泡沫鉆井用熱輻射物理消泡裝置研制

王 萍，李 英，張 斌，楊景利，陳金儀，申 福

（1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257000；2.山東大學(xué)，濟(jì)南250100；3.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；4.塔里木油田第二勘探公司，新疆庫爾勒841000） ①

泡沫鉆井用熱輻射物理消泡裝置研制

王 萍1，李 英2，張 斌1，楊景利1，陳金儀3，申 福4

（1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257000；2.山東大學(xué)，濟(jì)南250100；3.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；4.塔里木油田第二勘探公司，新疆庫爾勒841000） ①

泡沫鉆井液能降低壓持效應(yīng)、提高機(jī)械鉆速，適用于低壓、易漏失地層的鉆井、完井、修井等工藝，但出井鉆井液存在消泡問題。利用溫度和負(fù)壓聯(lián)合作用消泡機(jī)理，研制了熱輻射物理消泡裝置，能夠提高消泡效率，降低能耗，實(shí)現(xiàn)基液循環(huán)利用。重點(diǎn)介紹了該裝置的結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制技術(shù)，以及熱輻射管的選擇和安裝。

泡沫鉆井；熱輻射；負(fù)壓；消泡

泡沫鉆井液具有靜液柱壓力低、濾失量小、攜砂性能好、助排能力強(qiáng)及對(duì)儲(chǔ)層傷害小等特性［1］，廣泛應(yīng)用于低壓、易漏失地層的鉆井、完井、修井和油氣井增產(chǎn)措施中。但是，出井液體的消泡是技術(shù)難點(diǎn)之一，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆井中泡沫基液的循環(huán)利用效率降低，經(jīng)濟(jì)效益下降，并對(duì)環(huán)境造成一定污染，限制和影響了該技術(shù)的有效應(yīng)用。目前，國(guó)外主要采用化學(xué)法實(shí)現(xiàn)鉆井泡沫的消除和循環(huán)利用［2］，國(guó)內(nèi)通過調(diào)節(jié)pH值使泡沫消除或再生。本文探索利用溫度、壓力等物理因素使泡沫消除的方法，實(shí)現(xiàn)泡沫的快速消除，而不破壞基液性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)基液循環(huán)利用。重點(diǎn)是確定熱輻射裝置的結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化控制技術(shù)，并確定最優(yōu)技術(shù)控制條件和參數(shù)。

1 結(jié)構(gòu)

熱輻射物理消泡裝置主要由消泡罐、真空泵、清水泵、加熱棒、液位計(jì)以及PLC控制系統(tǒng)等組成，采用了負(fù)壓和熱輻射技術(shù)。裝置原理如圖1。①將泡沫導(dǎo)入密閉容器內(nèi)，用真空泵對(duì)容器進(jìn)行抽真空，制造泡沫內(nèi)外氣壓差；②利用容器內(nèi)安裝的加熱管進(jìn)行熱輻射加熱，使得泡沫內(nèi)氣體膨脹。在2種作用的驅(qū)使下，泡沫更容易破裂變?yōu)橐后w，便于循環(huán)利用。

圖1 熱輻射物理消泡裝置原理

1.1 各部件功能

1） 泡沫入口管 與1段軟管連接，深入泡沫池子中吸收泡沫。

2） 帶孔隔板 是1塊置于消泡罐上方的帶孔不銹鋼板，防止進(jìn)入罐內(nèi)的泡沫因?yàn)檫^多或者消泡不及時(shí)而從出氣孔溢出。

3） 消泡罐 盛載泡沫液體，可承受－0.1 MPa的負(fù)壓。

4） 傘狀板 避免泡沫直接流到罐底部，使泡沫能夠在傘面上停留一段時(shí)間，使得泡沫受熱更均勻，增強(qiáng)消泡效率。

5） 壓力計(jì) 顯示消泡罐內(nèi)的真空度，并通過遠(yuǎn)傳單元將信號(hào)傳給控制系統(tǒng)。

6） 氣體出口（接真空泵） 通過真空泵往外抽氣，使得罐內(nèi)壓力低于大氣壓力，泡沫在外部大氣壓力的作用下進(jìn)入罐內(nèi)，通過負(fù)壓的作用使泡沫體積增大而破裂，達(dá)到消泡的目的。

7） 加熱棒 材料為碳纖維石英，具有穩(wěn)定性高、安全性高、升溫速度快、耐腐蝕性強(qiáng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。受總電路控制，對(duì)罐內(nèi)泡沫進(jìn)行均勻熱輻射加熱，溫度通過傳感器檢測(cè)，信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，可以由觸摸屏控制開、關(guān)。

8） 液位計(jì) 為磁翻板液位計(jì)，通過液位計(jì)的紅色指示來顯示罐內(nèi)消泡后的液位，也可把液位信號(hào)傳給控制系統(tǒng)。

9） 液位出口（接清水泵） 當(dāng)消泡后的液體到達(dá)一定液位，開動(dòng)水泵，罐內(nèi)消泡后產(chǎn)生的液體可由此排出罐內(nèi)；水泵前加單向止回閥，以保證抽真空時(shí)關(guān)閉出液口。

2 工作原理

2.1 泡沫破滅機(jī)理

目前普遍認(rèn)為，泡沫的衰變機(jī)理主要是泡沫中液體的流失和氣體透過液膜擴(kuò)散。通過3個(gè)過程，使表面活性劑溶液和氣體最終分離成獨(dú)立的溶液和氣體。

1） 泡沫中液體的流失。在重力作用和毛細(xì)管力的作用下，氣泡間的液體析出，使得氣泡與液體分離，稱為泡沫析液［3］。

2） 內(nèi)部高壓力的小氣泡中分子通過液膜向相鄰低壓力大氣泡擴(kuò)散，造成氣泡合并，稱為氣泡聚并。

3） 氣泡間液膜的破裂造成相鄰氣泡合并，稱為液膜破裂。

2.2 熱輻射和負(fù)壓消泡的工作原理

在熱輻射的作用下，泡沫液膜中的水受熱蒸發(fā)，液膜變薄而破裂。同時(shí)，氣液界面上分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，氣體通過氣液界面的擴(kuò)散速率增大。在負(fù)壓場(chǎng)的作用下，泡沫內(nèi)外壓力差增大，氣泡膨脹使得液膜變薄，泡沫尺寸分布變大，氣泡聚并程度增大。在這些因素的共同作用下，泡沫得以迅速消除，并且不影響泡沫基液的基本性質(zhì)。

3 技術(shù)參數(shù)

熱輻射消泡裝置容積 3.5m3

加熱功率 10kW

工作壓力 －0.1MPa

泡沫處理量 70m3／h

消泡效率 ＞80%

4 熱輻射管的選擇

4.1 選擇要求

1） 熱效率高，升溫速度極快。

2） 電氣性能穩(wěn)定。

3） 耐酸、耐腐蝕。

4） 環(huán)保。

5） 壽命長(zhǎng)。

4.2 炭纖維石英管

選擇碳纖維石英管作為加熱元件，在加熱管（如圖2所示）的背面涂上1層反射層，避免熱量輻射到無效部位，使得熱輻射集中到罐中的泡沫部位，更好地利用熱量，提高熱效率。

圖2 碳纖維石英加熱管結(jié)構(gòu)

碳纖維石英管的性能特點(diǎn)：

1） 碳纖維發(fā)熱體是一種純黑體材料，具有升溫迅速、熱滯后小、發(fā)熱均勻、熱輻射傳遞距離遠(yuǎn)、熱交換速度快等特點(diǎn)，電熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98%，升溫速度快。加熱5s可使表面溫度達(dá)300～700℃。

2） 封裝材料采用高純度脫羥基石英玻璃管，熱膨脹系數(shù)極小，有極高的熱穩(wěn)定性，能承受劇烈的溫度變化而不炸裂（溫差可達(dá)上千度）。石英玻璃是良好的耐酸材料（氫氟酸除外），相當(dāng)于耐酸陶瓷的30倍、不銹鋼（鎳鉻合金）的150倍。

3） 碳纖維石英電熱管壽命＞6 000h。在頻繁啟動(dòng)、關(guān)閉和長(zhǎng)期連續(xù)工作中，發(fā)熱體無氧化和擊穿現(xiàn)象，發(fā)熱光色均勻、管壁內(nèi)外清潔。

4） 燃點(diǎn)不需要鎮(zhèn)流器，啟動(dòng)時(shí)無脈沖電流沖擊，使電源、保護(hù)電路簡(jiǎn)單化，電源及相關(guān)電器使用壽命延長(zhǎng)。

5） 與金屬發(fā)熱體不同，碳纖維完全避免了電磁場(chǎng)的產(chǎn)生，故無高頻輻射（只有遠(yuǎn)紅外輻射），無微波、電磁波。由于是純黑體材料，無光污染，不刺激眼睛和灼傷皮膚。

4.3 安裝要求

采用6根直型加熱管繞罐體1周均勻排列，使加熱管加熱更均勻，加熱效率更高。

圖3 加熱管安裝示意

5 加熱和控制方法

利用PLC可編程序控制器，根據(jù)遠(yuǎn)傳真空表的壓力信號(hào)（0～5V）、溫度傳感器信號(hào)（4～20mA）以及液位傳感器的信號(hào)（4～20mA），實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。所有操作均在人機(jī)界面（觸摸屏）上完成，人機(jī)界面與PLC之間采用RS485協(xié)議進(jìn)行通訊。如圖4。

裝置可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，水泵按照液位控制自動(dòng)啟停；加熱根據(jù)溫度自動(dòng)啟停；進(jìn)液根據(jù)時(shí)間自動(dòng)開啟。

圖4 操作界面

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研制的熱輻射消泡裝置在勝利油田ZG14－D2井進(jìn)行了試驗(yàn)。四開（井深4 128～4 380m）152.4 mm井眼實(shí)施氮?dú)馀菽@井。注氣量60m3／min，泡沫鉆井液排量3～5L／s，每天產(chǎn)生的泡沫量約為1 500m3。熱輻射消泡裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吸入泡沫，消泡后排除液體。由于此次試驗(yàn)氣溫在－10℃，裝置每天處理量約700m3，消泡效率約75%，與設(shè)計(jì)計(jì)算值有差距。

7 結(jié)論

1） 通過熱輻射與負(fù)壓法聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)鉆井液泡沫的迅速消除，不破壞基液性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)基液循環(huán)利用。

2） 熱輻射消泡裝置在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。

3） 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)可加大熱輻射加熱功率，或增加設(shè)備數(shù)量來滿足處理量的要求。

［1］ 楊 謀，孟英峰，李 皋，等.提高深井機(jī)械鉆速的有效方法［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（8）：6－8.

［2］ YUEHUA SUI，XIAOHUA CHENG，QIANG SUN，et al.Research and application of recirculating foam drilling and completion fluid［R］.SPE 59 267.

［3］ 藍(lán) 強(qiáng)，李公讓，薛玉志，等.泡沫鉆井液排液作用機(jī)理研究進(jìn)展［J］.石油工程技術(shù)，2008，6（4）：44－48.

Study of Thermal Radiation Foam－breaking Apparatus in Foam Drilling

WANG Ping1，LI Ying2，ZHANG Bin1，YANG Jing－li1，CHEN Jin－yi3，SHEN Fu4
（1.Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Administration，Dongying257000，China；2.Shandong University，Jinan250100，China；3.Lanpec Technologies Limited，Lanzhou730070，China；4.No.2 Drilling Company，Tarim Oilfield，Korla841000，China）

Foam drilling can reduce the pressure－cutting－h(huán)olding effect，enhance the mechanic drilling rate，thus is suitable for well drilling，completion and workover for low pressure，lost－circulation formation.However，problem is the difficulty to defoam the drilling fluid out of the well.Utilizing the defoaming mechanism of combined use of temperature and negative pressure，we had designed and built a physical defoam apparatus.The apparatus can increase the defoam efficiency，reduce the energy cost，and recycle the base fluid.The structure of the apparatus，the heat radiation pipe selection and installation and control automatics technology are introduced in the article.

foam drilling；thermal radiation；negative pressure；foam－breaking

1001－3482（2012）08－0066－03

TE926

A

2012－03－08

國(guó)家重大專項(xiàng)“低滲油氣田高效開發(fā)鉆井技術(shù)”（2011ZX05022）

王 萍（1975－），女，山東安丘人，工程師，主要從事鉆井液技術(shù)研究，E－mail：wangping265.slyt＠sinopec.com。