氣溶膠發(fā)生器制備氣溶膠體系影響因素

摘要：針對氣竄控制方法中高含水率易對地層造成傷害的問題，利用氣溶膠作為氣竄調(diào)控技術(shù)，研究氣溶膠氣液比、氣液流量和壓力的主要影響因素。利用ANSYS中Fluent等軟件對氣溶膠發(fā)生器的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，研究氣液質(zhì)量流量和氣液腔尺寸對氣溶膠發(fā)生器內(nèi)氣液流動規(guī)律的影響，模擬計算氣液注入?yún)?shù)與發(fā)生器出口壓力的關(guān)系。結(jié)果表明：在一定的氣體入口質(zhì)量流量下，液體存在一個合理的流量區(qū)間，液體的上限流量和下限流量都隨著二氧化碳流量（Qg）的增大而增大，但液體的上限流量變化更為顯著；相比于泡沫驅(qū)、WAG等控制氣竄方法，通過改變發(fā)生器中氣腔/液體腔的橫截面積比以及氣體的注入?yún)?shù)，可以獲得更寬的氣液流量比范圍，氣液比上限可超過100，發(fā)生器的出口注入壓力可超過20 MPa，滿足現(xiàn)場氣體的注入需要。

關(guān)鍵詞：氣溶膠； 氣溶膠發(fā)生器； 氣竄； 氣驅(qū)

中圖分類號：TE 377"" 文獻標志碼：A

引用格式：蔣平，郭凱，馮可心，等.氣溶膠發(fā)生器制備氣溶膠體系影響因素［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2024，48（5）：146-150.

JIANG Ping， GUO Kai， FENG Kexin， et al. Influencing factors of aerosol system preparation by aerosol generator［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2024，48（5）：146-150.

Influencing factors of aerosol system preparation by aerosol generator

JIANG Ping1， GUO Kai1， FENG Kexin1， ZHANG Guicai1， GE Jijiang1， PEI Haihua1， QI Ning1，2

（1.Key Laboratory of Unconventional Oil amp; Gas Development（China University of Petroleum （East China）），

Ministry of Education， Qingdao 266580， China;

2.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China）

Abstract： To overcome the problem of high water content easily causing damage to the formation in the gas channeling control method， the aerosols was used as gas channeling control technology investigate the main influencing factors of gas-liquid mass flow rate ratio， flow rate range and pressure. The structure of the aerosol generator was designed using the Fluent software in ANSYS.The effects of gas-liquid mass flow rate and gas-liquid chamber size on the gas-liquid flow regularity in the aerosol generator were studied， and the relationship between gas-liquid injection parameters and generator outlet pressure was simulated and calculated. It is shown that there is an optimal flow rate range for liquids at a given gas inlet mass flow rate. Both the upper and lower limit flow rates of the liquid increase with the increase of Qg， but the upper limit flow rate of the liquid changes more significantly. Compared to foam flooding， WAG and other methods of controlling gas channeling， by varying the cross-sectional area ratio of the gas/liquid chamber in the generator and the gas injection parameters， a wider range of gas-liquid flow rate ratios can be obtained. The upper limit of the gas-liquid ratio can exceed 100 and the outlet pressure of the generator can reach 20 MPa or more， which meets the need for gas injection.

Keywords： aerosol; aerosol generator; gas channeling; gas flooding

氣驅(qū)是一種重要的提高采收率技術(shù)［1］，由于儲層的非均質(zhì)性以及氣液流度的差異，氣驅(qū)過程中容易出現(xiàn)氣竄現(xiàn)象，從而導致氣驅(qū)的波及系數(shù)較低?？刂茪飧Z的方法主要有水-氣交替注入（WAG）［2］、水氣同注［3］以及泡沫驅(qū)［4-6］等。氣溶膠是一種由液體或固體小顆粒懸浮在氣體中形成較穩(wěn)定的多分散體系［7-8］，其粒徑范圍為0.001～100 μm。自然界存在的大量天然的氣溶膠體系，如粉塵氣溶膠、霧狀氣溶膠［9-10］。同時人為活動也會產(chǎn)生不同類型的氣溶膠，如焚燒過程產(chǎn)生的固體顆粒氣溶膠顆粒［11-13］。利用霧化技術(shù)產(chǎn)生的人造氣溶膠體系也被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如發(fā)動機中將燃料霧化成氣溶膠可以大幅度提高油料的燃燒效率［14］，將阻燃劑霧化后可提高消防滅火作業(yè)的效率［15］。蔣平等［16-17］提出將液體以霧狀形式分散到氣體中制備成氣溶膠體系，從而利用氣溶膠中小液滴與氣體兩相產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)調(diào)控氣體流度、控制氣竄的技術(shù)思路，相比于其他氣竄調(diào)控方法，氣溶膠體系可以具有更低的含水量和更高的含氣量，并且不存在泡沫體系在高含氣量下的破裂問題。制備氣溶膠的發(fā)生器主要有撞擊式霧化、壓力式霧化、雙流體式霧化以及超聲霧化和氣泡霧化等方法，其中利用氣泡破碎原理的氣泡霧化式氣溶膠發(fā)生器具有設(shè)備簡便、氣體流量范圍廣、所需壓力低等優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用［18］。筆者利用ANSYS中Fluent等軟件對氣溶膠發(fā)生器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，研究氣液質(zhì)量流量和氣液腔尺寸對氣溶膠發(fā)生器內(nèi)氣液流動規(guī)律的影響，模擬計算氣液注入?yún)?shù)與發(fā)生器出口壓力的關(guān)系。

1 氣溶膠發(fā)生器模型及模擬方法

利用ANSYS軟件的SpaceClaim軟件建立氣溶膠發(fā)生器的模型，進而采用Fluent模塊對氣溶膠發(fā)生器中的流場、壓力場進行模擬計算，氣溶膠發(fā)生器結(jié)構(gòu)剖面圖見圖1。其中A端為發(fā)生器液體入口，B端為發(fā)生器氣體入口，氣體從C口進入混合腔D與液體發(fā)生混合產(chǎn)生泡狀流，混合后的體系從E口噴射破碎產(chǎn)生氣溶膠。氣溶膠從E出口進入一個封閉的圓柱形流域，用以模擬產(chǎn)生的氣溶膠進入注入管道。

在研究中固定氣溶膠發(fā)生器的整體長度（A端至E端）為102 mm，發(fā)生器外壁、氣腔壁以及管道壁厚度均為2 mm，外徑22 mm。采用單出口式，出氣孔D的數(shù)量為一周8個且出氣孔向下傾斜45°，出氣孔D直徑為2 mm，出口外接圓柱形流域長度100 mm，直徑20 mm。模擬中使用的氣體為二氧化碳，模型中的液相為水。研究中主要改變模型中氣腔和液體腔的橫截面積比，模擬計算了不同氣液質(zhì)量流量下流場和壓力場的變化規(guī)律。

2 結(jié)果分析

當模型結(jié)構(gòu)尺寸一定的情況下，氣體和液體的注入?yún)?shù)會顯著影響發(fā)生器中氣液流場的形態(tài)。當氣液比過大或過小時，會影響氣液混合后產(chǎn)生氣溶膠的效率。圖2為二氧化碳入口質(zhì)量流量Qg=0.024 g/s時，不同水的入口質(zhì)量流量下，氣溶膠發(fā)生器內(nèi)部流場的變化規(guī)律?？梢钥闯?，當水入口質(zhì)量流量（Ql）過大時（圖2（e）、（f）），出現(xiàn)了水逐漸侵入到氣腔中的現(xiàn)象，從而導致氣腔積液，最終影響二氧化碳進入氣液混合腔。當液體的入口質(zhì)量流量過低時（圖2（a）、（b）），則出現(xiàn)二氧化碳進入環(huán)空并且向上回流的現(xiàn)象，從而抑制液體進入氣液混合腔。這說明當氣體流量一定的情況下液體存在一個合理的質(zhì)量流量上限（Qlup）和質(zhì)量流量下限（Qllo），即存在一個合理的氣液質(zhì)量流量比（mGLR）。因此須研究氣溶膠發(fā)生器結(jié)構(gòu)以及氣體注入?yún)?shù)對Qlup、Qllo和mGLR的影響規(guī)律。

2.1 氣體質(zhì)量流量對液體流速的影響

基于上述模型模擬氣液腔橫截面積比為0781、不同二氧化碳入口質(zhì)量流量下合理的液體流量范圍以及對應(yīng)的mGLR。

由圖3看出，氣體的質(zhì)量流量從0.024 g/s增大到20 g/s時，液體的質(zhì)量流量上限從48 g/s增大到1 026 g/s，提高了21.4倍，但是液體流量下限僅增大了2.7倍。這說明二氧化碳入口質(zhì)量流量對液體上限流量的影響較為顯著，而下限流量的增加幅度相對較小。

這說明在制備氣溶膠體系時，氣液比的調(diào)控范圍隨著氣體注入速度的增大而增大。比如當氣體的流量為1 g/s，液體的下限流量為32 g/s，上限流量為230 g/s，若換算為標況下的氣液體積比分別為25和3.48。但是當氣體的流量達到20 g/s，液體的下限流量為100 g/s，上限流量為600 g/s，換算為標況下的氣液體積比分別為101.16以及16.86，這表明增大氣體注入速度可大幅度提高氣液比范圍，而當氣液比超過98∶2時難以形成泡沫，所以這一氣液比的上限是泡沫驅(qū)無法實現(xiàn)的。

2.2 氣液腔橫截面積比對氣液流量的影響

研究氣液腔橫截面積比對氣體和液體流量質(zhì)量比范圍的影響，改變氣液腔橫截面積比為2.882、2.118、0.781、0.161，模擬不同二氧化碳入口質(zhì)量流量時的合理液體流量，結(jié)果見圖4、5。

從圖4和5看出，當二氧化碳的入口質(zhì)量流量一定時，隨著氣腔橫截面積比的增大，水的入口質(zhì)量流量上、下限逐漸減小，導致mGLR不斷增大。因此增大氣液腔橫截面積比可獲得更大的mGLR調(diào)控范圍。

2.3 不同注入?yún)?shù)下氣溶膠發(fā)生器出口壓力

氣液兩相體系在氣溶膠發(fā)生器內(nèi)部腔體混合后在出口發(fā)生流道的急劇變化，因此氣液的注入?yún)?shù)會直接影響氣溶膠發(fā)生器的出口壓力，而出口的壓力又會影響其向地層注入性能。

圖6為利用氣液腔橫截面積比為0.781的氣溶膠發(fā)生器模型，模擬

Qg=0.024～20 g/s的情況下，氣溶膠發(fā)生器出口壓力的變化規(guī)律?？梢钥闯?，出口壓力隨著氣體注入量的增大呈現(xiàn)指數(shù)級增大，當氣體的入口流量達到20 g/s時，氣溶膠發(fā)生器出口壓力超過20 MPa。

3 結(jié) 論

（1）在一定的二氧化碳入口質(zhì)量流量下，液體存在一個合理的流量區(qū)間，并且液體的上限流量和下限流量都隨著二氧化碳流量的增大而增大，但液體的上限流量變化更為顯著。

（2）相比于泡沫驅(qū)或WAG等氣竄調(diào)控方法，氣溶膠可以獲得更寬的氣液流量比范圍，氣液比上限可以超過100，大大超過了泡沫驅(qū)中氣液比的上限。

（3）固定二氧化碳的入口質(zhì)量流量不變時，增大氣液腔橫截面積比可獲得更大的mGLR調(diào)控范圍。

（4）當氣體的注入流量達到20 g/s時，氣溶膠發(fā)生器出口壓力超過20 MPa，可以滿足現(xiàn)場氣體的注入需要。

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（編輯 劉為清）