CN112282715A - 一种液流空化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液流空化装置，包括：具有顶部开口以及底部开口的壳体；被限位于所述壳体内腔中的可自由活动的工质，所述工质与壳体内腔腔壁之间包括有供液流流过的流道；所述空化装置还包括有位于壳体上的沿空化装置轴向方向延伸出壳体底部开口端面的共振尾翼。本发明提供的液流空化装置，可对空化器的空化效果进一步增强，增加对地下岩层的改造效果，提升储层渗流能力以及采收率。

Description

一种液流空化装置

技术领域

本发明涉及石油、天然气、煤层气、铀矿开采领域，特别地,涉及一种液流空化装置。

背景技术

当前石油开采主要采用两种技术，一是水力压裂技术，二是超声空化技术。

水力压裂是将压裂液注入油层制造一条主干裂缝，以达到改变油流流态的增油技术。20世纪80年代是水力压裂发展史上较为重要的阶段，后逐渐成为油气，特别是低渗透油气勘探开发领域的重要技术手段。水力压裂增产机理：当地面高压泵组将高粘度液体以超过地层吸收能力的排量注入井中，在井底产生的压力超过井壁附近地应力和岩石抗张强度的压后，即在地层中形成裂缝。随着带支撑剂的液体注入地层中，裂缝逐渐向前延伸形成具有一定长度、宽度和高度的填砂裂缝。该裂缝有较高的导流能力，改变了油气渗流流态。

然而，水力压裂存在如下缺点：(1)工艺复杂，作业成本高。水力压裂是一项严谨的系统工程，如果对储层地质情况认识不足、选井选层不当、压裂液选择不当、支撑剂选择不当、压裂施工参数设计不合理、施工规模不当、压后排液措施不当都可能导致压裂施工失败或降低增产效果，更有甚者可能对油气田后期的开发调整带来严重影响。储层改造技术也是一项高投入、高风险的技术，单井的作业成本一般在数十万至数百万元之间，深井作业成本甚至千万余元。(2)对油井和地层污染严重。如果压裂液选择不当，引起地层粘土矿物膨胀，原油乳化、机械杂质带入到地层、与地层水不配伍生成沉淀等都可能对地层造成伤害；对于酸压而言，液体也会对储层造成伤害，酸液的缓蚀性能差还会对施工设备和管柱造成严重的腐蚀。压裂作业是一种高压作业，施工用的各种化学剂还会对人的生命财产以及生态环境造成严重威胁。(3)对油井和地层的破坏作用极大。若压裂不当，会造成油井暴性水淹和无功注水的严重后果，或把邻近的含水层或含有气顶的油藏上部压开。另外，不当的排液可能给储层的伤害程度加大，可能导致支撑剂回流，进而对地层和油井造成永久性的破坏。(4)人工主干裂缝的引入加剧了储层的非均质性，这又可能给油气藏的开发带来不利影响。

超声波采油技术是近几十年发展起来的三次采油技术之一。超声空化解堵增油技术即大功率超声波解堵技术。新型超声波增油系统主要由磁定位系统、特种传输电缆、大功率超声波电信号发射机和超声波电声转换器等组成。它利用地面车载大功率超声波发射机产生的大功率脉冲电振荡信号，通过特种传输电缆，将脉冲电振荡信号传输到油层的压电陶瓷电声转换器上，经电声转换器转换成超声波，射入含油地层中。通过超声波处理生产油井、注水井的近井油层，使油层中流体的物性及流态发生变化，改善井底近井地带的流通条件及渗透性，解除采油井、注水井的堵塞，提高采液量、原油产量和注水量，以达到增产目的。

然而，超声空化存在如下缺点：(1)超声空化只能用于近井地带的解堵。液体介质产生空化气泡，要求超声波具有一定的强度，超声波功率越大解堵效果越好。然而超声波的衰减速度极快，有研究表明，声强在井壁处衰减为声源处的45％，孔隙介质几何模型半径为1米处的声强衰减至井壁处的10％。因此，超声波产生的空化效果只能作用于近井地带，最大作用半径仅15米，因此作用效果有限。(2)空化区域处在非流动状态，在空化器周边形成的空化区域(或气穴)范围有限，随着静水(外部)压力的升高，在深油井中在静水高压下无法打断液流形成气穴。根据空化数值要求，为使液流产生间隙，必须以极高的速度压送液体，但并不是在所有的情况下都能得到这种极高速，尤其在深井或加长管道中；在很高的外部静水压力下，比如在深井中，利用超声波无法获得空化效应。(3)受处理时间限制，作业效果受限。超声波累计处理时间对解堵效果影响较大，但处理时间超过60分钟后，解堵效果增加并不显著；超声波频率越高传播过程中衰减越大，解堵效果变差。(4)技术配套设备复杂，作业成本高，对作业环境要求比较高。(5)不适用于斜度大于45度的油井。

当今,天然气和煤层气开采主要采用如上所述的水力压裂技术，当然,也存在上面提及的问题。另外，水力压裂用在煤层气井造成煤粉漂移形成堵塞，目前无法解决。

当今,铀矿开采主要采用溶浸采矿法，但是含矿层剖面各分层渗透性存在显著差异，溶液渗流并不均匀。含矿层渗透性的差异，溶浸液分配的不均匀性，会严重影响浸出的均衡性，直接影响浸出液铀浓度和浸出率。并且在浸出期间，随着地浸抽注系统的运行，溶浸液及矿层中细小微粒的运移造成的含矿层物理堵塞及溶浸液与矿物相互作用后造成的含矿层化学堵塞，会使含矿层的渗透性再次发生改变，改变储层结构，降低含矿层渗透性系数，降低抽注液流量，甚至导致部分抽注液孔丧失生产能力，严重影响生产运行。此类问题一直困扰着地浸矿山，截至目前为止，针对非均质含矿层浸出的不均一性尚无有效的方法予以解决。。

为解决上述问题，中国专利“液流空化器、液流空化系统及液流空化方法”，公开号CN105201482A，提供了一种液流空化器，通过空化器在液体中产生空化，释放出强大的液体内部能量，产生的激波在储层中传导贯通大量微裂缝，从而增加储层孔喉通道，有效提升储层渗流能力，大幅提升储层的均质性，提高采收率。在此基础上设计者发现在上述空化器基础上可通过对其结构的进一步改进，以对空化器的空化效果进一步增强，增加对地下岩层的改造效果，提升储层渗流能力以及采收率。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种液流空化装置，以对空化器的空化效果进一步增强，增加对地下岩层的改造效果，提升储层渗流能力以及采收率。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明提供一种液流空化装置，所述空化装置包括：

具有顶部开口以及底部开口的壳体；

被限位于所述壳体内腔中的可自由活动的工质，所述工质与壳体内腔腔壁之间包括有供液流流过的流道；

所述空化装置还包括有位于壳体上的沿空化装置轴向方向延伸出壳体底部开口端面的共振尾翼。

此外，优选地方案是，所述空化装置包括沿壳体周向方向均匀布置的若干共振尾翼；相邻两共振尾翼边侧壁之间留有间隔空间。

此外，优选地方案是，所述共振尾翼与所述壳体为一体结构，所述共振尾翼由所述壳体底部开口边缘沿空化装置轴向方向延伸出。

此外，优选地方案是，所述共振尾翼与所述壳体为分体结构；所述空化装置包括有共振件，所述共振件包括：

与壳体底部连接固定的环状固定部，以及

位于固定部上的沿固定部周向方向均匀布置的振动部，振动部沿固定部轴向方向延伸；

所述共振件的振动部形成所述空化装置的共振尾翼。

此外，优选地方案是，所述空化装置包括沿壳体周向方向均匀布置的若干共振尾翼；相邻两共振尾翼边侧壁之间的间距不小于共振尾翼宽度的三分之一，且不大于共振尾翼宽度的两倍。

此外，优选地方案是，所述共振尾翼的内壁面为弧面或者平面，所述共振尾翼的外壁面为弧面。

此外，优选地方案是，所述共振尾翼内壁面与其所对应的壳体内腔腔壁表面为弯曲率相同的弧面；

在空化装置轴线方向上，共振尾翼内壁面与其所对应的壳体内腔腔壁表面在水平面上的投影位于同一条弧线上。

此外，优选地方案是，所述共振尾翼径向方向上的厚度，由共振尾翼靠近壳体底部开口的一端到远离壳体底部开口的一端递减。

此外，优选地方案是，在空化装置轴向方向上，共振尾翼的长度不大于壳体长度的45％。

此外，优选地方案是，所述空化装置包括有临近壳体顶部开口的若干上部隔档，以及临近壳体底部开口的下部隔档；

若干所述上部隔档由壳体内腔腔壁向内突出形成，用于阻止工质从壳体顶部开口脱离壳体；

下部隔档由壳体内腔腔壁向内突出，用于阻止工质从壳体底部开口脱离壳体；

所述上部隔档底面为平面，上部隔档轴线与空化装置轴线之间形成夹角，相邻两上部隔档之间呈平行配置。

本发明的有益效果如下：

1、与现有空化器结构相比较，本发明提供的液流空化装置液流由壳体底部开口流出时，高速流体周边交替产生涡流引发一定频率的横向振动，当振动的频率接近共振尾翼的谐振频率时，共振尾翼被激发产生振动，向周围液体辐射声波，并在尾翼附近产生空化。

空化区域内的空泡随液体流动，在流场内形成一个空化场，共振尾翼的横向振动伴随着声波辐射的作用使得空化场中的空化泡无法合并，增加了空泡的数量，并进一步加强了空化强度。此外由于声波能量具有传递性，流动的空泡在传递作用下持续不断的产生空化现象，形成多级空化效应。

共振尾翼振动激发气泡的大幅振动，使气泡成为一个良好的储能器，在声场作用下产生聚能效应，大幅提高气泡内能量密度，可提高十多个数量级。

2、共振尾翼在空化作用下左右振动，挤压水流，即受内外水流压差影响，使共振尾翼左右振动，共振尾翼提供新振动波以及振动发声的声波，声波沿装置径向方向传导，二者形成新增的振动能量，对空化效果进一步增强，增加对地下岩层的改造效果。

3、共振尾翼振动产生的振动波以及声波，与装置的自激振荡以及空化能量产生共振效果，该共振效果又作用于装置，进一步增强装置的自激振荡以及空化产生的能量波。

4、脉冲液流对共振尾翼的作用，能够使共振尾翼产生的声波频率不固定，随着脉冲水流的变化而变化，可与装置自激振荡形成共振效果，加大对地下岩层的冲击，提高空化效果。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明所提供液流空化装置外部结构示意图。

图2示出本发明所提供液流空化装置一具体实施方式的结构截面图。

图3示出本发明所提供液流空化装置另一具体实施方式的结构截面图。

图4示出图3所示液流空化装置结构中共振件的结构示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为进一步增强空化器的空化效果，增加对地下岩层的改造效果，提升储层渗流能力以及采收率，结合图1至图4所示，本发明提供一种液流空化装置；具体地，首先结合图1以及图2所示，在一个具体实施方式中，所述空化装置包括：

具有顶部开口11以及底部开口12的壳体1；

被限位于所述壳体1内腔中的可自由活动的工质2，所述工质2与壳体1内腔腔壁之间包括有供液流流过的流道3；所述工质与壳体之间无任何机械连接。

所述空化装置还包括有位于壳体1上的沿空化装置轴向方向延伸出壳体1底部开口12端面的共振尾翼4。

相较于现有液流空化器，本发明提供的液流空化装置在工作过程中，液流(水)由装置顶部进入经过工质，由装置底部流出，工质振荡产生脉冲水流，装置自身产生自激振荡，装置底部出水形成含有大量空泡的液体空化场，空化气泡在液体中快速被挤压并连续爆裂。

此外，高速流体周边交替产生涡流引发一定频率的横向振动，当振动的频率接近共振尾翼的谐振频率时，共振尾翼被激发产生振动，向周围液体辐射声波，并在尾翼附近产生空化。

空化区域内的空泡随液体流动，在流场内形成一个空化场，尾翼的横向振动伴随着声波辐射的作用使得空化场中的空化泡无法合并，增加了空泡的数量，并进一步加强了空化强度。并且由于声波能量具有传递性，流动的空泡在传递作用下持续不断的产生空化现象，形成多级空化效应。

进一步地，尾翼振动激发气泡的大幅振动，使气泡成为一个良好的储能器，在声场作用下产生聚能效应，大幅提高气泡内能量密度，可提高十多个数量级。

本发明提供的液流空化装置利用共振尾翼在空化作用下左右振动，挤压水流，即受内外水流压差影响，使共振尾翼左右振动，共振尾翼提供新振动波以及振动发声的声波，声波沿装置径向方向传导，二者形成新增的振动能量，对空化效果进一步增强，增加对地下岩层的改造效果。

再者，共振尾翼振动产生的振动波以及声波，与装置的自激振荡以及空化能量产生共振效果，该共振效果又作用于液流空化装置，进一步增强液流空化装置的自激振荡以及空化产生的能量波。

本发明中脉冲液流对共振尾翼的作用，能够使共振尾翼产生的声波频率不固定，随着脉冲水流的变化而变化，可与装置自激振荡形成共振效果，加大对地下岩层的冲击，提高空化效果。

可选地，本发明所提供空化装置包括沿壳体1周向方向均匀布置的若干共振尾翼4；共振尾翼4沿壳体1周向布置不少于三个，相邻两共振尾翼边侧壁之间留有间隔空间。进一步地，相邻两共振尾翼4边侧壁之间的间距不小于共振尾翼4宽度的三分之一，且不大于共振尾翼4宽度的两倍。以保证振动尾翼4振动传导影响角度不出现盲区。

本实施方式中，所述共振尾翼4与所述壳体1为一体结构，所述共振尾翼4由所述壳体1底部开口12边缘沿空化装置轴向方向延伸出。可选地，所述壳体1采用高强度金属材料整体加工，当共振尾翼4在高速流体空化作用下发生横向振动时整体结构有利于与设备自激振形成共振。

结合图3以及图4所示，在另一实施方式中，所述共振尾翼与所述壳体为分体结构；具体地，所述空化装置包括有共振件5，所述共振件5包括：

与壳体1底部连接固定的环状固定部51，以及

位于固定部51上的沿固定部周向方向均匀布置的振动部52，振动部52沿固定部51轴向方向延伸；所述共振件5的振动部52形成所述空化装置的共振尾翼4。

共振件5的环状固定部51与壳体1之间的连接固定方式可采用本领域熟知的连接方式，包括但不限于螺接，卡接，焊接，插接。其优势在于，将共振尾翼与壳体设计为分体结构可方便共振件以及壳体单独加工制作，方便拆装，在不同的应用场景，不同条件情况下，可选用具有不用数量共振尾翼的共振件，扩大了空化装置的适用范围。并且对于共振件上所选用的共振尾翼材料，可选用与壳体不同的高弹性及强度的金属材料加工例如高碳合金或铜合金及不锈钢材料等。结合图4所示，该实施方式中，所述环状固定部51内部包括有用以增加环状固定部51结构强度的加强筋53。可选地，所述加强筋也可作为用以限位所述壳体内腔中可自由活动工质的下部隔档。

在一可选地实施方式中，所述共振尾翼4的内壁面为弧面或者平面，所述共振尾翼4的外壁面为弧面。需要说明的是，在一种可选的实施方式中，当共振尾翼内表面采用为平面结构时可提高共振尾翼的横向振动效果。

在另一种可选的实施方式中，为了保证空化泡随流动的液体运移出腔体的过程中不会因流压的变化而提前破灭。所述共振尾翼4内壁面与其所对应的壳体1内腔腔壁表面为弯曲率相同的弧面；在空化装置轴线方向上，共振尾翼5内壁面与其所对应的壳体1内腔腔壁表面在水平面上的投影位于同一条弧线上。

结合图示结构，所述共振尾翼4径向方向上的厚度，由共振尾翼4靠近壳体1底部开口12的一端到远离壳体1底部开口12的一端递减。以提高共振尾翼所提供的新振动波以及振动发声的声波效果，提高后的共振尾翼振动产生的振动波以及声波，与装置自激振荡以及空化能量产生共振效果，该共振效果又作用于液流空化装置，能够进一步增强液流空化装置自激振荡以及空化产生的能量波。

由于共振尾翼的长度影响其振幅频率及声波强度，在空化装置轴向方向上，共振尾翼的长度不易过长或者过短，在考虑到共振尾翼的材质强度，以及其所作用于空化装置的振动波以及声波效果的强度，进而优选地在空化装置轴向方向上，共振尾翼的长度不大于壳体长度的45％。

本发明中，所述空化装置包括有临近壳体1顶部开口11的若干上部隔档111，以及临近壳体1底部开口12的下部隔档121；若干所述上部隔档111可由壳体1内腔腔壁向内突出形成，用于阻止工质2从壳体1顶部开口11脱离壳体1；下部隔档121可由壳体1内腔腔壁向内突出，用于阻止工质2从壳体1底部开口12脱离壳体1；所述上部隔档111底面为平面，上部隔档111轴线与空化装置轴线之间形成夹角，相邻两上部隔档111之间呈平行配置。

上部隔挡111可与壳体为一体加工而成，也可采用其他金属材料或高强度工程塑料材质加工而形成于壳体1上。类似的下部隔挡121可与壳体1为一体加工而成，其结构可为一字形或十字型，或采用其它的可用于阻止工质2从壳体1底部开口12脱离壳体得结构样式。所述工质2可为正圆或偏心圆球体，工质除采用金属材质外，还可采用其他材质如高强度工程塑料，橡胶等，可降低工质对壳体内部及上部隔挡以及下部隔挡的冲击，延长装置的使用寿命。

本发明利用若干上部隔档相对于壳体的呈倾斜排布的设置，液流在进入壳体内腔后经过上部隔档的导流，可使液流按照顺时针或者逆时针方向旋转作用于工质，增加工质自转，利用工质的自转，能够减小工质与壳体内腔腔壁之间的冲击力，同时增强空化效果。

不同的工质结构适用不同的产品结构，且具有不同的优势，对于所述工质的结构形式，本发明提供如下几种可选实施方式。

在一个实施方式中，所述工质为球形结构，球形工质被限位于所述壳体内腔中可自由活动，工质与壳体内腔腔壁之间包括有供液流流过的流道。

在一个替代示例中，所述工质为圆柱形结构，优选地，该圆柱形结构工质为沿液流方向的圆柱形。或者所述工质还可为锥形结构，优选地，该锥形结构的工质为沿液流方向逐渐变细。再或者所述工质为环形结构，优选地，该环形结构的工质是在与液流方向垂直的平面上的环形，类似面包圈的形状。可选地，上述各类结构的工质可包括有贯穿孔，也可以是实心的。

在一种可选地实施方式中，所述工质下方位置还可设有自由活动的垫片和\或垫簧，垫片和\或垫簧也被限位于所述壳体内腔中，也就是说，垫片和\或垫簧被配置在工质的下方以及下部隔挡上方的壳体内腔中。在本发明中，当对液流空化时，工质配合垫片和\或垫簧一起振动，可增强本发明所提供液流空化装置的空化效果。

在一优选地实施方式中，所述壳体内腔中可限位约束有单个或多个工质，在实施液流空化作业时，多个工质相互作用，增强了空化效果。该多个工质可以为球形、柱形、锥形和环形工质或其组合。

另外本发明所提供液流空化装置的壳体内腔可包括多个隔室，沿液流方向多个隔室可通过由壳体内壁向内凸起形成的中间贯通的隔墙隔开，其中各个隔室将多个工质分组容纳在其中。这样，仅仅使得同一分组内的各个工质相互碰撞，加快沿液流方向的空化效果。

本发明提供的液流空化装置在实际使用过程中，利用共振尾翼被激发产生的振动波，以及向周围液体辐射的声波，在增加空化装置的空化效果的同时，又可进一步利用共振尾翼产生的振动波以及声波，与装置的自激振荡以及空化能量产生共振效果，该共振效果又作用于空化装置，进一步增强空化装置的自激振荡以及空化产生的能量波。以实现更佳地利用空化装置对地下岩层的改造效果，提升储层渗流能力以及采收率。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种液流空化装置，其特征在于，所述空化装置包括：

具有顶部开口以及底部开口的壳体；

被限位于所述壳体内腔中的可自由活动的工质，所述工质与壳体内腔腔壁之间包括有供液流流过的流道；

所述空化装置还包括有位于壳体上的沿空化装置轴向方向延伸出壳体底部开口端面的共振尾翼。

2.根据权利要求1所述的液流空化装置，其特征在于，所述空化装置包括沿壳体周向方向均匀布置的若干共振尾翼；相邻两共振尾翼边侧壁之间留有间隔空间。

3.根据权利要求1所述的液流空化装置，其特征在于，所述共振尾翼与所述壳体为一体结构，所述共振尾翼由所述壳体底部开口边缘沿空化装置轴向方向延伸出。

4.根据权利要求1所述的液流空化装置，其特征在于，所述共振尾翼与所述壳体为分体结构；所述空化装置包括有共振件，所述共振件包括：

与壳体底部连接固定的环状固定部，以及

位于固定部上的沿固定部周向方向均匀布置的振动部，振动部沿固定部轴向方向延伸；

所述共振件的振动部形成所述空化装置的共振尾翼。

5.根据权利要求1所述的液流空化装置，其特征在于，所述空化装置包括沿壳体周向方向均匀布置的若干共振尾翼；相邻两共振尾翼边侧壁之间的间距不小于共振尾翼宽度的三分之一，且不大于共振尾翼宽度的两倍。

6.根据权利要求1所述的液流空化装置，其特征在于，所述共振尾翼的内壁面为弧面或者平面，所述共振尾翼的外壁面为弧面。

7.根据权利要求1所述的液流空化装置，其特征在于，所述共振尾翼内壁面与其所对应的壳体内腔腔壁表面为弯曲率相同的弧面；

在空化装置轴线方向上，共振尾翼内壁面与其所对应的壳体内腔腔壁表面在水平面上的投影位于同一条弧线上。

8.根据权利要求1所述的液流空化装置，其特征在于，所述共振尾翼径向方向上的厚度，由共振尾翼靠近壳体底部开口的一端到远离壳体底部开口的一端递减。

9.根据权利要求1所述的液流空化装置，其特征在于，在空化装置轴向方向上，共振尾翼的长度不大于壳体长度的45％。

10.根据权利要求1所述的液流空化装置，其特征在于，所述空化装置包括有临近壳体顶部开口的若干上部隔档，以及临近壳体底部开口的下部隔档；

若干所述上部隔档由壳体内腔腔壁向内突出形成，用于阻止工质从壳体顶部开口脱离壳体；

下部隔档由壳体内腔腔壁向内突出，用于阻止工质从壳体底部开口脱离壳体；

所述上部隔档底面为平面，上部隔档轴线与空化装置轴线之间形成夹角，相邻两上部隔档之间呈平行配置。

Images