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基于自激振动的新型机械消泡装置在泡沫钻井技术中的应用
作者：王鹏a，倪红建a，*，王传伟b，王瑞和c
a中国石油大学（华东）非常规油气与可再生能源研究所，青岛266580
b中国石化胜利石油工程公司钻井工程技术公司，山东东营257061
c中国石油大学（华东）石油工程学院，青岛266580
【摘要】：
泡沫钻井液在地面上的消泡是其循环利用的关键。本文提出了一种基于自激振动的新型机械消泡装置，促进了泡沫钻探技术的实际应用。仿真结果表明，负压，碰撞，挤压和空腔中产生的剪切力会导致泡沫破裂。已经开发出来了一种原型，而且在有关实验中研究了结构参数，泡沫钻井液的成分，岩屑和温度对消泡率的影响。实验结果表明，该装置的上喷嘴的直径是影响消泡的主要结构因素。较小直径的上喷嘴会导致较高的消泡率。随着下喷嘴直径，模腔长度和直径的增加，消泡率的数值先是增加随后再降低，这表明了消泡装置存在一个最佳结构。切削密度和切削温度可以在一定程度上提高消泡率，而盐类对消泡率的影响较小。结果证明了使用机械消泡装置的可行性和优越性，为其在石油和天然气钻井中的应用奠定了坚实的理论基础。
【关键词】：
泡沫钻井；机械消泡装置；消泡率；影响因素。
- 介绍
泡沫是由气体和液体形成的分散系统，它是在化学工程和生物工程中自然产生的下游过程（Liu et al.，2013）。泡沫被广泛用作泡沫分馏中的分离介质，用于浓缩和分离表面活性剂（Jiang和Wu，2011; Boonyasuwat和 Chavadej，2003年），染料（Lu和Zhang，2010）和重金属离子（Qu和Zeng，2008），是因为其成本低，环保性强，设备简单。自19世纪80年代中期以来，泡沫已经被广泛用作石油钻探工程中的不平衡钻井的循环液以获得高渗透率（ROP）并保护储油层以提高采收率（EOR）（Hall and Roberts，1984; Fraser and Moore，1987; 福克和麦当劳，1995； Nakagawa et al。，1999; Wang等， 2009； Li等，2010，2014），这是因为它的低密度和高润滑性。
然而，在许多情况下，泡沫是不需要的并且消泡是必要的，因为泡沫会减少设备的负载和效率，还会造成有用物质的损失（Oh和Oh，2012）。 例如天然气和原油分离和通过在碱性溶液中鼓泡来给天然气脱硫的石油工业中的链烷醇胺解决方案，纺织品的喷射染色，放射性废物处理，牛皮纸浆工艺和使用氧气气泡罐进行发酵的过程。即使是在泡沫的应用中，也很难找到足够大的泡沫收集器来存储持续排出的泡沫。因此，消泡在这些过程中是无处不在的。
关于消泡方法的研究很多，包括化学消泡，热量法和机械方法 （Garrett，2013）。化学消泡剂在这里定义为颗粒，减少泡沫的油或油和颗粒的混合物分散在其中的起泡性或泡沫的稳定性。人们普遍认为，化学消泡剂的作用是破坏围绕着泡沫内部气泡的液膜的稳定性并研究提出了三种机制（Prins和vanrsquo;t Riet，1987； Karakashev和Grozdanova，2012）。在第一种机制中，在液膜上消泡剂取代了表面活性剂，从而阻止其产生稳定的泡沫。在第二种机制中，消泡剂在界面之间形成疏水性的“桥”，导致液膜破裂，因此使泡沫结构崩溃。在第三种机制中，消泡剂可以扩散到整个液膜中，使液膜变稀，并且 导致它破裂。热量法经常采用提高温度的方法来使一些液体从液膜中蒸发从而降低其稳定性并达到消泡的目的。但是，这种方法的设备成本和能量损耗很高，这使其难以大规模应用（Liu等， 2013）。机械消泡方法主要包括超声波消泡剂，旋转装置和节流孔消泡剂。在19世纪70年代末期成功应用此种方法则需要开发压电超声发生器。根据有关消泡的最新报道，消泡的机械手段在很大程度上仅限于使用超音速技术。有迹象表明，应用超声波手段是一种共振现象，其中最佳的方案是将超声波频率调整到泡沫的临界尺寸，而超声波频率与气泡大小有关在人意料之中（Garrett，2015）。建议使用各种旋转装置来控制泡沫量，特别是在喷雾式未搅拌和搅拌的鼓泡塔中 （Garrett，2013年）。以这些设备中的旋转叶片，转子定子，涡轮机和圆盘为例，它们位于这些鼓泡塔的顶部（Metzner and Brown，1956; Rubin and Golt，1970）。已知的关于该设备的作用模式几乎没有达成共识，基本可归结于离心力或者剪力。Hass和Johnson（1965）撰写的文章首次报道了一种孔口消泡器，其在消泡过程中的有效性归因于压力的快速变化。穿孔板已经被用于降低泡沫的稳定性（Kunii和 Hosokai，1994; Liu等，2013）。其消泡方法是简单地引导泡沫穿过板上的孔。然而，孔的直径必须小于气泡的直径。
在石油钻井工程中，泡沫钻井液的使用有助于获得高渗透率（ROP） 和保护储油层以提高采油量(EOR)。然而，组合一种泡沫钻井液需要繁重的工作量，投入大量的水、泡沫，和稳定剂，这会使其非常昂贵。泡沫钻井液每使用一次，用过的泡沫中的化学物质会严重污染环境。这意味着现有的泡沫钻井液存在经济性差、严重环境污染，资源利用率低等问题，而且如果我们想要更好的利用泡沫钻井液，就必须发展出一种方法来二次利用它。由于石油钻井过程中使用的泡沫钻井液的剂量和体积是巨大的，所以很难将它储存在地面泥浆池中。这意味着使用的泡沫必须首先消泡，使用后再变回泡沫回收利用。因此，再次利用泡沫钻井液的关键问题是地面消泡。目前使用化学试剂是泡沫钻井液最常用的消泡方法。
这种化学消泡方法有缺陷——高成本和严重的环境污染，以及 调节液难以用于二次发泡循环。与化学药剂相比，机械消泡方法不会改变泡沫的组成成分，并且具有低成本和无污染的优点。因此，它非常适合泡沫钻井液的消泡。泡沫钻井液的处理能力非常强，而且泡沫会携带大量的岩屑和油返回地面。此外，随着渗透率、井深和地层的变化，处理这些泡沫将会变得更加复杂。现存的机械消泡装置存在处理能力弱和低消泡效率的问题，这使得它难以满足泡沫钻井的现场需求。因此，有必要开发一种广泛适用于泡沫钻井液的经济有效的消泡方法用于石油钻探工程。
在这项研究中，一种新型的基于自激振动的机械消泡装置被开发出来去提高泡沫钻井液的消泡程度。这种机械消泡装置的结构展示在了图1(a)中。消泡装置主要由上喷嘴，自激振荡腔和下喷嘴组成，它们又分别由上适配器、套筒和下适配器构成。黄色区域是泡沫钻井液的通道。密封螺纹被用于将上部和下部适配器连接到套筒。当环流流入这个机械消泡装置时会激发起激烈的自主震荡(Rockwell和Naudascher，1978；Morel，1979)。可以用于再次发泡的液相和气相在负压、碰撞、挤压和剪切的联合效应下分离。首先，消泡原理用数值模拟来检验。然后，用装置原型进行一次消泡实验以评估消泡装置的性能。也研究过结构参数、泡沫液体的成分、岩屑和温度对消泡率的影响。
- 消泡装置原理
（一）、数值模型
在图1(b)中，黄色泡沫钻井液区是关键的被提及的机械消泡装置的液压结构。上喷嘴直径d1，下喷嘴直径d2，空腔直径D和空腔长度L是消泡装置最重要的参数。如上文所述，强大的自振荡腔将激发振荡效应。此外，这四个结构参数的不同组合将导致不同的消泡率。因此，对消泡装置的流场特性进行研究来理解它的消泡作用机制是十分必要的。鉴于在消泡装置和空腔内的多相流动工作过程中强烈的自振荡作用和许多影响(如负压、碰撞、挤压和剪切)被激发，选择FLUENT计算流场特征。此外，混合物的多相流动模型被用于计算气相和液相的流量，以及它们的相互作用的效果。FLUENT中的混合物的多相流动模型是基于Euler-Euler方法的。在Euler-Euler方法中，不同的相在数学上被视为是相关的连续体。一种相的体积不能被其他相占据，所有相的体积分数被假设为空间和时间上的连续函数，它们的总和等于1。每个相的守恒方程被导出以获得一组具有适用于所有相的相似结构方程。混合物模型是为两相或多相(流体或颗粒)设计的，并针对混合物进行求解动量方程。它使用相对速度来描述分散相。由于本研究没有考虑传热，混合多相流模型只需求解混合物的连续性方程，混合物的动量方程，第二相的体积分数方程，以及相对速度的代数表达式。
- 连续性方程
混合物的连续性方程是：（ANSYS，2017）
略
- 动量方程
混合物的动量方程可由下式获得： 对所有阶段的动量方程求和。 它可以表示为（ANSYS.2017）
略
- 相对（滑动）速度和漂移速度
略
- 第二相的体积分数方程
略
- 假设初始速度场和初始压力场，计算系数和常数项的顺序 其中动量离散方程用于第一次迭代；
- 根据水流的速度和其压力场推导出动量方程计算分布的系数和常数项；
- 用离散动量方程中的速度和压力离散化连续性方程以获得压力校正方程，然后压力校正值可以通过替换当前速度场来获得；
- 求解附加标量的方程，如湍流使用解变量的当前值的量；
- 在不同阶段之间更新互动产生的源术语；
- 检查方程的收敛性。
继续这些步骤，直到满足收敛标准。
（二）、流场特性
入口边界是压力入口，入口压力为0.5 MPa。液相的体积分数为0.05。出口边界也是压力出口，出口压力为1倍大气压力。出口的水流应该是满的形成湍流。机械消泡装置结构参数如下:D1=5mm，D2=9mm，D=40mm，和L=50mm。图2显示出了自振荡腔。从图2可以看出，空腔内的速度场可分为五个区，包括喷流速度核心区即上部喷嘴(即区域1)、涡环中心区域(即区域2)、靠近壁加速区域(即区域3)、边界低速区域(即区域4)以及碰撞和混合区域(即区域5)。这五个区域的形成过程如下。钻井液流经上部喷嘴并形成进入自激振荡腔的高速湍流(区域1)。该高速湍流被下腔壁阻挡，并且一些钻井液扩散开来，沿着空腔壁流动，并形成一对以空腔轴线为中心的原始涡环(区域2),主要基于气相。在原有涡环的作用下，涡环与壁面之间的流动通道变窄。然后，钻井液的速度增加，并且形成靠近壁加速区域(区域3)。边界低速区的形成(区域4)是由于涡环对边界死角。碰撞和混合区域(区域5)形成的原因是周期性变化的涡流撞击并与从上部喷嘴喷出的湍流混合。同时，涡流周期性变化，干扰核心湍流。核心湍流从下喷嘴流出后形成了脉冲湍流。图3示出了曲线A-A的速度分布穿过漩涡环。空腔的轴线在主流区域并具有最大的流速。当它过渡到顶点时环绕区域，流速随着到轴心的距离的增加而减小，并达到最小值0.45m/s，位置为11.5mm(即涡环中心)。随后，流向相反方向湍流的速度随着到轴心的距离的增加而增加。
图4展示出了自振荡腔的压力场的分布。从图4可以看出，射流从上喷嘴排出后，压力逐渐降低。空腔内压力场的划分为不同的区域，可以分为四个区域，包括上部喷嘴出口的低压区域(即区域1)、涡环的负压中心区域 (即区域2)、边界负压区域(即区域3)和碰撞高压区域(即区域4)。以空腔轴线为中心的压力和尺寸周期性变化的原始涡流(区域2)是自激振荡形成的关键，它周期性地阻挡了功率湍流。上喷嘴出口(区域1)的低压区的形成是因为下游的原始涡流的低压导致从上喷嘴喷射的湍流急剧增加，并且射流的加速又促进了低速涡流的形成。碰撞高压区(区域4)的形成是因为湍流的压力突然增加，并在它通过可收缩的下喷嘴迅速流过空腔后辐射到空腔内的某个区域。然后，随着流速的增加，湍流的压力逐渐减小并趋向于出口压力。图5显示了压力分布于穿过涡环的B-B型剖面。压力分布围绕自振荡腔的成轴对
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