萬里平，孟英峰，陳浩，魏納

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500；2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500）＊

泡沫鉆井技術(shù)始于20世紀(jì)50年代中期的美國，國內(nèi)在80年代開始泡沫鉆井技術(shù)的研究和應(yīng)用，并相繼在新疆、遼河、勝利、大慶、渤海等油田試驗(yàn)及應(yīng)用［1－4］。制約泡沫鉆井技術(shù)推廣的瓶頸技術(shù)之一是無法實(shí)現(xiàn)泡沫循環(huán)利用，以降低成本。機(jī)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(jī)械力引起的強(qiáng)烈振動(dòng)或壓力變化促進(jìn)泡沫破裂，實(shí)現(xiàn)泡沫循環(huán)利用［5－9］。本文通過自制的泡沫循環(huán)裝置（其消泡機(jī)理屬于機(jī)械消泡法），研究操作參數(shù)（噴射壓力、氣液比）、消泡裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)（噴嘴直徑、噴嘴與擋板間距）與消泡率關(guān)系，為正確設(shè)計(jì)機(jī)械消泡裝置，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)機(jī)械與化學(xué)聯(lián)合消泡提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由發(fā)泡系統(tǒng)、泡沫加熱系統(tǒng)和機(jī)械消泡裝置系統(tǒng)3部分構(gòu)成［10］，如圖1。泡沫流體通過噴嘴時(shí)，利用其沖擊力、剪切力及產(chǎn)生的負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)消泡。破泡后的液體可回流到泡沫基液罐，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

圖1 機(jī)械消泡試驗(yàn)系統(tǒng)流程

2 消泡率定義

消泡是指采用物理、化學(xué)或機(jī)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(jīng)理論推導(dǎo)得到消泡率計(jì)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(yàn)過程是：當(dāng)消泡過程穩(wěn)定時(shí)，從擋板下端量取一定量的泡沫流體，測定其密度（pt）；繼續(xù)靜置一段時(shí)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(yàn)結(jié)果

3.1 噴射壓力與消泡率關(guān)系

通過調(diào)節(jié)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(shí)（后續(xù)試驗(yàn)中若未加說明，噴嘴至擋板間距離均取300mm），試驗(yàn)測得不同氣液比下噴射壓力與消泡率關(guān)系，如圖2所示。

圖2 噴射壓力與消泡率關(guān)系

從圖2可以看出，消泡率隨噴射壓力上升而增加，因?yàn)閲娚鋲毫υ酱?，噴嘴?nèi)外壓差越大，泡沫更容易膨脹破裂［11］。當(dāng)噴射壓力較小時(shí)，隨噴射壓力增加而消泡率增加較快，但當(dāng)噴射壓力達(dá)到一定值后，消泡率隨噴射壓力增加而增加緩慢。在進(jìn)行機(jī)械消泡裝置設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)的噴射壓力不是越高越好，而是處在某一范圍內(nèi)，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(guān)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(shí)，不同噴射壓力下噴嘴直徑與消泡率關(guān)系，如圖3所示。

圖3 噴嘴直徑與消泡率關(guān)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(dāng)噴嘴直徑＞5mm 時(shí)，消泡率隨噴嘴直徑增大而降低的速度明顯趨緩?？紤]到實(shí)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(guān)系

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

圖4 氣液比與消泡率關(guān)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(zhì)量相應(yīng)增加，泡沫越來越黏稠，泡沫中的氣體應(yīng)該更難除去，即隨著氣液比增加，消泡率應(yīng)該越低，為何試驗(yàn)結(jié)論與常理相反？分析認(rèn)為，當(dāng)氣液比達(dá)到49∶1時(shí)，理論上泡沫質(zhì)量已達(dá)0.98，此時(shí)泡沫已由穩(wěn)定泡沫區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)殪F區(qū)，泡沫流體的流變特征已發(fā)生變化，普遍認(rèn)可的泡沫黏度與氣液比間的關(guān)系已不適合已霧化的泡沫流體，因此，出現(xiàn)本試驗(yàn)的現(xiàn)象，即消泡率隨氣液比增加而增加，而不是下降的現(xiàn)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(guān)系

氣液比分別為43∶1和120∶1時(shí)，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(guān)系，如圖5。

圖5 噴嘴至擋板距離與消泡率關(guān)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(guān)。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(shè)置擋板可以減小消泡裝置的尺寸；其次，有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)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(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

1）通過機(jī)械消泡試驗(yàn)系統(tǒng)研究噴射壓力、噴嘴直徑、氣液比和噴嘴與擋板間距離4個(gè)參數(shù)與消泡率關(guān)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(dāng)噴嘴直徑＞5mm 時(shí)，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(guān)，但擋板的作用仍然不容忽視。

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