泡沫鉆井用熱輻射物理消泡裝置研制

王 萍，李 英，張 斌，楊景利，陳金儀，申 福

（1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257000；2.山東大學，濟南250100；3.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；4.塔里木油田第二勘探公司，新疆庫爾勒841000） ①

泡沫鉆井用熱輻射物理消泡裝置研制

王 萍1，李 英2，張 斌1，楊景利1，陳金儀3，申 福4

（1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257000；2.山東大學，濟南250100；3.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；4.塔里木油田第二勘探公司，新疆庫爾勒841000） ①

泡沫鉆井液能降低壓持效應、提高機械鉆速，適用于低壓、易漏失地層的鉆井、完井、修井等工藝，但出井鉆井液存在消泡問題。利用溫度和負壓聯合作用消泡機理，研制了熱輻射物理消泡裝置，能夠提高消泡效率，降低能耗，實現基液循環利用。重點介紹了該裝置的結構、自動控制技術，以及熱輻射管的選擇和安裝。

泡沫鉆井；熱輻射；負壓；消泡

泡沫鉆井液具有靜液柱壓力低、濾失量小、攜砂性能好、助排能力強及對儲層傷害小等特性［1］，廣泛應用于低壓、易漏失地層的鉆井、完井、修井和油氣井增產措施中。但是，出井液體的消泡是技術難點之一，導致現場對鉆井中泡沫基液的循環利用效率降低，經濟效益下降，并對環境造成一定污染，限制和影響了該技術的有效應用。目前，國外主要采用化學法實現鉆井泡沫的消除和循環利用［2］，國內通過調節pH值使泡沫消除或再生。本文探索利用溫度、壓力等物理因素使泡沫消除的方法，實現泡沫的快速消除，而不破壞基液性質，實現基液循環利用。重點是確定熱輻射裝置的結構和自動化控制技術，并確定最優技術控制條件和參數。

1 結構

熱輻射物理消泡裝置主要由消泡罐、真空泵、清水泵、加熱棒、液位計以及PLC控制系統等組成，采用了負壓和熱輻射技術。裝置原理如圖1。①將泡沫導入密閉容器內，用真空泵對容器進行抽真空，制造泡沫內外氣壓差；②利用容器內安裝的加熱管進行熱輻射加熱，使得泡沫內氣體膨脹。在2種作用的驅使下，泡沫更容易破裂變為液體，便于循環利用。

圖1 熱輻射物理消泡裝置原理

1.1 各部件功能

1） 泡沫入口管 與1段軟管連接，深入泡沫池子中吸收泡沫。

2） 帶孔隔板 是1塊置于消泡罐上方的帶孔不銹鋼板，防止進入罐內的泡沫因為過多或者消泡不及時而從出氣孔溢出。

3） 消泡罐 盛載泡沫液體，可承受－0.1 MPa的負壓。

4） 傘狀板 避免泡沫直接流到罐底部，使泡沫能夠在傘面上停留一段時間，使得泡沫受熱更均勻，增強消泡效率。

5） 壓力計 顯示消泡罐內的真空度，并通過遠傳單元將信號傳給控制系統。

6） 氣體出口（接真空泵） 通過真空泵往外抽氣，使得罐內壓力低于大氣壓力，泡沫在外部大氣壓力的作用下進入罐內，通過負壓的作用使泡沫體積增大而破裂，達到消泡的目的。

7） 加熱棒 材料為碳纖維石英，具有穩定性高、安全性高、升溫速度快、耐腐蝕性強、環保等優點。受總電路控制，對罐內泡沫進行均勻熱輻射加熱，溫度通過傳感器檢測，信號傳給控制系統，可以由觸摸屏控制開、關。

8） 液位計 為磁翻板液位計，通過液位計的紅色指示來顯示罐內消泡后的液位，也可把液位信號傳給控制系統。

9） 液位出口（接清水泵） 當消泡后的液體到達一定液位，開動水泵，罐內消泡后產生的液體可由此排出罐內；水泵前加單向止回閥，以保證抽真空時關閉出液口。

2 工作原理

2.1 泡沫破滅機理

目前普遍認為，泡沫的衰變機理主要是泡沫中液體的流失和氣體透過液膜擴散。通過3個過程，使表面活性劑溶液和氣體最終分離成獨立的溶液和氣體。

1） 泡沫中液體的流失。在重力作用和毛細管力的作用下，氣泡間的液體析出，使得氣泡與液體分離，稱為泡沫析液［3］。

2） 內部高壓力的小氣泡中分子通過液膜向相鄰低壓力大氣泡擴散，造成氣泡合并，稱為氣泡聚并。

3） 氣泡間液膜的破裂造成相鄰氣泡合并，稱為液膜破裂。

2.2 熱輻射和負壓消泡的工作原理

在熱輻射的作用下，泡沫液膜中的水受熱蒸發，液膜變薄而破裂。同時，氣液界面上分子熱運動加劇，氣體通過氣液界面的擴散速率增大。在負壓場的作用下，泡沫內外壓力差增大，氣泡膨脹使得液膜變薄，泡沫尺寸分布變大，氣泡聚并程度增大。在這些因素的共同作用下，泡沫得以迅速消除，并且不影響泡沫基液的基本性質。

3 技術參數

熱輻射消泡裝置容積 3.5m3

加熱功率 10kW

工作壓力 －0.1MPa

泡沫處理量 70m3／h

消泡效率 ＞80%

4 熱輻射管的選擇

4.1 選擇要求

1） 熱效率高，升溫速度極快。

2） 電氣性能穩定。

3） 耐酸、耐腐蝕。

4） 環保。

5） 壽命長。

4.2 炭纖維石英管

選擇碳纖維石英管作為加熱元件，在加熱管（如圖2所示）的背面涂上1層反射層，避免熱量輻射到無效部位，使得熱輻射集中到罐中的泡沫部位，更好地利用熱量，提高熱效率。

圖2 碳纖維石英加熱管結構

碳纖維石英管的性能特點：

1） 碳纖維發熱體是一種純黑體材料，具有升溫迅速、熱滯后小、發熱均勻、熱輻射傳遞距離遠、熱交換速度快等特點，電熱轉換效率高達98%，升溫速度快。加熱5s可使表面溫度達300～700℃。

2） 封裝材料采用高純度脫羥基石英玻璃管，熱膨脹系數極小，有極高的熱穩定性，能承受劇烈的溫度變化而不炸裂（溫差可達上千度）。石英玻璃是良好的耐酸材料（氫氟酸除外），相當于耐酸陶瓷的30倍、不銹鋼（鎳鉻合金）的150倍。

3） 碳纖維石英電熱管壽命＞6 000h。在頻繁啟動、關閉和長期連續工作中，發熱體無氧化和擊穿現象，發熱光色均勻、管壁內外清潔。

4） 燃點不需要鎮流器，啟動時無脈沖電流沖擊，使電源、保護電路簡單化，電源及相關電器使用壽命延長。

5） 與金屬發熱體不同，碳纖維完全避免了電磁場的產生，故無高頻輻射（只有遠紅外輻射），無微波、電磁波。由于是純黑體材料，無光污染，不刺激眼睛和灼傷皮膚。

4.3 安裝要求

采用6根直型加熱管繞罐體1周均勻排列，使加熱管加熱更均勻，加熱效率更高。

圖3 加熱管安裝示意

5 加熱和控制方法

利用PLC可編程序控制器，根據遠傳真空表的壓力信號（0～5V）、溫度傳感器信號（4～20mA）以及液位傳感器的信號（4～20mA），實現閉環控制。所有操作均在人機界面（觸摸屏）上完成，人機界面與PLC之間采用RS485協議進行通訊。如圖4。

裝置可實現自動控制，水泵按照液位控制自動啟停；加熱根據溫度自動啟停；進液根據時間自動開啟。

圖4 操作界面

6 現場應用

研制的熱輻射消泡裝置在勝利油田ZG14－D2井進行了試驗。四開（井深4 128～4 380m）152.4 mm井眼實施氮氣泡沫鉆井。注氣量60m3／min，泡沫鉆井液排量3～5L／s，每天產生的泡沫量約為1 500m3。熱輻射消泡裝置實現自動吸入泡沫，消泡后排除液體。由于此次試驗氣溫在－10℃，裝置每天處理量約700m3，消泡效率約75%，與設計計算值有差距。

7 結論

1） 通過熱輻射與負壓法聯用，實現鉆井液泡沫的迅速消除，不破壞基液性質，實現基液循環利用。

2） 熱輻射消泡裝置在現場實現了自動控制。

3） 現場應用時可加大熱輻射加熱功率，或增加設備數量來滿足處理量的要求。

［1］ 楊 謀，孟英峰，李 皋，等.提高深井機械鉆速的有效方法［J］.石油礦場機械，2009，38（8）：6－8.

［2］ YUEHUA SUI，XIAOHUA CHENG，QIANG SUN，et al.Research and application of recirculating foam drilling and completion fluid［R］.SPE 59 267.

［3］ 藍 強，李公讓，薛玉志，等.泡沫鉆井液排液作用機理研究進展［J］.石油工程技術，2008，6（4）：44－48.

Study of Thermal Radiation Foam－breaking Apparatus in Foam Drilling

WANG Ping1，LI Ying2，ZHANG Bin1，YANG Jing－li1，CHEN Jin－yi3，SHEN Fu4
（1.Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Administration，Dongying257000，China；2.Shandong University，Jinan250100，China；3.Lanpec Technologies Limited，Lanzhou730070，China；4.No.2 Drilling Company，Tarim Oilfield，Korla841000，China）

Foam drilling can reduce the pressure－cutting－holding effect，enhance the mechanic drilling rate，thus is suitable for well drilling，completion and workover for low pressure，lost－circulation formation.However，problem is the difficulty to defoam the drilling fluid out of the well.Utilizing the defoaming mechanism of combined use of temperature and negative pressure，we had designed and built a physical defoam apparatus.The apparatus can increase the defoam efficiency，reduce the energy cost，and recycle the base fluid.The structure of the apparatus，the heat radiation pipe selection and installation and control automatics technology are introduced in the article.

foam drilling；thermal radiation；negative pressure；foam－breaking

1001－3482（2012）08－0066－03

TE926

A

2012－03－08

國家重大專項“低滲油氣田高效開發鉆井技術”（2011ZX05022）

王 萍（1975－），女，山東安丘人，工程師，主要從事鉆井液技術研究，E－mail：wangping265.slyt＠sinopec.com。