气相压力对挡板式泡沫发生器影响的实验研究

    刘承婷 刘钢 闫作秀

    

    

    

    摘 ?????要： 地层出砂会影响油井产量，增加产液流动阻力，泡沫可以携带井底砂砾流出，泡沫发生装置结构相对简单，维护费用低。在洗井冲砂中使用泡沫发生器可以取得很好经济效益。运用实验手段研究了泡沫发生器内流场分布规律，讨论不同气相入口对腔内速度分布的影响规律。结果表明： 随着气体压力的增加，泡沫流动速度逐渐增大，在挡板后产生涡量变大，产生涡量处会逐渐聚集气泡，形成小空穴;泡沫的稳定性随着入口压力增大而减小。

    关 ?键 ?词：挡板式泡沫发生器;两相流;粒子图像测速技术;基液

    中图分类号：TQ 052 ??????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）01-0144-04

    Abstract： Formation sand production will affect oil well output and increase fluid flow resistance. Foam can carry sand and gravel out of the bottom of the well. Foam generating device has relatively simple structure and low maintenance cost. The use of foam generator in well washing sand blasting can obtain good economic benefit. In this paper， the distribution of flow field in foam generator was studied by means of experiment. The results showed that with the increase of gas pressure， the bubble flow velocity gradually increased， and the vorticity increased behind the baffle， and the bubble gradually gathered at the point and the cavity was generated， forming small holes. The stability of foam decreased with the increase of inlet pressure.

    Key words： Baffle foam generator; Two-phase flow; Particle image velocity measurement technology; Base fluid

    常規油井冲砂作业采用清水作为媒介[1]，但随着油井和地层开采，漏失大和地层水敏等原因，洗井效率低下，降低油井产液效率[2]。泡沫密度低，方便调节气液比，能够乳化管壁结蜡和沥青等附着物[3，4]，携砂能力强[5]。本文研究气相压力对挡板式泡沫发生器影响，利用PIV（高速粒子成像技术）对泡沫发生器内部速度流场进行分析。

    1 ?实验模型建立

    1.1 ?实验装置

    挡板式泡沫发生器结构复杂，湍流流场随机性大，流线复杂，流场旋涡多，是用实验方式研究的准确高效的方法，运用PIV（高速粒子成像技术）来研究泡沫发生器腔室内部流场瞬时速度分布，加入示踪粒子，观测实际流动状态，用以模拟追踪水质点运动状态，运用tecplot 360 软件，对拍摄照片进行数据处理，使流动规律更加清晰理解。选用空心玻璃微珠当示踪粒子。利用镜头（图1a）和激光（图1b、图1c）观察“质点”的空间位置运动，运用调节空气压缩机机排气压力和基液流量，镜头对实验装置（图2）曝光时间极短（10-3 s内曝光）可认为速度恒定，即可得出腔室结构内部瞬时速度分布。控制台如图3。

    1.2 ?实验基本参数

    实验基本参数见表1。

    2 ?实验处理与分析

    实验中用镜头泡沫发生器内部挡板处流动进行高速摄像拍摄，共拍摄了2 700余幅激光照射示踪粒子图像，截取其中1幅图片为做流场分析，如图4所示。

    导入后处理软件tecplot 360进行矢量云图处理。调节空气压缩机旋钮，调整气体出口压力，运用镜头拍摄空气和基液混合后流经泡沫发生器中部腔体的速度场照片图，观察不同供气压力下的内部腔室流场状态。经过拍摄的照片保存后导入tecplot 360 图像软件，运用矢量处理后得到瞬时速度向量图，瞬时速度云图，如图5所示。

    在泡沫发生器腔内部，气液两相已经混合均匀，选着拍摄此处速度矢量，能够验证结构的合理性，。在入口处气泡和基液相遇，发生掺混，流经喉管加速，随后经过挡板的碰撞、扰流、旋转、运移后，充分混合后流出泡沫发生器，由于挡板处处于驻点区域[6，7]，驻点可以改变流动方向，两相流流经挡板流线曲折，呈波状向后流动，随着气体压力的增加泡沫流动速度逐渐增大，产生涡量变大，形成粘涡更明显，在挡板后，脱体现象更加明显[8，9]。

    在开始流经第二个挡板时，流速随流动方向略有增加，当流体遇到下一个挡板时，挡板后侧区域流体流速较低，基本不随轴线流动状态扰动随着流动中心的扰动，只在挡板后面产生大量涡流并旋转，在旋转中心处的速度很小，有利于气泡在此聚集，会存在一些气泡，同时会存在部分速度为零的区域是镜头拍摄壳体反光和气泡界面反光造成的。分析时，应当结合未处理的图片进行分析筛选。

    将实验产生的泡沫静置在500 mL的量筒内，观察泡沫衰减的变化情况，记录所需要的时间t如表2所示。在液相基液流量恒定时，产生泡沫后衰减溃灭的时间随着气体入口压力的增大而减小，且在0.1～0.35 MPa变化关系内基本如图6表示，呈线性变化。

    3 ?结 论

    （1）实验表明挡板式泡沫发生器，可以产生大量泡沫，可以为井下冲砂洗井作业使用，操作方便。

    （2）随着气体压力的增加，泡沫流动速度逐渐增大，在挡板后产生涡量变大，产生窝量处会逐渐聚集气泡，形成小空穴，但是增加扰流作用，是流出泡沫发生器的气泡数量更多。

    （3）当气体入口压力增大时，泡沫内部气体压力也会升高。在泡沫内外压差作用下，泡沫的衰减时间随入口压力增加而减小，且基液流量小产生的泡沫的稳定性差，实验过程中结束之前就会有部分泡沫溃灭。

    参考文献：

    [1]国丽萍.复杂流体流动[M].北京：中国石化出版社，2015-05：27-35.

    [2]陈举师，蒋仲安，姜兰，王明.露天矿潜孔钻机泡沫发生器及其流量特性的实验研究[J].煤炭学报，2015（S1）：132-138.

    [3]奚志林，王德明，王和堂.礦用有机固化泡沫发泡器的理论研究与设计[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2009（04）：11-15.

    [4]李松岩，李兆敏，李宾飞，张传举.泡沫发生器内部流场的数值模拟[J].石油矿场机械，2009（02）：5-11.

    [5]刘承婷，衣蕊，栾伯川.挡板式泡沫发生器内部流场分析[J].当代化工，2017，46（07）：1422-1425+1429.

    [6]吕春胜，苏琳.1-C_（10）/1-C_（14）混合烯烃齐聚制备高性能润滑油基础油[J].当代化工，2017，46（04）：625-628.

    [7]胡园园. 挡板式泡沫发生器内部流动规律研究[D].东北石油大学，2017.

    [8]刘承婷，张维薇，刘钢，闫作秀.螺旋挡板式泡沫发生器的设计及内部流动特性研究[J].数学的实践与认识，2018，48（08）：120-127.

    [9]Tonon， F. Determining Fracture Size Probability Distribution Functions From Trace Length Probability Distribution Functions[C]. International Society for Rock Mechanics，2007， January 1.