泡沫发生器内气液不稳定流动规律研究

刘承婷 代云龙 胡园园

摘 要：泡沫发生器是冲砂洗井的主要应用设备，对于泡沫发生器结构的设计，目前国内外学者设计的泡沫发生器多用于煤矿井下，结合油田实际生产情况特点，在同心管式泡沫发生器结构上进行设计优化，建立泡沫发生器实验模型，利用PIV技术系统来研究泡沫发生器内的液体不同表观速度、气体的不同表观速度对泡沫液流的影响。

关 键 词：泡沫发生器；PIV技术；泡沫流体；轴向速度；径向速度

中图分类号：TQ 052 文献标识码： A 文章编号： 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

一般的冲砂作业是用成本低，易处理的清水作为冲砂液。但是随着油田长期开采，对于低压、漏失、水敏储层，采用常规水作为冲砂液进行冲砂洗井等作业时，漏失严重，对地层伤害大，影响井的产能，因此，泡沫流体作为砂岩油藏冲砂液有其独特的优越性近年来被广泛应用于低压、砂岩、稠油油藏[1，2]。而泡沫发生器作为泡沫流体冲砂洗井的关键性技术，气、液两相在其内部的流动情况将直接影响泡沫流体的质量以及应用效果，对整个冲砂洗井系统的洗井效率有着重要的影响。

1 实验装置

1.1 泡沫发生器结构

泡沫发生器的形状、结构与泡沫流体的性能紧密相关，优选出泡沫发生器的结构，对其内部各个参数对发泡效果的影响和内部流体流动规律，以及泡沫发生器内泡沫形成构成过程进行研究，能够有效的提高泡沫流体质量，改善泡沫流体应用效果，给冲砂洗井泡沫流体的制备和应用提供理论基础。

本文根据已有的泡沫发生器结构[3-5]通过数值模拟方法对泡沫发生器内部流场进行全面的分析，优选出泡沫发生器的结构，其结构简图如图1。

从图中可以看到液体入口、变径扩散腔、气液混合腔、气体入口、扰流器、泡沫液出口。其材质为了满足PIV实验要求[6]，选用有机玻璃。图2为实验中的装置图。

1.2 PIV装置

本实验的目的在于用一种直观的，可视化的组合装置、仪器来观测流场，从而得出泡沫发生器内气液不稳定流动规律，PIV技术就是用某一足够短时间内的平均速度代替瞬时速度的方法，通过测量流场内不同粒子的瞬时速度进而得到整个流场的速度场的一种装置[7]。其原理如图3。

2 泡沫发生器内部流场的PIV实验结果分析

2.1 液相流速对泡沫发生器内部流动的影响

实验在室温17～22 ℃下进行。液相为发泡剂溶液，取发泡剂浓度为1%，发泡剂密度为1 090 kg/m3，水的密度为1 000 kg/m3，泡沫剂溶液密度为1 020 kg/m3，泡发泡剂溶液粘度约为0.02 Pa·s，气相选用空气，室温下空气的密度约为1.25 kg/m3，空气压缩机出口压力为2个工程压力。发泡剂溶液的流量调节范围为：600，650，700，750，800，850，900，950 L/h，拍摄气液两相在不同流量下泡沫发生器出气管尾部位置的流场信息图。分析得到相应的速度云图、矢量图。图4、5为Q=650 L/h，Q=850 L/h时速度云图、矢量图。

从图中可以直观的得到，气液混合后所生成的泡沫流体与未完全混合的气液两相有明显的分层，上层蓝色为未混合气体，显示速度为零。下层为气液混合区域。

随着溶液流量由Q=600 L/h增大至Q=950 L/h，泡沫流体的体积分数逐渐增大，出气管尾部所形成的涡流流动越来越清晰。在本实验中，发泡剂溶液流量为Q=850 L/h时，发泡效果最佳。流量过小或者过大都将影响泡沫流体的质量，溶液流量过小时，泡沫易呈现出雾化的现象；而当溶液流量过大时，泡沫流体呈现出水射流的现象。

为了能够更直观去、清晰地观察分析速度分布情况以及变化规律，本文以Q=850 L/h为例，对8组泡沫发生器内轴向、径向速度进行分析，如图6、7所示。

从图中可以明显的看到在发生器的中心部位，大约占据0.6倍的管径范围内速度最大。沿着发生器径向方向，在发生器内中心位置速度达到最大值，发生器内气液两相混合效果最佳。

2.2 气相流速对泡沫发生器内部流動的影响

其它条件不变的情况下，设定发泡剂溶液的流量在400 L/h左右，调节空气压缩机出口压力，压缩机出口压力范围为：1.5个工程压力、2个工程压力、2.5个工程压力、3.5个工程压力，得到相应的速度云图、矢量图。图8、9为1.5和3.5个工程压力下的速度云图、矢量图。

由图8、9可知，随着空气压缩机出口压力的增大，泡沫流体层厚度略有增加，发生器内主流速度增大，在出气管尾部气液两相所形成的涡流流动越清晰。当空气压缩机出口压力的增大到一定值时，气相体积分数增加，大量气体以气团形式存在，在速度矢量图、云图中分散的蓝色区域，图像中显示速度为零。当压力继续增大时，气液两相在发生器内碰撞、挤压、混合时间缩短，影响泡沫流体的生成量以及泡沫流体质量。同液体流速度泡沫液质量的影响情况相比较，气相入口压力的变化对发生器内部流动以及泡沫流体的流量、质量的影响要较小。

为了能够更直观去、清晰地观察分析速度分布情况以及变化规律，本文以3.5个工程压力为例，对8组泡沫发生器内部轴向、径向速度场进行分析，如图10、11所示。

当气体压力在3.5个工程压力下时，速度最大值大于占据0.7倍管径，气液两相混合效果最佳。发生器内速度分布成抛物线型。图11中可看出，在发生器内Y=100～115 mm处速度最小，此处为涡流流动位置。

3 结 论

（1）当发泡剂溶液流量初始值较低时，随着溶液流量的增大，泡沫流体层厚度逐渐增大，、发生器内涡流流动越明显。当溶液流量较大时，随着溶液流量继续增大，泡沫流体层厚度反而逐渐减少，在出气管尾部形成的清晰涡流流动。在本实验中，气体压力一定时，发泡剂溶液流量为Q=850 L/h时，发泡效果最佳。

（2）随着空气压缩机出口压力的增大，气液比在一定范围内，泡沫流体层厚度有所增加，但泡沫流体层的厚度变化并不十分明显；当压力继续增大，气液混合速度将达到泡沫发生器的工作极限，相反，泡沫流体层厚度将呈现下降趋势，从实验结果分析来看，空气压缩机出气口压力控制在3.5个工程压力左右时发泡效果最佳。

（3）利用高速摄像机捕捉到气泡在发生器内的一系列运动过程，气泡在发生器内向右侧移动同时与小气泡发生接触、碰撞、聚并的过程，气泡的聚并是影响泡沫流体层厚度和泡沫流体稳定性的重要因素之一。

参考文献：

[1] 李兆敏，李冉，史江恒，安志波. 泡沫在油气田开发中的应用及展望（Ⅰ）起泡剂及泡沫流体在井筒中的应用[J]. 油田化学，2012（04）：507-512.

[2] 李兆敏，李冉，刘伟，高强. 泡沫在油气田开发中的应用及展望（Ⅱ）泡沫流体在近井及地层中的应用[J]. 油田化学，201（01）：155-160.

[3] 申瑞臣. 泡沫发生器结构设计综述[J]. 石油机械，1993（05）：52-55.

[4] 刘伯政，康善修，杨德寿. 一种泡沫发生系统及其应用[J]. 西部探矿工程，2008（09）：55-57.

[5] 蒋仲安，李怀宇，杜翠凤. 泡沫发生器性能和除尘效率的实验研究与分析[J]. 金属矿山，1996（05）：41-43+54.

[6] 徐玉明，迟卫，莫立新. PIV测试技术及其应用[J]. 舰船科学技术，2007（03）：101-105.

[7] 孫鹤泉，沈永明，王永学，康海贵，李广伟. PIV技术的几种实现方法[J]. 水科学展，2004（01）：105-108.