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机械消泡法试验研究

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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。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。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 ,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。

图片1.JPG

2、 消泡率定义

消泡是指游戏物理、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:

公式.JPG

式中:P 为消泡后泡沫流体密度;P。为消泡前泡沫流体密度;P,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(P );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(P )。消泡前泡沫流体密度(P。)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3 mm和8 mm,喷嘴至挡板间距离为300 mm时(后续试验中若未加说明,喷嘴至挡板间距离均取300 mm),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.JPG

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。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~O.5 MPa。

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.JPG

         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>5 mm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5~6 mm较合适。

3.3 气液比与消泡率关系

喷嘴直径为6 mm,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.JPG

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.JPG

由图5可知,相同条件下喷嘴至挡板问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,有关文献报道挡板手机版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>5 mm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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