螺旋流式双级消泡器的结构设计与实验研究

论文摘要

泡沫钻井技术是以空气泡沫流体作为钻井液的一种欠平衡钻井技术。泡沫流体的特点主要有:密度较低、粘度较大、液相成分相对较低,因此能够有效携带岩屑和防止漏失,可减少对产层的污染,特别适用于目前大量存在的低压、低渗等难开发油气藏。泡沫钻井过程中的一个重要部分是如何将返回地表的泡沫消除,使得泡沫钻井液能够迅速投入使用。现场多在泥浆池内利用泡沫的自然衰变机理消泡,但是泡沫流体由于稳定性较高,难以在短时间内破裂,因此会占据较大的生产场地,大幅延长钻井周期,钻井成本也会大大增加。因而,泡沫堆积已经成为制约泡沫钻井技术应用的因素之一,亟需新型消泡技术来解决这一难题。目前钻井现场也可通过向泡沫流体中添加消泡剂,利用消泡剂与起泡剂发生化学反应来改变溶液的粘度、溶液表面张力以及表面活性剂活性等,进而达到消泡的目的。这种化学消泡方法效率较高,但消泡后的流体由于添加了其他化学物质,不能够直接投入使用,还需经过进一步处理,这不仅增加了材料的成本费,同时也延长了工期。相关研究人员将热力、超声波等应用于消泡中,设计了一些新型的消泡器。研究表明,这些消泡器可以达到消泡效果,但目前多数装置普遍存在泡沫处理量小,造价昂贵等问题,因此尚未在现场推广使用。机械消泡法是利用压力的突然变化,例如剪切力、压缩力和冲击力等消除泡沫。这种消泡方式对环境的污染小,能够满足现场的需求,同时泡沫可以重复利用,可降低经济成本,具有广阔的应用前景。本文利用螺旋流能够对周围的气体产生强烈的卷吸作用,设计了一种螺旋流式双级消泡器,可利用剪切力、压差等作用联合消泡,能够提高消泡率,以解决钻井现场的消泡难题。当泡沫流经该机械消泡器内部时,高速的螺旋流可将泡沫剪切破碎。同时,当泡沫流经旋流中心区域即真空区时,由于气泡内部压力较高,而环境压力较低,泡沫在内外压差作用下会发生膨胀破裂。本研究通过CFD数值模拟,分析了消泡器的关键结构尺寸对于消泡器内流场分布规律的影响,模拟得到的最优结构尺寸为:螺旋升角30°,螺旋叶片长度10 mm、螺旋条数3条、螺旋叶片中心角90°,双级喷嘴间距100 mm。为了进一步验证该消泡器的实际消泡效率,加工了消泡器实物并进行室内实验测试。由实验数据可知,泡沫基液粘度越低、气液比和供气压力越大,该消泡器的消泡效率越高。实验中,消泡效果显著,平均消泡率可达76%。即使在泡沫基液粘度较大(半衰期为93 min,表观粘度13.3 mPa·s,塑性粘度8.1 mPa·s)、气液比60:1、供气压力0.1 MPa的最不利消泡条件下,消泡率仍能够达到65%,验证了该螺旋流式双级消泡器具有良好的消泡能力。

论文目录

• 中文摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景及研究意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 消泡研究现状
•     1.2.2 螺旋流研究现状
•   1.3 研究内容及技术路线
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 技术路线
• 第2章 螺旋流式双级消泡器结构设计与数值模拟
•   2.1 螺旋流式双级消泡器结构初步设计
•   2.2 螺旋流式双级消泡器数值模拟
•     2.2.1 CFD数值模拟技术简介
•     2.2.2 螺旋流式双级消泡器内部流场模拟
•   2.3 螺旋流式双级消泡器结构参数优化
•     2.3.1 螺旋流式双级消泡器优化参数
•     2.3.2 螺旋升角优化
•     2.3.3 螺旋叶片长度优化
•     2.3.4 螺旋条数优化
•     2.3.5 螺旋叶片中心角优化
•     2.3.6 双级喷嘴间距优化
•   2.4 优化后消泡器内部流场分析
•   2.5 本章小结
• 第3章 螺旋流式双级消泡器结构设计
•   3.1 螺旋流式双级消泡器的总体结构
•   3.2 泡沫接收组件
•   3.3 一级外管组件
•   3.4 一级调整组件
•   3.5 二级外管组件
•   3.6 二级调整组件
•   3.7 扩散管组件
•   3.8 本章小结
• 第4章 螺旋流式双级消泡器实验研究
•   4.1 实验测试原理
•   4.2 实验台的搭建
•   4.3 螺旋流式双级消泡器消泡能力实验测试
•     4.3.1 泡沫基液粘度对消泡效率的影响
•     4.3.2 供气压力对消泡效率的影响
•     4.3.3 泡沫气液比对消泡效率的影响
•   4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 论文创新点
•   5.3 展望
• 参考文献
• 作者简介及科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘苗苗

导师: 曹品鲁,孙举

关键词: 泡沫钻井,机械消泡器,螺旋流,消泡率

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,矿业工程

单位: 吉林大学

分类号: P634

总页数: 89

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