【泡沫发生器结构设计】
泡沫作业技术是针对低压油气区勘探开发特点而发展起来的一门综合性工业技术，包括泡沫钻井、泡沫洗井、泡沫冲砂、泡沫水泥固井、泡沫压裂酸化、泡沫试油和泡沫调剖堵水等。在美国、加拿大、前苏联等国家，泡沫作业技术开发时间早，应用范围广，并已取得显著经济效益。20世纪80年代以来，这项技术的研究应用在中国的新疆、华北、辽河、大庆等油田迅速发展起来。 泡沫发生器是产生泡沫流体的专用设备。根据作业特点的需要，配制好的液体、气体(空气或氮气等)、表面活性剂等按比例要求混合，通过泡沫发生器的作用而形成均匀致密的泡沫流体。泡沫发生器的设计可借鉴实验室内利用电动搅拌器产生泡沫的原理。按比例配制的泡沫基液倒入搅拌筒，随着搅拌器的高速运转(一般在6000r／min以上)，具有很高活性的泡沫基液呈薄膜状，与夹裹的空气充分接触形面液包气，即泡沫。随着叶片的不断搅拌和切割，大的泡沫就逐渐形成均匀致密的细小泡沫颗粒。在室内试验中观察到，泡沫流体是液体呈连续相、气体呈分散相的液包气乳化液。泡沫质量的好坏取决于发泡体积的大小、稳定时间的长短、抗污染抗高温能力的强弱等。而气液的混合程度、泡沫直径的大小及泡沫均匀程度等对发泡体积和稳定性均有重要影响。如果气液混合不充分，则造成一部分气体逸出，一部分液体溢出，且产生的泡沫大小不均匀。由于气泡尺寸的差异，根据拉普拉斯公式，小气泡中的气体压力要大于大气泡中的气体压力；气泡中的压力要大于气泡外的压力。而气泡中压力的大小则受气泡膜曲率的影响。由定量观点分析，气泡内、外压差Δp等于整个气泡面的表面张力除以气泡体积后再乘以校正系数K求得。鉴于气泡膜很薄，内、外表面积近似相等，则气泡内、外压差Δp可由下式求得
由上式可见，压差Δp与气泡半径R成反比，因此，如果气泡直径大小不同，气体就不断地由小气泡的高压区扩散到大气泡的低压区，造成气泡数目减少，使平均泡沫直径增大，最终导致泡沫破裂。另外，泡沫直径的大小也决定了其稳定时间的长短。泡沫的稳定时间T与泡沫直径D的平方成反比，即
综合上述试验及理论分析得出，泡沫发生器结构设计的合理与否将对发泡量和泡沫稳定性产生重要影响。因此，在泡沫发生器的设计过程中，应考虑以下几方面的因素：(1)气、液两相流体的高速紊态流动；(2)液体尽量形成分散的薄膜状，以增大与气体的接触面积；(3)适当增大机械搅拌作用，使其互相碰撞混合形成均匀直径的泡沫；(4)大泡沫变小泡沫的切割挤压作用使泡沫颗粒细小致密。泡沫发生器主参数的选择与工作环境、作业类型等具体条件有关。根据从事泡沫钻井、泡沫洗井、泡沫水泥固井、泡沫调剖堵水等作业的研究与实践，泡沫发生器的设计参数一般选定如下：工作压力10～20MPa；气体流量5～25m3／min；液体流量100～500L／min；大气压下的泡沫密度0．05～0．10g／cm3。泡沫发生器通常有两个注入口，一个注入气体，另一个注入配制好的基液和发泡剂的混合液体。在特殊情况下，有的采用一个注入口，有的采用3个注入口(气体、基液、表面活性剂分开注入)。由于表面活性剂及氧气的化学腐蚀作用，在设计制造时应考虑采取防腐措施。下面介绍几种泡沫发生器的结构。1．涡轮式泡沫发生器。其涡轮组件的结构类似于涡轮钻具中的定子和转子，流道的面积、形状及方向均有较大的变化，提高了流体速度及变化的频率；气体、液体及表面活性剂流经不同的喷嘴注入，大大增加了气液充分混和、碰撞、挤压的机会，提高了发泡效率。此类发泡器的特点是发泡效率高，性能稳定。同时，涡轮组件的制造要相对复杂些。2．螺旋式泡沫发生器。这种发泡器的气液两相从不同的入口分别注入，在配气盘腔室内形成喷射；在开有螺旋槽的心体上缠绕有加工成多个切割边的铜片，以使大泡沫切割成均匀致密的小泡沫。换向盘的作用是强制改变流体流动方向，以增强其混和效果。利用此种发泡器可使泡沫密度达到0．03～0．05g／cm3。3．孔隙式泡沫发生器。该种泡沫发生器的主要特点是利用填充物间的孔隙产生均匀细小的泡沫。大多采用棘爪环、钢棉、车床铁屑及玻璃球等作为填充物。孔板采用钢板钻孔或具有一定强度的钢丝网，其孔洞尺寸应小于填充物的尺寸。4．同心管式泡沫发生器。该种发泡器由相互同心安放的不同直径的两根管子组成。液体泵入内、外管之间的环形空间，气体注入一定直径的带有一定数目孔眼的内管中，形成泡沫直径2r大小与所开孔眼直径2R有关。根据泡沫形成所消耗的功分析，理想条件下r=R／1．18，一般孔眼直径可取1．5～1．6mm。孔眼的数目也应用计算的方法求取。若孔眼直径取1．5～1．6mm，则
式中，n为孔眼数目；P为注入压力，MPa；Q为气体流量，m3／min。 以上几结构的泡沫发生器在各种形式的泡沫作业中都得到了较广泛的应用。5．挡板式泡沫发生器。这是用于雾化钻井的泡沫发生器。由于雾化钻井所需气量很大(一般要高出泡沫钻井几倍)，因此采用了气、液两相在一个注入口泵入的结构设计。外壳内四块半圆挡板以等间距焊接在外壳上，阻挡并强制改变流体的流动方向。末端半圆板之后的较大空间提供了压缩流体膨胀的空间，并增强了气、液两相充分混和的效果。另外，获取高质量泡沫的重要条件，除了设计结构合理、性能稳定的泡沫发生器之外，还应包括优选的泡沫配方、合适的气液化、稳定的气体液体排量等多种因素。随着设备配备的完善和工艺技术的合理使用，泡沫作业技术一定会在中国低压油气田的勘探开发工作中取得显著的经济效益。(新疆石油管理局钻井工艺研究所申瑞臣撰) |