CN105148760B - 一种制备微米级气泡分散体系的孔板喷射方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制备微米级气泡分散体系的孔板喷射方法及装置。该装置包括电子散射源、体系反应生成容器、孔板喷射器和泵注系统，所述孔板喷射器置于所述体系反应生成容器内，所述体系反应生成容器与所述泵注系统相连。利用该装置制备微米级气泡分散体系的方法包括以下步骤：将液体输入体系反应生成容器内，使体系反应生成容器内充满液体；将液体输入孔板喷射器中，使液体在孔板的孔眼处形成液膜；将气体输入孔板喷射器中，使气体穿过上述液膜在体系反应生成容器内形成气泡；将电子打入上述气泡中，形成微米级气泡分散体系。该微米级气泡分散体系能够应用于污水处理、矿物浮选及高温高压油藏注水开采等领域。

Description

一种制备微米级气泡分散体系的孔板喷射方法及装置

技术领域

本发明涉及一种制备微米级气泡分散体系的孔板喷射方法及装置，属于石油开发技术领域。

背景技术

油藏开发普遍采用补充能量的方法，采用向油藏中注入驱替剂(水、聚合物溶液、气体等)驱替原油的方式，在我国应用最为广泛的是注水开发。

目前，注水开发面临两个常见问题：一是油藏非均质性导致注入水沿大孔道窜流，使其无法进入渗透率相对较低的孔隙。二是低渗透油藏，岩石孔隙半径小，注入水在较大压差下才能渗流进入孔隙。如果能将微米气泡分散到水中使之成为分散体系，在驱油时，微小气泡可以进入注入水难以进入的孔隙内，从而提高波及效率，提高采出程度。微米级气泡在较大孔隙内易于膨胀，对大孔道进行封堵，使液体转向起到调剖作用。

另外，由于微气泡在水中分散后所具有的特性，该体系也应用于污水处理、矿物浮选等领域。现有技术多采用常温常压条件下的高速搅拌加气的方式，其泡径多在100微米以上，聚合速度快、稳定时间在1小时之内。

因此，探索微米级分散体系生成方法，制备适合在高温高压油藏条件下的分散体系成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种制备微米级气泡分散体系的孔板喷射方法及装置，采用本发明提供的装置制备得到的微米级气泡分散体系，气泡泡径为20-80微米，该微米级气泡分散体系能够应用于污水处理、矿物浮选及高温高压油藏注水开采等领域。

本发明中的微米级气泡分散体系是指不能按照任意比例互溶的气体和液体，其中气体在液体中以微米粒径气泡的形式均匀分布而形成的体系。

为达到上述目的，本发明提供了一种制备微米级气泡分散体系的装置，该装置包括电子散射源、体系反应生成容器、孔板喷射器和泵注系统，所述孔板喷射器置于所述体系反应生成容器内，所述体系反应生成容器与所述泵注系统相连；

所述体系反应生成容器包括釜体和上端盖；所述釜体的侧壁上设有观察窗，该观察窗是由耐压玻璃制成的(微米级气泡分散体系的生成过程可通过观察窗进行观察，及时调整控制)，所述釜体的底部设有进出口、气体入口和微量泵入口；所述上端盖上设有体系出口和排气口(排气口处设有排气阀)；所述进出口可以让液体由此进入体系反应生成容器内，所述气体入口可以让气体进入孔板喷射器内，所述微量泵入口可以让液体进入孔板喷射器内，所述体系出口可以让形成的微米级气泡分散体系由此排出，所述排气口可以排出体系反应生成容器顶部聚集的单相气体，保证体系出口的流体为连续的微米级气泡分散体系；上端盖的厚度、釜体的厚度、观察窗的厚度和直径可根据实际耐压要求来确定；

所述孔板喷射器包括壳体、气体管线、钢体、孔板、液体管、上盖和密封垫；所述孔板由上盖和密封垫压实在所述壳体和钢体的上方，所述孔板上开有孔眼；所述气体管线位于所述壳体内部的中心位置，其顶部端口与所述孔眼正对，其底部端口与所述气体入口连通，工作时气体由气体入口直接进入气体管线内；所述钢体位于所述壳体内部并位于所述气体管线的周围；所述液体管由所述壳体的侧壁进入并穿过所述钢体，其一端口置于所述气体管线的顶部端口与所述孔眼之间，另一端口与所述微量泵入口连通，工作时液体由微量泵入口直接进入液体管内；

所述泵注系统包括微量容器、中间容器、驱替泵和微量泵；所述微量容器的一端与所述微量泵入口相连，另一端与所述微量泵相连；所述中间容器包括第一中间容器和第二中间容器(第一中间容器中盛装气体，第二中间容器中盛装液体)，所述驱替泵包括第一驱替泵和第二驱替泵；其中，所述第一中间容器的一端与所述气体入口相连，另一端与所述第一驱替泵连接，所述第二中间容器的一端与所述进出口相连，另一端与所述第二驱替泵连接；

所述电子散射源的电子束发射端与所述观察窗正对，电子散射源通过观察窗将电子束打入体系反应生成容器内。

在上述装置中，优选地，所述孔板的厚度为0.1-1mm，更优选为0.1-0.5mm，所述孔板的材质包括钢；所述孔眼位于孔板的中心，孔眼的直径为10-100μm。

在上述装置中，优选地，所述孔眼的个数为1个，该孔眼是通过激光打孔制得的，其直径精度为±3μm。

在上述装置中，优选地，所述气体管线的顶部端口与孔眼之间的距离为1-2cm。

在上述装置中，优选地，所述钢体具有孔隙结构，所述钢体的顶端和底端均为凹面结构，更优选地，所述凹面结构位于中心位置。顶端凹面的作用是液体管内的液滴经气体的高压冲击，使部分混合体在此凹面空间内产生紊流，由于孔隙结构的粗糙性，使破碎的液滴与气体间的界面非常不稳定。下部凹面的作用是允许液体管提供的液滴量稍多，此时部分液滴经孔隙向下流动在下部凹面处聚集，管内气体也将在此区域产生紊流，使其在孔隙钢体内呈现非连续状分布。紊流状态将随机的将这部分混合流体带到上部，使其通过细孔。

在上述装置中，优选地，所述电子散射源包括第一阳极、阴极、加速阳极、可调聚焦线圈和玻璃外罩；所述第一阳极、阴极和加速阳极从上至下依次设置在所述电子散射源背对观察窗的一端上，所述可调聚焦线圈置于所述玻璃外罩的外面，能够沿玻璃外罩的轴向移动；本发明提供的电子散射源能够使电子具有一定的覆盖范围，且该电子散射源采用加热阴极发射电子的方式，因而电压不高、耗能低。

在上述装置中，优选地，所述体系反应生成容器上设有压力表。

在上述装置中，优选地，所述体系反应生成容器的体系出口与应用系统相连。

本发明中的体系反应生成容器进行温度控制时，可以将所述体系反应生成容器放置在恒温空气浴中，也可采用外敷循环水浴的方式对所述体系反应生成容器进行温度控制。

本发明还提供了一种利用上述装置制备微米级气泡分散体系的方法，其包括以下步骤：

步骤1：开启第二驱替泵将液体输入体系反应生成容器内，使体系反应生成容器内的温度和压力达到设计值；

步骤2：开启微量泵，将微量容器中的液体输入孔板喷射器中，使液体在孔板的孔眼处形成液膜；

步骤3：开启第一驱替泵将第一中间容器中的气体输入孔板喷射器中，使气体穿过上述液膜在体系反应生成容器内形成气泡；

步骤4：开启电子散射源，将电子打入上述气泡中，形成微米级气泡分散体系。

在上述方法中，优选地，在步骤1中，所述体系反应生成容器内的温度为常温至90℃，压力为0-50MPa(该装置的耐温、耐压性很强，其耐温耐压值已覆盖我国大部分油藏)。

温度和压力条件适应于相近的高温高压油藏，制得的分散体系能够在该条件下保持分散特性，直接应用于高温高压油藏。

在上述方法中，优选地，在步骤2中，控制微量容器中液体的流速不高于0.1mL/min。

在上述方法中，优选地，在步骤3中，将第一中间容器中的气体输入孔板喷射器中时，气体的输入速度不超过2mL/min。

在上述方法中，优选地，在步骤4中，所述电子散射源的阴极电压为220V，电流为5A。

在上述方法中，优选地，在步骤3开始前，还包括使第一中间容器内气体的压力高于第二中间容器内液体的压力，形成压差的步骤；更优选地，所述压差为3.0MPa。

在上述方法中，优选地，始终保持体系反应生成容器内的温度和压力为上述设计值。

在上述方法中，优选地，该方法还包括当所述体系反应生成容器的顶部有单相气体聚集时，从体系反应生成容器上端盖上的排气口排出单相气体的步骤。

在上述方法中，优选地，该方法还包括当形成微米级气泡分散体系时，将其从体系反应生成容器的体系出口注入应用系统的步骤。

本发明制备的述微米级气泡的泡径为20-80μm，其能够在油藏中进行的应用，优选地，所述油藏的温度为常温至90℃，压强为0-50MPa。

本发明的创造性地利用孔板喷射方法生成微米级气泡分散体系，以气体向液体(水)中分散为例，本发明提供的技术方案的核心为：

气液紊流——气体和液体在孔板下方形成气体与液体强烈扰动的紊流区域，由于液体对金属孔板有亲水性，液体易于在细孔处形成薄膜。气体通过细孔使必须突破薄膜，配合孔板两端压差作用，薄膜快速切断连续气体，使细孔内气体形成气泡，如图1示；

高速剪切——细孔内的气泡及液体在较大压差的作用下加速通过细孔，细孔边缘起一定的切割作用，气泡在细孔上方的低压区突然分裂为多个微米级气泡，如图1中的钢片上部所示；

电子捕获——在需要形成稳定时间长、泡沫型分散体系时，需要使用电子散射源。电子散射源将电子打入微泡周围并使其捕获电子，由于微米气泡的运动速度很快，溶解效应被掩盖。在微米气泡大量捕获电子后，电子的相互排斥作用使聚集在一起的微米气泡不能立刻合并，保持了稳定性，呈现泡沫形态，如图2所示。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明开创性地采用孔板喷射方法配合电子捕获方法，制备得到大流量、高流速的微米级气泡分散体系，弥补了国内外研究的空白；

2)本发明制备的微米级气泡分散体系的气泡泡径为20-80微米，在气泡分散体系在油田开发、矿物浮选、污水处理等领域有广阔的应用前景。

附图说明

图1为微米级气泡生成的原理图；

图2为微米级气泡捕获电子的示意图；

图3为制备微米级气泡分散体系的装置的结构示意图；

图4为体系反应生成容器的结构示意图；

图5为孔板喷射器的结构示意图；

图6为电子散射源的结构示意图；

主要附图标号说明：

1：电子散射源；2：电子束；3：体系反应生成容器；4：孔板喷射器；5：微量容器；6：第一中间容器；7：第二中间容器；8：第一驱替泵；9：第二驱替泵；10：微量泵；11：应用系统；101：阴极；102：加速阳极；103：可调聚焦线圈；104：第一阳极；105：玻璃外罩；301：釜体；302：进出口；303：气体入口；304：微量泵入口；305：观察窗；306：体系出口；307：排气口；308：压力表；401：壳体；402：气体管线；403：钢体；404：上盖；405：密封垫(圈)；406：孔板；407：液体管；1201：散落液滴；1202：气体流向；1203：钢片；1204：孔眼；1205：带电前的微米气泡；1206：带电后的微米气泡。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种制备微米级气泡分散体系的装置，其结构如图3所示。

该装置包括电子散射源1、体系反应生成容器3、孔板喷射器4和泵注系统，孔板喷射器4置于体系反应生成容器3内，体系反应生成容器3与泵注系统相连；其中，

体系反应生成容器3的结构如图4所示，其包括釜体301和上端盖；釜体301的侧壁上设有观察窗305和压力表308，釜体301的底部分别设有进出口302、气体入口303和微量泵入口304；上端盖上分别设有体系出口306和排气口307，体系出口306与应用系统11连接；

孔板喷射器4的结构如图5所示，其包括壳体401、上盖404、气体管线402、钢体403、孔板406、液体管407和密封垫405；孔板406的中心位置开设有1个孔眼1204，该孔眼1204由激光打孔制得，孔眼1204的直径为50μm，精度为±3μm，孔板406是通过上盖404和O型圈压实在壳体401和钢体403的上方，孔板406的核心钻孔区域的厚度为0.2mm，边缘的厚度为1mm，孔板406的材质为钢；气体管线402位于壳体401内部的中心位置，其顶部端口与孔眼1204正对(气体管线402的顶部端口与孔眼1204之间的距离为1-2cm)，其底部端口与气体入口303连通，工作时气体能够从气体入口303直接进入气体管线402内；钢体403位于壳体401内部并位于所述气体管线402的周围；所述液体管407由所述壳体401的侧壁进入并穿过所述钢体403，其一端口置于所述气体管线402的顶部端口与所述孔眼1204之间，另一端口与所述微量泵10入口连通，工作时液体由微量泵入口304直接进入液体管407内；钢体403具有孔隙结构，其顶端和底端均为凹面结构；

泵注系统包括微量容器5、中间容器、驱替泵和微量泵10；微量泵10与微量容器5连接，控制微量容器5内液体的泵注，微量容器5与微量泵入口304相连；中间容器包括第一中间容器6和第二中间容器7，驱替泵包括第一驱替泵8和第二驱替泵9，其中，第一中间容器6的一端与气体入口303相连，另一端与第一驱替泵8连接，第二中间容器7的一端与进出口302相连，另一端与第二驱替泵9连接；工作时，微量泵10控制微量容器5内的液体由微量泵入口304进入孔板喷射器4内，第二驱替泵9将液体由进出口302注入体系反应生成容器3内，第一驱替泵8控制气体由气体入口303进入孔板喷射器4内；

电子散射源1的结构如图6所示，其包括第一阳极104、阴极101、加速阳极102、可调聚焦线圈103和玻璃外罩105，第一阳极104、阴极101和加速阳极102从上至下依次设置在所述电子散射源1背对观察窗305的一端上，可调聚焦线圈103置于玻璃外罩105的外面，能够沿玻璃外罩105的轴向移动；该电子散射源1与体系反应生成容器3上的观察窗305正对，电子散射源1通过观察窗305将电子束2打入体系反应生成容器3内。

实施例2

本实施例提供了一种利用实施例1中的装置制备微米级气泡分散体系的方法，其包括以下步骤：

1)在第一中间容器6和第二中间容器7内分别装盛CO₂和水；

2)利用第二驱替泵9将第二中间容器7内的水从进出口注入体系反应生成容器3内，使体系反应生成容器3内的温度和压力达到设计值(温度为50℃，压强为10.0MPa)；并维持在该设计值；同时依据孔板406上孔眼1204的直径，使第一中间容器6内气体的压力高于第二中间容器7内液体的压力，形成压差，该压差为3MPa(该较高压差能够保证在后续注入气体时，气体能够快速通过孔眼)；

上述体系反应生成容器3内的压力是通过向其注入液体进行控制的(当注满液体时，体系反应生成容器3内的压力为10MPa)；体系反应生成容器3内的温度可以通过恒温空气浴或外敷循环水浴进行控制，在操作过程中也可以分别将第一中间容器6和第二中间容器7内CO₂和水的温度设定为上述设计值，以使体系反应生成容器3内的温度和压力快速达到上述设计值；

3)开启微量泵10，以不高于0.1mL/min的速度向孔板喷射器4内提供液滴，液体在孔板的孔眼处形成液膜；

4)缓慢开启气体通向体系反应生成容器3(气体入口303处)的最后阀门(控制气体的输入速度不超过2mL/min)，此时气体在较高压差(3MPa)下，快速通过孔眼1204，在体系反应生成容器3内的水浴中形成微米气泡1205；

5)打开电子散射源1，将电子打入气泡周围并使其捕获电子后，形成稳定的微米级气泡1206分散体系，泡径为20-80微米；

6)当体系反应生成容器3的顶部有单相气体聚集时，打开体系反应容器3上端盖的排气口307处的排气阀将聚集的单相气体排出；

7)开启体系反应生成容器3上端盖上体系出口306处的阀门，按照设定速度(1mL/min)将微米级气泡分散体系注入应用系统11中。

在室内实验中(岩心长度为5.3cm，渗透率为260mD；原油样品粘度为10mPa.s；温度为50℃；压力为10MPa)，注水驱油的采出程度为65％，而本发明提供的微米分散体系的采出程度为74％，由此可见，与注水驱油效果相比，本发明提供的技术方案能提高采收率接近10％。

Claims (15)

1.一种制备微米级气泡分散体系的装置，该装置包括电子散射源、体系反应生成容器、孔板喷射器和泵注系统，所述孔板喷射器置于所述体系反应生成容器内，所述体系反应生成容器与所述泵注系统相连；

所述体系反应生成容器包括釜体和上端盖；所述釜体的侧壁上设有观察窗，所述釜体的底部设有进出口、气体入口和微量泵入口；所述上端盖上设有体系出口和排气口；

所述孔板喷射器包括壳体、气体管线、钢体、孔板、液体管、上盖和密封垫；所述孔板由上盖和密封垫压实在所述壳体和钢体的上方，所述孔板上开有孔眼；所述气体管线位于所述壳体内部的中心位置，其顶部端口与所述孔眼正对，其底部端口与所述气体入口连通；所述钢体位于所述壳体内部并位于所述气体管线的周围；所述液体管由所述壳体的侧壁进入并穿过所述钢体，其一端口置于所述气体管线的顶部端口与所述孔眼之间，另一端口与所述微量泵入口连通；

所述泵注系统包括微量容器、中间容器、驱替泵和微量泵；所述微量容器的一端与所述微量泵入口相连，另一端与所述微量泵相连；所述中间容器包括第一中间容器和第二中间容器，所述驱替泵包括第一驱替泵和第二驱替泵；其中，所述第一中间容器的一端与所述气体入口相连，另一端与所述第一驱替泵连接，所述第二中间容器的一端与所述进出口相连，另一端与所述第二驱替泵连接；

所述电子散射源的电子束发射端与所述观察窗正对。

2.根据权利要求1所述的制备微米级气泡分散体系的装置，其特征在于：

所述孔板的厚度为0.1-1mm，所述孔板的材质包括钢；

所述孔眼位于孔板的中心，孔眼的直径为10-100μm。

3.根据权利要求1或2所述的制备微米级气泡分散体系的装置，其特征在于：所述孔眼的个数为1个，该孔眼是通过激光打孔制得的，其直径精度为±3μm。

4.根据权利要求1所述的制备微米级气泡分散体系的装置，其特征在于：所述气体管线的顶部端口与孔眼之间的距离为1-2cm。

5.根据权利要求1所述的制备微米级气泡分散体系的装置，其特征在于：所述钢体具有孔隙结构，所述钢体的顶端和底端均为凹面结构。

6.根据权利要求5所述的制备微米级气泡分散体系的装置，其特征在于：所述凹面结构位于中心位置。

7.根据权利要求1所述的制备微米级气泡分散体系的装置，其特征在于：所述电子散射源包括第一阳极、阴极、加速阳极、可调聚焦线圈和玻璃外罩；所述第一阳极、阴极和加速阳极从上至下依次设置在所述电子散射源背对观察窗的一端上，所述可调聚焦线圈置于所述玻璃外罩的外面，能够沿玻璃外罩的轴向移动。

8.根据权利要求1所述的制备微米级气泡分散体系的装置，其特征在于：所述体系反应生成容器上设有压力表。

9.根据权利要求1所述的制备微米级气泡分散体系的装置，其特征在于：所述体系反应生成容器的体系出口与应用系统相连。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述的装置制备微米级气泡分散体系的方法，其包括以下步骤：

步骤1：开启第二驱替泵将液体输入体系反应生成容器内，使体系反应生成容器内的温度和压力达到设计值；

步骤2：开启微量泵，将微量容器中的液体输入孔板喷射器中，使液体在孔板的孔眼处形成液膜；

步骤3：开启第一驱替泵将第一中间容器中的气体输入孔板喷射器中，使气体穿过上述液膜在体系反应生成容器内形成气泡；

步骤4：开启电子散射源，将电子打入上述气泡中，形成微米级气泡分散体系。

11.根据权利要求10所述的方法，其中：在步骤1中，所述体系反应生成容器内的温度为常温至90℃，压力为0-50MPa。

12.根据权利要求10所述的方法，其中：在步骤2中，控制微量容器中液体的流速不高于0.1mL/min。

13.根据权利要求10所述的方法，其中：在步骤3中，将第一中间容器中的气体输入孔板喷射器中时，气体的输入速度不超过2mL/min。

14.根据权利要求10所述的方法，其中：该方法还包括当所述体系反应生成容器的顶部有单相气体聚集时，从体系反应生成容器上端盖上的排气口排出单相气体的步骤。

15.根据权利要求10所述的方法，其中：该方法还包括当形成微米级气泡分散体系时，将其从体系反应生成容器的体系出口注入应用系统的步骤。