高压液氮经喷嘴形成液氮射流；同时通过水泵控制水流，经雾化喷嘴形成水滴，在液氮射流的抽吸及携带加速作用下，通过混砂管水滴充分加速，由于巨大温差的存在，水滴快速凝结成冰粒，最终形成液氮-冰粒磨料射流。与传统的磨料射料相比较，克服了磨料添加困难、浓度控制困难、易损坏靶件、磨料回收困难以及污染环境的缺陷；与单相液氮射流相比较，其冲击破碎效果较好；且冰粒硬度较低，对靶件有很好的保护作用。

图1 液氮-冰粒射流发生装置示意Fig.1 Schematic diagram of liquid nitrogen-ice particle jet generating device

2 水滴凝固可视化试验

2.1 水滴在液氮中凝固过程温度变化

为研究水滴在液氮中凝固速度及温度变化，将0.125 mm T型热电偶两端焊接，采用高精度进样针在热电偶端点处形成体积5 μL的水滴，尽量使热电偶端点位于水滴中心，热电偶另一端连接数据采集器，以采集水滴凝固过程温度的变化。图2示出了5 μL的水滴直接浸入液氮水滴的温度随时间的变化关系。从图中可知，与水滴在过冷空气中的凝结过程4个阶段不同，在液氮中水滴凝固仅测得3个明显的阶段：预冷阶段、凝固阶段、冷却阶段，且水滴在液氮中凝固较快，预冷阶段约为0.9 s，凝固阶段约为0.6 s，凝结过程约为1.5 s。分析原因如下：（1）水滴和液氮的温差过大，水滴未能进入过冷状态而直接开始结晶凝固；（2）换热介质不同，在冷气中的换热为气液传热，其效率较低，在液氮中为液液传热，效率较高。综上所述，水滴在液氮中能够迅速完成凝固，可以满足液氮-冰粒射流的要求。

图2 水滴在液氮中冷却凝固过程温度随时间的变化曲线Fig.2 Temperature variation curve of water droplets during cooling and solidification process with time in liquid nitrogen

2.2 水滴凝固过程

为研究水滴凝固过程，采用高速摄影拍摄水滴凝固过程，试验中发现当把水滴滴入液氮中时，由于靠近水滴的液氮不断汽化，水滴会在液氮表面做无规则运动，无法观察水滴凝固过程，因此本文研究了低温空气中水滴凝固过程如图3所示。

图3 在低温空气中水滴凝固形态变化过程Fig.3 Solidification morphology change of water droplets in low temperature air

图3（a）中水滴在预冷阶段的形态，此时水滴处于纯液态，清澈透明；图3（b）中水滴外表面开始模糊，水滴表面开始结冰，形成冰壳；图3（c）中表面冰壳逐渐形成，可明显看到水滴表面光线被折射；图3（d）中水滴已基本不透明，冰壳已在表面完全形成，同时水滴的顶部开始发生变形；图3（e）中水滴进一步凝结，其透光性进一步变差，顶部变形加剧，发生半透明球形凸起变形；图3（f）中水滴已完全不透明，且外形不再变化，冰粒顶部破裂，表明凝结过程结束。由于水滴凝结首先在外侧形成冰壳，再逐步向内结冰，空气在冰中的溶解度低于在水中的溶解度，随着水滴逐渐结冰，原本溶解在水中的气泡被释放出，气泡逐渐在水滴顶部聚集，最终将冰壳撑破。此外，由于冰的密度略小于水，液体水相变凝固导致体积变大也会影响冰粒的外形。由此可得，在形成液氮-冰粒射流时水滴直径不宜过大，否则会导致冰粒的碎裂，但考虑到体积较小的冰粒冲击效果会变差，因此需要对冰粒的体积进行优选。

3 液氮-冰粒射流喷射试验

3.1 试验系统

设计研发了简易液氮冰粒射流系统，其基本原理如图4所示，主要包括：供水系统、供氮系统、喷嘴系统和底座系统4个部分。供水系统包括水桶、耐压管、水泵和雾化喷嘴，其中水泵压力为0.5～3 MPa；供氮系统包括自增压液氮罐、耐压耐低温管线、液氮喷嘴，其中自增压液氮罐可提供3 MPa压力；喷嘴系统包括了混合装置和固定装置，液氮和水滴进入喷嘴后在内部直径为8 mm的混合腔混合；雾化喷头选材选用了导热系数较低的聚四氟乙烯，在1 MPa下额定流量为36 L/h；喷嘴通过三脚加持装置紧密固定与距地面一定高度的空中，可调节喷距。

图4 液氮冰粒射流系统示意Fig.4 Schematic diagram of liquid nitrogen ice particle jet system

3.2 试验靶件

为研究液氮-冰粒射流冲击效果，选用了2种常见的试验材料进行试验，同时考虑到自增压液氮罐最高只能提供3 MPa压力，选用了100 mm×100 mm×100 mm的聚丙烯板和铝合金板2种材料来进行表面除漆试验。分别在聚丙烯板和铝合金板表面均匀的喷涂油漆5次。在两种材料喷涂最均匀部分用油性笔画出1枚1元硬币大小的圆圈（直径25 mm）作为除漆范围。为模拟实际情况中物体表面存在的磨损现象，用刀片在板材表面画出一定体积的裂缝如图5所示，再清除多余或黏贴不紧的油漆，制备形成试验靶件。

图5 液氮-冰粒射流冲击靶件Fig.5 Liquid nitrogen-ice jet impinges on the target

3.3 试验方案

首先，调制液氮-冰粒射流，在前期研究基础上，在室内通过不断调整液氮参数、水滴参数等实现液氮-冰粒射流。然后，确定液氮入口压力为 3 MPa，喷射距离分别取 3，5，7 cm，通过冲击除漆验证其冲击效果，并设置2组纯液氮射流除漆作为对照试验组，并研究针对不同材质靶件的除漆效果。

3.4 试验结果

3.4.1 液氮-冰粒射流调制

在射流初期，喷嘴与环境换热剧烈，喷嘴内部未完全冷却，水滴不能短时间结冰，因此首先观察到无色透明的液氮和水滴射出；待3～5 s之后，喷嘴内部温度明显降低，水滴在足够的低温环境下，快速冷却并形成冰粒，喷嘴出口处可以观察到白色固体颗粒射出，调制出液氮-冰粒射流；冰粒形成之后，射流束打在喷射样板表面可以观察到冰粒产生，同时试验过程中可以听到冰粒颗粒冲击样板的清脆声；持续约90 s之后射流束冲击样板声音逐渐降低，不再有冰粒射出，这是由于喷嘴内部温度过低，水滴雾化喷嘴发生堵塞，其结构及相关参数需要进一步优化设计。

3.4.2 液氮-冰粒射流冲击效果

纯液氮射流作用于铝合金板和聚丙烯板后的结果如图6，7所示。由试验可知，在最强冲击力（液氮入口压力3 MPa，喷射距离3 cm）作用下，连续1 min进行喷射，划定区域内油漆不能完全除净。由此可知，试验条件下纯液氮射流对样本划定区域内油漆的喷除效果较差，不能完全除净。

图6 聚丙烯板纯液氮喷射前、后对比Fig.6 Comparison of polypropylene plate before and after pure liquid nitrogen injection

图7 铝合金板纯液氮喷射前、后对比Fig.7 Comparison of aluminum alloy plate before and after pure liquid nitrogen injection

液氮-冰粒射流3 MPa条件下除漆效果如图 8，9所示。

图8 聚丙烯板喷射结果示意Fig.8 Schematic diagram of polypropylene sheet injection results

图 9 铝合金板喷射结果示意Fig.9 Schematic diagram of aluminum alloy plate injection results

由图可知，液氮-冰粒射流除漆效果明显好于纯液氮射流，证明了液氮-冰粒射流的可行性、有效性。同时，可以观察到在聚丙烯板除漆较为彻底，基本上已清除绝大部分的油漆，但在铝合金板试验中除漆效果略差，有待进一步研究，提高除漆效果。由此可得，液氮-冰粒射流具有较好的冲击特性，在本文研究条件下能够高效清除聚丙烯板和铝合金板表面油漆。

4 结论

（1）与水滴在冷气环境下缓慢凝结过程可分为预冷、复辉、凝固、冷却4个阶段不同，水滴在液氮中凝固内部温度变化分为预冷、凝固、冷却3个阶段，且水滴凝固速度。

（2）可视化试验表明，水滴凝固时，首先在外侧形成冰壳，再逐步向内凝结，由于体积变化，冰粒局部会发生破裂，需对冰粒体积进行优选，避免冰粒碎裂；

（3）设计并加工了液氮-冰粒射流试验装置，成功调制出液氮-冰粒射流；通过靶件冲蚀试验，证实了液氮-冰粒射流的冲击效果显著好于纯液氮射流；且在聚丙烯聚合物上的冲击除漆效果优于在铝合金板上的冲击效果。