CN101564607A - 多元粘稠泡沫的气液分离装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多元粘稠泡沫的气液分离装置和方法，涉及一种用于泡沫钻井的多元粘稠泡沫流体基液回收中的气液分离的装置和方法，装置包括上部开设有气体排出口的罐体；与上述罐体连通的泡沫管道，该泡沫管道通入上述罐体的端部设置有喷嘴；罐体的底部竖直安装有面向所述喷嘴的硬壁面挡板。泡沫管道上设置有混合器和湿度监测机构；所述罐体内预置有多元粘稠泡沫的基液，该罐体通过基液泵与混合器的入口端的泡沫管道连通。方法包括将多元粘稠泡沫带压经过喷嘴喷出，使泡沫从喷嘴喷出时形成负压破泡及高速击打在壁面而破泡，从而使气体、液体进行分离。

Description

多元粘稠泡沫的气液分离装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于泡沫钻井的多元粘稠泡沫流体基液回收中的气液分离的装置和方法，也可用于类似条件下的泡沫修井中的有关作业。

背景技术

泡沫钻井中所应用的泡沫流体为水基液体和气体(空气或氮气)的混合泡沫。由于泡沫钻井的工艺需要，这种泡沫流体往往比较粘稠、稳定性好、半衰期长。使泡沫粘稠、稳定、半衰期长的方法是用发泡剂、稳泡剂、增粘剂等多种化学药品配制泡沫的水基液体。为区别于只用发泡剂的一般泡沫(称之为一元泡沫)，常将含有发泡剂、稳泡剂、增粘剂等多种化学剂的粘稠泡沫称之为多元粘稠泡沫。

泡沫钻井的多元粘稠泡沫，出于成本和环保的考虑，总是期望能实现泡沫基液的回收并重复使用。能够实现快速回收、并重复使用泡沫基液的一个可行思路是：对井内返出泡沫，在保持泡沫基液化学组份和化学性质不变的条件下，能够实现气液快速分离，以便对泡沫基液实现快速回收和重复使用。

多元粘稠泡沫由于稳定性特别好、半衰期特别长，故其气液的快速分离非常困难。

对只有水、表面活性剂形成的一元淡泡沫(例如，在造纸、食品加工、矿物浮选等行业中)，有很多方法实现泡沫的气液快速分离。这些方法有：注气法(向泡沫中注入气体，使泡沫质量数大于破泡成雾的临界质量数，从而破泡成雾，实现气液分离)、剪切法(强迫泡沫流过狭缝或小孔，利用流动速梯的剪切力使气泡溃破，实现气液分离)、离心法(将泡沫从高速离心机内甩出，利用气流对气泡的撕裂作用实现破泡)、高压电离法(利用高压静电的电离作用击穿气泡壁从而实现破泡)等等。通过在实验室内的实验证明：这些对一元淡脆泡沫有效的破泡方法，对多元粘稠泡沫消泡几乎无效，不能实现多元粘稠泡沫的快速气液分离。

对多元粘稠泡沫的快速气液分离，也可以采用化学方法，即：在泡沫流体中加入某种化学剂，使表面活性降低，从而破泡，实现气液分离；在重新发泡前再加入另一种化学剂，再使表面活性恢复，从而再发泡。目前有三种化学方法可用：调节PH值法(在泡沫流体中加酸使之消泡，再在泡沫基液中加碱使之恢复发泡)、电解盐法(在泡沫流体中加入某种电解盐实现消泡，再在基液中加入另一种电解盐实现再发泡)、加醇法(在泡沫流体中加入醇类实现消泡，在基液中的醇则有利于发泡)。利用化学方法实现泡沫的快速气液分离和重复发泡，存在两个不足：第一，所用消泡化学剂和重复发泡化学剂与发泡剂、稳泡剂、增粘剂以及所钻地层的流体之间有复杂而严格的匹配问题，有时难以协调；第二，反复地加入消泡化学剂与重复发泡化学剂，使泡沫基液的化学组分和化学性质发生变化，影响泡沫流体的性质，从而影响钻井工艺效果和回收使用效率。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术分离多元粘稠泡沫中的气体和液体存在难度的问题，提供一种机械的物理方法分离多元粘稠泡沫中的气体和液体，可以实现快速分离，并不影响分离后的基液化学性质，利于其重复使用。

本发明的另一个目的是提供一种利用上述方法的多元粘稠泡沫的气液分离装置。

本发明的目的可以分别通过下述技术方案来实现：

多元粘稠泡沫的气液分离装置，其特征在于，包括

上部开设有气体排出口的罐体；

与上述罐体连通的泡沫管道，该泡沫管道通入上述罐体的端部设置有喷嘴。

所述罐体的底部竖直固定有面向所述喷嘴的硬壁面挡板。

所述泡沫管道上设置有混合器和湿度监测机构；所述罐体内预置有多元粘稠泡沫的基液，该罐体通过基液泵与混合器的入口端的泡沫管道连通，以使该罐体内基液可通过基液泵输送到与混合器入口端相连的泡沫管道。

所述泡沫管道通入罐体的端部连通有与泡沫管道构成T形的管道，所述喷嘴依次排列开设于该管道上。

所述硬壁面挡板下部可移动地安装于罐体的底部，以调节挡板与喷嘴之间的距离。

多元粘稠泡沫的气液分离方法，其特征在于，包括

将多元粘稠泡沫带压经过喷嘴喷出，使泡沫从喷嘴喷出时形成负压破泡及高速击打在壁面而破泡，从而使气体、液体进行分离。

所述方法包括如下步骤：

a.监测多元粘稠泡沫的湿度是否符合要求，如果符合要求，转入步骤c，

如果不符合要求，转入步骤b；

b.对于不符合湿度要求的多元粘稠泡沫进行湿度调节；

c.对于符合湿度要求的多元粘稠泡沫带压经过喷嘴喷出，使泡沫从喷嘴喷出时形成负压破泡及高速击打在设置于罐体内的硬壁面挡板上而破泡；

d.泡沫破裂后的气体经过上述罐体上部的气体排出口排出，液体留积于罐体内，实现气体、液体的分离。

所述罐体内预置有多元粘稠泡沫的基液，并通过基液泵与泡沫管道的入口端连通，以使该罐体内基液可通过基液泵输送到与混合器入口端相连的泡沫管道，该泡沫管道的出口端设置有所述的喷嘴，在泡沫管道的入口端与出口端之间设置有混合器和湿度监测机构；所述步骤a通过上述湿度监测机构监测多元粘稠泡沫的湿度；所述步骤b中，在泡沫湿度不符合要求时，由基液泵将罐体内的基液通入泡沫管道，经过混合器与多元粘稠泡沫进行混合，经湿度监测机构监测直到符合要求。

本发明采用上述结构的装置和/或上述步骤的方法，多元粘稠泡沫从喷嘴喷出时形成负压破泡及射流冲击到壁面上受力消泡，便实现了快速的气液分离，由壁面液膜上流下来的液体已将泡沫中所含气体的99％分离出去，成为微含气(含气量小于50％、气体呈微米级分散细小气泡存在)的液体，可以通过高压往复泵进行增压泵送。

可见，本发明可以使多元粘稠泡沫中的气体、液体快速分离，并且由于是经过机械式的物理方法进行分离，分离出液体的化学性质没有改变，利于重复使用。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明中装置的结构示意图；

图2是本发明中喷嘴内泡沫的层状结构示意图；

图3是泡沫通过喷嘴喷出时外层泡的撕裂破碎示意图。

图4是本发明中泡沫管道内泡沫通过喷嘴喷出时射流中气泡的膨胀与散开示意图；

图5是本发明中射流冲击导致气泡破碎的过程示意图；

图中标号：1是泡沫管道入口端，2是混合器，3是湿度监测机构，4是横管，5是喷嘴，6是泡沫射流，7是硬壁面挡板，8是基液，9是基液泵，10是基液注入管，11是罐体，12是气体排出口。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，多元粘稠泡沫的气液分离装置包括罐体11、出口端通入罐体11内的泡沫管道，该泡沫管道的入口端1带压通入多元粘稠泡沫。

泡沫管道的入口端与出口端之间设置有混合器2、湿度监测机构3，其出口端连接有横管4，横管4上密布排列有若干喷嘴5，可以增大处理量。在一个实施例中，湿度监测机构3可以是湿度观察窗，在另一个实施例中，湿度监测机构3还可以是电子式的湿度监测器或装置。

罐体11的上部开设有气体排出口12，其底部固定有竖直的、面向喷嘴5的硬壁面挡板7，该挡板7的表面具有一定的粗糙度。

罐体11内预置有调节多元粘稠泡沫湿度的基液8，基液8可以是新配制的，也可以是上次气液分离后预留的。

罐体11的底部通过基液泵9、基液注入管10与泡沫管道的入口端1连通，基液泵9可调流量、可受控开闭，在上述湿度监测机构3为电子式湿度监测器的实施例中，可以由湿度监测机构3根据湿度监测的结果发出信号传递给基液泵9，使其开闭和/或调节流量，从而可以调节泡沫管道内的多元粘稠泡沫的湿度，使之符合要求。

在一个实施例中，硬壁面挡板下部可移动地安装于罐体的底部，可以调节挡板与喷嘴之间的距离，从而适应于不同类型、性质的泡沫。

利用上述的装置进行多元粘稠泡沫气液分离的方法是将多元粘稠泡沫带压经过喷嘴喷出，使泡沫从喷嘴喷出时形成负压破泡及高速击打在壁面而破泡，从而使气体、液体进行分离，其步骤包括：

a.通过湿度监测机构监测多元粘稠泡沫的湿度是否符合要求，如果符合要求，转入步骤c，如果不符合要求，转入步骤b；

b.对于不符合湿度要求的多元粘稠泡沫进行湿度调节；

c.对于符合湿度要求的多元粘稠泡沫带压经过喷嘴喷出，使泡沫从喷嘴喷出时形成负压破泡及击打在设置于罐体内的硬壁面挡板上而破泡；

d.泡沫破裂后的气体经过上述罐体上部的气体排出口排出，液体留积于罐体内，实现气体、液体的分离。

上述步骤b中，在泡沫湿度不符合要求时，由基液泵将罐体内的基液通入泡沫管道，经过混合器与多元粘稠泡沫进行混合，经湿度监测机构监测直到符合要求。

结合附图作进一步的说明。

如图1所示，一个实施例中，井内返出多元粘稠泡沫经净化、加压后由泡沫管道的入口端1进入。

在作为湿度监测机构3的湿度观察窗处观察泡沫湿度，如果泡沫湿度不够，则通过可调流量基液泵9、由罐体11中抽取一定量基液8，经由基液注入管10注入到泡沫管道，经混合器2混合均匀。此时，在湿度观察窗中可观察到适当湿度泡沫。

适当湿度的加压(或称为带压)泡沫进入横管4，分配至各个喷嘴5，由喷嘴5喷出泡沫射流6，一部分泡沫射流从喷嘴喷出时形成负压破泡，未破泡的泡沫射流冲击到安装于适当距离的硬壁面挡板7使泡破碎，液体在硬壁面挡板7上形成液膜，向下流动至罐体11的底部，形成积存的基液8，泡沫中释放的气体由气体排出口12排出。

上述过程中，适当湿度的多元粘稠泡沫，通过适当尺寸的喷嘴，在喷嘴流道内形成如图2所示的“三层”结构。

在喷嘴出口处，外层泡受喷嘴出口处几何形状突变的速梯切力的撕裂作用而破碎，如图3所示。中间层泡和中心层泡离开喷嘴后，首先有体积膨胀阶段，气泡直径要增大50％～100％(取决于喷嘴前后压差)。气泡随扩散射流继续运行，则出现气泡间的分离扩散，这一方面是由于射流的扩散作用，另一方面是由于气泡直径增大对周围气泡推开的惯性作用；故喷嘴出口至固定硬壁面的距离要合适(可以通过移动硬壁面挡板7来调节)，以便气泡有足够时间分离扩散，如图4所示。

当射流气泡冲击到固定硬壁面上时，其破碎过程如图5所示。

(1)具有一定质量、一定速度的孤立泡接近壁面。

(2)孤立泡接触壁面，泡停止整体直线运动。

(3)泡由球型变形为蘑菇型。

(4)泡继续变形为扁平型，再到中间薄、四周厚的扁环型。

(5)扁环型周边液膜在迅速地扩张、拉伸、曲折作用下破裂。

(6)破裂后的液膜迅速收缩为液滴，气体释放。

(7)液滴粘附在壁面上形成液膜向下流动。

如此方式，泡沫射流冲击到壁面上便实现了快速的气液分离。此时由硬壁面挡板7液膜上流下来的液体已将泡沫中所含气体的99％分离出去，成为微含气(含气量小于50％、气体呈微米级分散细小气泡存在)的液体，可以通过高压往复泵进行增压泵送。

射流喷出的泡沫必须有足够的湿度，以使得气泡相互之间有足够厚的液膜。这样，一方面，在射流中泡与泡之间可以相互分开成为孤立泡；另一方面，每个孤立泡都有足够厚液膜产生足够质量，以产生足够强度的碰撞冲击。因此，需要对多元粘稠泡沫进行监测，以使其达到足够的湿度。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1、多元粘稠泡沫的气液分离装置，其特征在于，包括

上部开设有气体排出口的罐体；

与上述罐体连通的泡沫管道，该泡沫管道通入上述罐体的端部设置有喷嘴。

2、如权利要求1所述多元粘稠泡沫的气液分离装置，其特征在于，所述罐体的底部竖直安装有面向所述喷嘴的硬壁面挡板。

3、如权利要求1所述多元粘稠泡沫的气液分离装置，其特征在于，所述泡沫管道上设置有混合器和湿度监测机构；所述罐体内预置有多元粘稠泡沫的基液，该罐体通过基液泵与混合器的入口端的泡沫管道连通。

4、如权利要求1所述多元粘稠泡沫的气液分离装置，其特征在于，所述泡沫管道通入罐体的端部连通有与泡沫管道构成T形的管道，所述喷嘴依次排列开设于该管道上。

5、如权利要求2所述多元粘稠泡沫的气液分离装置，其特征在于，所述硬壁面挡板下部可移动地安装于罐体的底部。

6、多元粘稠泡沫的气液分离方法，其特征在于，包括

将多元粘稠泡沫带压经过喷嘴喷出，使泡沫从喷嘴喷出时形成负压破泡及高速击打在壁面而破泡，从而使气体、液体进行分离。

7、如权利要求6所述多元粘稠泡沫的气液分离方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

a.监测多元粘稠泡沫的湿度是否符合要求，如果符合要求，转入步骤c，如果不符合要求，转入步骤b；

b.对于不符合湿度要求的多元粘稠泡沫进行湿度调节；

c.对于符合湿度要求的多元粘稠泡沫带压经过喷嘴喷出，使泡沫从喷嘴喷出时形成负压破泡及高速击打在设置于罐体内的硬壁面挡板上而破泡；

d.泡沫破裂后的气体经过上述罐体上部的气体排出口排出，液体留积于罐体内，实现气体、液体的分离。

8、如权利要求7所述多元粘稠泡沫的气液分离方法，其特征在于，所述罐体内预置多元粘稠泡沫的基液，并通过基液泵与泡沫管道的入口端连通，该泡沫管道的出口端设置有所述的喷嘴，在泡沫管道的入口端与出口端之间设置有混合器和湿度监测机构；所述步骤a通过上述湿度监测机构监测多元粘稠泡沫的湿度；所述步骤b中，在泡沫湿度不符合要求时，由基液泵将罐体内的基液通入泡沫管道，经过混合器与多元粘稠泡沫进行混合，经湿度监测机构监测直到符合要求。

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