CN106223882B - 一种泡沫钻进用旋内喷式机械消泡装置及其消泡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种泡沫钻进用旋内喷式机械消泡装置及其消泡方法，该装置设置了螺旋式第一喷射孔、交汇式第二喷射孔、喇叭状扩散室这样三重相互配合的消泡结构，以压缩空气为动力介质，在消泡装置内部产生有益的流场，联合真空负压、冲击剪切、充气饱和及减速增压扩散四种作用方式快速消泡，以保证上返的泡沫及时彻底的消除，有效提高消泡效率；本发明是一种单纯的气动力消泡方式，整个过程对泡沫流体无任何污染，消泡后的泡沫基液能够反复循环利用，降低了成本；另外，本发明结构简单、加工安装方便、易于操作和维护，可以通过更换不同结构型式的喷射内管来满足现场的实际要求，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种泡沫钻进用旋内喷式机械消泡装置及其消泡方法。
背景技术
泡沫钻进技术是一种先进的钻探技术方法，属于欠平衡钻井技术的重要组成部分，我国在80年代开始对泡沫钻井技术进行研究和应用，目前该项技术受到关注的程度也越来越高。泡沫是由气体分散在含有少量起泡剂的液体中形成的一种被液膜包围起来的非均相分散体系。均匀稳定的泡沫流体具有密度低、导热系数和热容量小、表面黏度和强度高、能够形成坚固致密的蜂窝状结构等特点。鉴于泡沫本身所具有的特性，泡沫钻进技术能够有效克服地质条件复杂所造成的相关钻探难题。首先，泡沫流体密度低、静液压力小，在低压漏失地层钻进过程中容易起到防漏堵漏作用且保持压力平衡状态，有效控制了钻井流体循环漏失、减轻储层伤害、保护低压油气藏，显著提高了井眼的清洁度，从而保证水井、地热井的出水量；同时，能够避免高密度流体对钻进造成的阻碍，有利于提高钻进速度，降低成本；其次，泡沫黏度高，携岩能力强，孔内清洁效果好，能够有效避免钻头对孔底岩屑的重复破碎，钻探磨损小，适合钻进深孔；再次，钻进过程中泡沫携岩上返的流速较低，不会对钻孔孔壁造成强烈的冲击，能起到保护孔壁的作用，可以在弱胶结和怕冲刷破碎卵砾石等复杂地层中顺利钻进，有效避免孔壁坍塌等问题的发生；最后，泡沫的导热系数和热容量小，在冻土地区钻进时对井壁温度的干扰小，可准确判定冻土层的厚度和层位。另外，泡沫钻进耗液量少，可在沙漠、高山等干旱缺水或供水困难地区大面积推广应用。
泡沫钻进技术凭借上述特点和优势，在近年来得到了迅速发展，尤其是在低压低渗地层的油气藏开发、冻土区天然气水合物的勘探及高温和超高温地热资源开采等领域得到了广泛的应用，取得了显著成效。但是从应用实践来看，泡沫钻进技术尚有大量的难题急需攻关，其中，消泡问题尤为突出，且已成为制约泡沫钻进技术发展和推广应用的阻碍之一。
目前国内外常用的消泡方法是通过添加化学消泡剂的方式进行消泡，然而化学消泡剂不但价格昂贵，还会对泡沫基液造成污染，影响其再次发泡的效果；泡沫基液只能一次性使用，钻进现场需要不断配置大量的泡沫基液，这样不仅提高了成本，还增加了工作量且后续大量的污水处理困难。虽然国内外学者也提出了一些相关的机械物理消泡装置和方法，但是这些消泡装置要么结构复杂，加工安装精度要求较高，消泡方法单一，消泡效率较低，难以满足现场的要求。
申请公开号为CN103452506A的中国发明专利申请《一种煤矿井下泡沫钻进用消泡装置及方法》(申请号：CN201310425857.3)披露了一种结构，其由消泡剂溶液注入器、旋转射流消泡器和离心消泡器三部分组成，核心部件为旋转射流消泡器，所述旋转射流消泡器包括旋转射流管，其上具有3～6个沿周向均匀分布的贴壁射流孔，射流孔轴线所在平面与对应的射流管轴线所在平面之间夹角为29°；旋转射流消泡器前端通过柔性管与离心消泡器相连；旋转射流消泡器后端通过螺纹与消泡剂溶液注入器相连，注入器上的进液接头带有径向进液孔，进液量通过阀门控制；旋转射流消泡器管壁与进气高压胶管相连，进气高压胶管上的压缩空气控制阀和气体流量计用来控制压缩空气的进气量。上述结构中，射流孔的设置在一定程度上提高了消泡效率，但是在经过射流孔之后，未消灭的泡沫容易上返，仍旧会对泡沫钻进技术构成影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能实现对泡沫基液的循环利用、降低成本、消泡效率高的泡沫钻进用旋内喷式机械消泡装置。
本发明所要解决的另一个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种上述泡沫钻进用旋内喷式机械消泡装置的消泡方法，该方法步骤简单，能有效提高消泡效率，降低消泡成本。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种泡沫钻进用旋内喷式机械消泡装置，包括泡沫接收管、喷射内管及扩散室，所述泡沫接收管的一端具有消泡剂进口，所述泡沫接收管的另一端为与喷射内管的进口相连接的消泡剂出口，所述喷射内管的侧壁上设置有与喷射内管相连通的进气管，所述扩散室与喷射内管的出口相连接，其特征在于：所述喷射内管的外周设置有一过渡腔室，所述的进气管连接于该过渡腔室上；所述喷射内管的前部设置有多个沿周向开设并呈螺旋状布置的第一喷射孔；所述喷射内管的后部设置有多个沿周向开设并呈向后交汇式布置的第二喷射孔，所述第一喷射孔、第二喷射孔均将喷射内管的内腔与过渡腔室相连通；所述各第二喷射孔的轴线在该第二喷射孔后侧的喷射内管轴线上相交汇；所述扩散室成型为自前向后开口逐渐扩大的喇叭状，且该扩散室开口角度为10～15°。
在上述方案中，所述第一喷射孔的轴线所在的竖直平面与喷射内管的轴线所在的竖直平面之间的夹角为θ1，且0＜θ1＜90°。优选地，所述30≤θ1≤80°。采用这样的角度，可有效提高第一轮消泡效果。
在上述优选方案中，所述第一喷射孔的轴线与喷射内管的轴线所在的水平平面之间的夹角为θ2，且0＜θ2＜90°。优选地，所述35≤θ2≤70°。采用这样的角度，可有效提高第二轮消泡效果。
进一步优选，所述第二喷射孔的轴线与喷射内管的轴线之间的夹角为θ3，且35≤θ3≤70°。
优选地，所述喷射内管的外周壁上具有沿周向向外延伸并间隔布置的第一挡圈及第二挡圈，一套筒设于该第一挡圈及第二挡圈外周并共同围合成所述的过渡腔室。
优选地，所述第一喷射孔与第二喷射孔的开设个数相同，且所述第二喷射孔正对相邻两第一喷射孔之间的位置，以便于更加具有针对性的消除经过第一喷射孔后上返的泡沫。
一种上述泡沫钻进用旋内喷式机械消泡装置的消泡方法，其特征在于包括以下步骤：
①压缩空气从进气管进入过渡腔室，一部分气体经过喷射内管上的螺旋式第一喷射孔喷射进入喷射内管中，多股射流在管内受到内壁面的约束作用，气流在向右运动的同时沿着内壁面回转运动，在管内中心通道附近形成局部的旋风式负压流场，携带岩粉屑的泡沫在旋流负压的抽吸作用下混合消泡后继续旋转向右运动；
②进入过渡腔室的另一部分压缩空气经过喷射内管上的交汇式第二喷射孔喷射进入喷射内管中，多股射流在前方交汇碰撞并形成局部的负压区域，经过前期消泡之后的残余泡沫受到多股气流的冲击剪切、负压及充气饱和的作用而进一步消泡；
③经过两轮的破坏消泡之后，混合流体在扩散室内减速增压，残留的虚泡沫继续破泡，最终在扩散室的出口位置实现气液分离。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明设置了螺旋式第一喷射孔、交汇式第二喷射孔、喇叭状扩散室这样三重相互配合的消泡结构，以压缩空气为动力介质，在消泡装置内部产生有益的流场，联合真空负压、冲击剪切、充气饱和及减速增压扩散四种作用方式快速消泡；压缩空气从螺旋式第一喷射孔高速喷射进入喷射内管后，在其内部形成局部的旋风式负压流场，携带岩粉屑的泡沫在旋流负压的作用下，由于内外压差而膨胀破裂，另一部分压缩空气经过交汇式第二喷射孔高速喷射进入喷射内管内，多股射流在前方交汇碰撞并在其附近形成负压区域，经过前期消泡之后的残余泡沫一方面在交汇点受到多股射流的冲击剪切力和负压作用进一步破裂，另一方面，由于大量压缩空气的混入，使原有的泡沫质量增加，泡沫体系充气饱和后，其流变性和失水性都会降低，液膜变薄，进而迅速破裂；经过之前消泡后残留的饱和虚泡沫，在进入具有一定扩散角度的扩散室后减速增压继续破泡，最终在扩散室的出口位置实现气液分离，在整个消泡的过程中，应用了多种措施进行联合消泡，以保证上返的泡沫及时彻底的消除，有效提高消泡效率；即本发明中螺旋式第一喷射孔、交汇式第二喷射孔、喇叭状扩散室这三个消泡结构是一个有机整体，三者缺一不可，三者联合使用会起到显著的消泡效果；
本发明是一种单纯的气动力消泡方式，整个过程对泡沫流体无任何污染，消泡后的泡沫基液能够反复循环利用，降低了成本；另外，本发明结构简单、加工安装方便、易于操作和维护，可以通过更换不同结构型式的喷射内管来满足现场的实际要求，适用范围广。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例中第一喷射孔、第二喷射孔的角度设置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1、2所示，本实施例的泡沫钻进用旋内喷式机械消泡装置包括泡沫接收管1、喷射内管2及扩散室3，泡沫接收管1的一端具有消泡剂进口11，泡沫接收管1的另一端为与喷射内管2的进口相连接的消泡剂出口12，喷射内管2的侧壁上设置有与喷射内管2相连通的进气管4，扩散室3与喷射内管2的出口相连接。具体的，喷射内管2的外周壁上具有沿周向向外延伸并间隔布置的第一挡圈21及第二挡圈22，一套筒25设于该第一挡圈21及第二挡圈22外周并共同围合成一过渡腔室5，进气管4连接于该过渡腔室5上。
在本实施例中，喷射内管2的前部设置有多个沿周向开设并呈螺旋状布置的第一喷射孔23，该第一喷射孔23将喷射内管2的内腔与过渡腔室5相连通。第一喷射孔23的轴线所在的竖直平面A与喷射内管2的轴线所在的竖直平面B之间的夹角为θ1，且0＜θ1＜90°；第一喷射孔23的轴线与喷射内管2的轴线所在的水平平面C之间的夹角为θ2，且0＜θ2＜90°，当30≤θ1≤80°，35≤θ2≤70°时，可获得更好的消泡效果。喷射内管2的后部设置有多个沿周向开设并呈向后交汇式布置的第二喷射孔24，各第二喷射孔24的轴线在该第二喷射孔24后侧的喷射内管2轴线上相交汇。第二喷射孔24的轴线与喷射内管2的轴线之间的夹角为θ3，且35≤θ3≤70°。扩散室3成型为自前向后开口逐渐扩大的喇叭状，且该扩散室3开口角度为θ4，θ4为10～15°。第一喷射孔23与第二喷射孔24的开设个数相同，且第二喷射孔24正对相邻两第一喷射孔23之间的位置。
本实施例中泡沫钻进用旋内喷式机械消泡装置的消泡方法包括以下步骤：
①压缩空气从进气管4进入过渡腔室5，一部分气体经过喷射内管2上的螺旋式第一喷射孔23喷射进入喷射内管2中，多股射流在管内受到内壁面的约束作用，气流在向右运动的同时沿着内壁面回转运动，在管内中心通道附近形成局部的旋风式负压流场，携带岩粉屑的泡沫在旋流负压的抽吸作用下混合消泡后继续旋转向右运动；
②进入过渡腔室5的另一部分压缩空气经过喷射内管2上的交汇式第二喷射孔24喷射进入喷射内管2中，多股射流在前方交汇碰撞并形成局部的负压区域，经过前期消泡之后的残余泡沫受到多股气流的冲击剪切、负压及充气饱和的作用而进一步消泡；
③经过两轮的破坏消泡之后，混合流体在扩散室内减速增压，残留的虚泡沫继续破泡，最终在扩散室3的出口位置实现气液分离。
Claims (4)
1.一种泡沫钻进用旋内喷式机械消泡装置，包括泡沫接收管(1)、喷射内管(2)及扩散室(3)，所述泡沫接收管(1)的一端具有消泡剂进口(11)，所述泡沫接收管(1)的另一端为与喷射内管(2)的进口相连接的消泡剂出口(12)，所述喷射内管(2)的侧壁上设置有与喷射内管(2)相连通的进气管(4)，所述扩散室(3)与喷射内管(2)的出口相连接，其特征在于：所述喷射内管(2)的外周设置有一过渡腔室(5)，所述的进气管(4)连接于该过渡腔室(5)上；所述喷射内管(2)的前部设置有多个沿周向开设并呈螺旋状布置的第一喷射孔(23)；所述喷射内管(2)的后部设置有多个沿周向开设并呈向后交汇式布置的第二喷射孔(24)，所述第一喷射孔(23)、第二喷射孔(24)均将喷射内管(2)的内腔与过渡腔室(5)相连通；所述各第二喷射孔(24)的轴线在该第二喷射孔(24)后侧的喷射内管(2)轴线上相交汇；所述的扩散室(3)成型为自前向后开口逐渐扩大的喇叭状，且该扩散室(3)开口角度θ4为10～15°；
所述第一喷射孔(23)的轴线所在的竖直平面(A)与喷射内管(2)的轴线所在的竖直平面(B)之间的夹角为θ1，且30≤θ1≤80°；
所述第一喷射孔(23)的轴线与喷射内管(2)的轴线所在的水平平面(C)之间的夹角为θ2，且35≤θ2≤70°；
所述第二喷射孔(24)的轴线与喷射内管(2)的轴线之间的夹角为θ3，且35≤θ3≤70°；
所述泡沫钻进用旋内喷式机械消泡装置的消泡方法，包括以下步骤：
①压缩空气从进气管进入过渡腔室(5)，一部分气体经过喷射内管(2)上的螺旋式第一喷射孔(23)喷射进入喷射内管(2)中，多股射流在管内受到内壁面的约束作用，气流在向右运动的同时沿着内壁面回转运动，在管内中心通道附近形成局部的旋风式负压流场，携带岩粉屑的泡沫在旋流负压的抽吸作用下混合消泡后继续旋转向右运动；
②进入过渡腔室(5)的另一部分压缩空气经过喷射内管(2)上的交汇式第二喷射孔(24)喷射进入喷射内管(2)中，多股射流在前方交汇碰撞并形成局部的负压区域，经过前期消泡之后的残余泡沫受到多股气流的冲击剪切、负压及充气饱和的作用而进一步消泡；
③经过两轮的破坏消泡之后，混合流体在扩散室(3)内减速增压，残留的虚泡沫继续破泡，最终在扩散室(3)的出口位置实现气液分离。
2.根据权利要求1所述的泡沫钻进用旋内喷式机械消泡装置，其特征在于：所述第一喷射孔与第二喷射孔的开设个数相同，且所述第二喷射孔正对相邻两第一喷射孔之间的位置。
3.根据权利要求1或2所述的泡沫钻进用旋内喷式机械消泡装置，其特征在于：所述喷射内管(2)的外周壁上具有沿周向向外延伸并间隔布置的第一挡圈(21)及第二挡圈(22)，一套筒(25)设于该第一挡圈(21)及第二挡圈(22)外周并共同围合成所述的过渡腔室(5)。
4.一种权利要求1～3中任一权利要求所述泡沫钻进用旋内喷式机械消泡装置的消泡方法，其特征在于包括以下步骤：
①压缩空气从进气管进入过渡腔室(5)，一部分气体经过喷射内管(2)上的螺旋式第一喷射孔(23)喷射进入喷射内管(2)中，多股射流在管内受到内壁面的约束作用，气流在向右运动的同时沿着内壁面回转运动，在管内中心通道附近形成局部的旋风式负压流场，携带岩粉屑的泡沫在旋流负压的抽吸作用下混合消泡后继续旋转向右运动；
②进入过渡腔室(5)的另一部分压缩空气经过喷射内管(2)上的交汇式第二喷射孔(24)喷射进入喷射内管(2)中，多股射流在前方交汇碰撞并形成局部的负压区域，经过前期消泡之后的残余泡沫受到多股气流的冲击剪切、负压及充气饱和的作用而进一步消泡；
③经过两轮的破坏消泡之后，混合流体在扩散室(3)内减速增压，残留的虚泡沫继续破泡，最终在扩散室(3)的出口位置实现气液分离。
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