泡沫發(fā)生器內(nèi)氣液不穩(wěn)定流動規(guī)律研究

劉承婷 代云龍 胡園園

摘 要：泡沫發(fā)生器是沖砂洗井的主要應(yīng)用設(shè)備，對于泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)的設(shè)計，目前國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計的泡沫發(fā)生器多用于煤礦井下，結(jié)合油田實際生產(chǎn)情況特點，在同心管式泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，建立泡沫發(fā)生器實驗?zāi)Ｐ停肞IV技術(shù)系統(tǒng)來研究泡沫發(fā)生器內(nèi)的液體不同表觀速度、氣體的不同表觀速度對泡沫液流的影響。

關(guān) 鍵 詞：泡沫發(fā)生器；PIV技術(shù)；泡沫流體；軸向速度；徑向速度

中圖分類號：TQ 052 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1777-04

Abstract： Foam generator is the key device for sand washing and washing well. Foam generators designed by scholars at home and abroad are mostly used in the coal mine. In this paper， combined with actual production conditions in oilfields， optimal design of the structure of the concentric tube type foam generator was carried out， foam generator experimental model was established， PIV technology system was used to study the impact of liquid apparent velocity and gas apparent velocity on foam liquid flow in the foam generator.

Key words： foam generator； PIV； foam flow； axial velocity； radial velocity

一般的沖砂作業(yè)是用成本低，易處理的清水作為沖砂液。但是隨著油田長期開采，對于低壓、漏失、水敏儲層，采用常規(guī)水作為沖砂液進(jìn)行沖砂洗井等作業(yè)時，漏失嚴(yán)重，對地層傷害大，影響井的產(chǎn)能，因此，泡沫流體作為砂巖油藏沖砂液有其獨特的優(yōu)越性近年來被廣泛應(yīng)用于低壓、砂巖、稠油油藏[1，2]。而泡沫發(fā)生器作為泡沫流體沖砂洗井的關(guān)鍵性技術(shù)，氣、液兩相在其內(nèi)部的流動情況將直接影響泡沫流體的質(zhì)量以及應(yīng)用效果，對整個沖砂洗井系統(tǒng)的洗井效率有著重要的影響。

1 實驗裝置

1.1 泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)

泡沫發(fā)生器的形狀、結(jié)構(gòu)與泡沫流體的性能緊密相關(guān)，優(yōu)選出泡沫發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，對其內(nèi)部各個參數(shù)對發(fā)泡效果的影響和內(nèi)部流體流動規(guī)律，以及泡沫發(fā)生器內(nèi)泡沫形成構(gòu)成過程進(jìn)行研究，能夠有效的提高泡沫流體質(zhì)量，改善泡沫流體應(yīng)用效果，給沖砂洗井泡沫流體的制備和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

本文根據(jù)已有的泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)[3-5]通過數(shù)值模擬方法對泡沫發(fā)生器內(nèi)部流場進(jìn)行全面的分析，優(yōu)選出泡沫發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。

從圖中可以看到液體入口、變徑擴(kuò)散腔、氣液混合腔、氣體入口、擾流器、泡沫液出口。其材質(zhì)為了滿足PIV實驗要求[6]，選用有機(jī)玻璃。圖2為實驗中的裝置圖。

1.2 PIV裝置

本實驗的目的在于用一種直觀的，可視化的組合裝置、儀器來觀測流場，從而得出泡沫發(fā)生器內(nèi)氣液不穩(wěn)定流動規(guī)律，PIV技術(shù)就是用某一足夠短時間內(nèi)的平均速度代替瞬時速度的方法，通過測量流場內(nèi)不同粒子的瞬時速度進(jìn)而得到整個流場的速度場的一種裝置[7]。其原理如圖3。

2 泡沫發(fā)生器內(nèi)部流場的PIV實驗結(jié)果分析

2.1 液相流速對泡沫發(fā)生器內(nèi)部流動的影響

實驗在室溫17～22 ℃下進(jìn)行。液相為發(fā)泡劑溶液，取發(fā)泡劑濃度為1%，發(fā)泡劑密度為1 090 kg/m3，水的密度為1 000 kg/m3，泡沫劑溶液密度為1 020 kg/m3，泡發(fā)泡劑溶液粘度約為0.02 Pa·s，氣相選用空氣，室溫下空氣的密度約為1.25 kg/m3，空氣壓縮機(jī)出口壓力為2個工程壓力。發(fā)泡劑溶液的流量調(diào)節(jié)范圍為：600，650，700，750，800，850，900，950 L/h，拍攝氣液兩相在不同流量下泡沫發(fā)生器出氣管尾部位置的流場信息圖。分析得到相應(yīng)的速度云圖、矢量圖。圖4、5為Q=650 L/h，Q=850 L/h時速度云圖、矢量圖。

從圖中可以直觀的得到，氣液混合后所生成的泡沫流體與未完全混合的氣液兩相有明顯的分層，上層藍(lán)色為未混合氣體，顯示速度為零。下層為氣液混合區(qū)域。

隨著溶液流量由Q=600 L/h增大至Q=950 L/h，泡沫流體的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，出氣管尾部所形成的渦流流動越來越清晰。在本實驗中，發(fā)泡劑溶液流量為Q=850 L/h時，發(fā)泡效果最佳。流量過小或者過大都將影響泡沫流體的質(zhì)量，溶液流量過小時，泡沫易呈現(xiàn)出霧化的現(xiàn)象；而當(dāng)溶液流量過大時，泡沫流體呈現(xiàn)出水射流的現(xiàn)象。

為了能夠更直觀去、清晰地觀察分析速度分布情況以及變化規(guī)律，本文以Q=850 L/h為例，對8組泡沫發(fā)生器內(nèi)軸向、徑向速度進(jìn)行分析，如圖6、7所示。

從圖中可以明顯的看到在發(fā)生器的中心部位，大約占據(jù)0.6倍的管徑范圍內(nèi)速度最大。沿著發(fā)生器徑向方向，在發(fā)生器內(nèi)中心位置速度達(dá)到最大值，發(fā)生器內(nèi)氣液兩相混合效果最佳。

2.2 氣相流速對泡沫發(fā)生器內(nèi)部流動的影響

其它條件不變的情況下，設(shè)定發(fā)泡劑溶液的流量在400 L/h左右，調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)出口壓力，壓縮機(jī)出口壓力范圍為：1.5個工程壓力、2個工程壓力、2.5個工程壓力、3.5個工程壓力，得到相應(yīng)的速度云圖、矢量圖。圖8、9為1.5和3.5個工程壓力下的速度云圖、矢量圖。

由圖8、9可知，隨著空氣壓縮機(jī)出口壓力的增大，泡沫流體層厚度略有增加，發(fā)生器內(nèi)主流速度增大，在出氣管尾部氣液兩相所形成的渦流流動越清晰。當(dāng)空氣壓縮機(jī)出口壓力的增大到一定值時，氣相體積分?jǐn)?shù)增加，大量氣體以氣團(tuán)形式存在，在速度矢量圖、云圖中分散的藍(lán)色區(qū)域，圖像中顯示速度為零。當(dāng)壓力繼續(xù)增大時，氣液兩相在發(fā)生器內(nèi)碰撞、擠壓、混合時間縮短，影響泡沫流體的生成量以及泡沫流體質(zhì)量。同液體流速度泡沫液質(zhì)量的影響情況相比較，氣相入口壓力的變化對發(fā)生器內(nèi)部流動以及泡沫流體的流量、質(zhì)量的影響要較小。

為了能夠更直觀去、清晰地觀察分析速度分布情況以及變化規(guī)律，本文以3.5個工程壓力為例，對8組泡沫發(fā)生器內(nèi)部軸向、徑向速度場進(jìn)行分析，如圖10、11所示。

當(dāng)氣體壓力在3.5個工程壓力下時，速度最大值大于占據(jù)0.7倍管徑，氣液兩相混合效果最佳。發(fā)生器內(nèi)速度分布成拋物線型。圖11中可看出，在發(fā)生器內(nèi)Y=100～115 mm處速度最小，此處為渦流流動位置。

3 結(jié) 論

（1）當(dāng)發(fā)泡劑溶液流量初始值較低時，隨著溶液流量的增大，泡沫流體層厚度逐漸增大，、發(fā)生器內(nèi)渦流流動越明顯。當(dāng)溶液流量較大時，隨著溶液流量繼續(xù)增大，泡沫流體層厚度反而逐漸減少，在出氣管尾部形成的清晰渦流流動。在本實驗中，氣體壓力一定時，發(fā)泡劑溶液流量為Q=850 L/h時，發(fā)泡效果最佳。

（2）隨著空氣壓縮機(jī)出口壓力的增大，氣液比在一定范圍內(nèi)，泡沫流體層厚度有所增加，但泡沫流體層的厚度變化并不十分明顯；當(dāng)壓力繼續(xù)增大，氣液混合速度將達(dá)到泡沫發(fā)生器的工作極限，相反，泡沫流體層厚度將呈現(xiàn)下降趨勢，從實驗結(jié)果分析來看，空氣壓縮機(jī)出氣口壓力控制在3.5個工程壓力左右時發(fā)泡效果最佳。

（3）利用高速攝像機(jī)捕捉到氣泡在發(fā)生器內(nèi)的一系列運動過程，氣泡在發(fā)生器內(nèi)向右側(cè)移動同時與小氣泡發(fā)生接觸、碰撞、聚并的過程，氣泡的聚并是影響泡沫流體層厚度和泡沫流體穩(wěn)定性的重要因素之一。

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