氣相壓力對(duì)擋板式泡沫發(fā)生器影響的實(shí)驗(yàn)研究

劉承婷 劉鋼 閆作秀

摘 ?????要： 地層出砂會(huì)影響油井產(chǎn)量，增加產(chǎn)液流動(dòng)阻力，泡沫可以攜帶井底砂礫流出，泡沫發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低。在洗井沖砂中使用泡沫發(fā)生器可以取得很好經(jīng)濟(jì)效益。運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段研究了泡沫發(fā)生器內(nèi)流場(chǎng)分布規(guī)律，討論不同氣相入口對(duì)腔內(nèi)速度分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明： 隨著氣體壓力的增加，泡沫流動(dòng)速度逐漸增大，在擋板后產(chǎn)生渦量變大，產(chǎn)生渦量處會(huì)逐漸聚集氣泡，形成小空穴;泡沫的穩(wěn)定性隨著入口壓力增大而減小。

關(guān) ?鍵 ?詞：擋板式泡沫發(fā)生器;兩相流;粒子圖像測(cè)速技術(shù);基液

中圖分類號(hào)：TQ 052 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）01-0144-04

Abstract： Formation sand production will affect oil well output and increase fluid flow resistance. Foam can carry sand and gravel out of the bottom of the well. Foam generating device has relatively simple structure and low maintenance cost. The use of foam generator in well washing sand blasting can obtain good economic benefit. In this paper， the distribution of flow field in foam generator was studied by means of experiment. The results showed that with the increase of gas pressure， the bubble flow velocity gradually increased， and the vorticity increased behind the baffle， and the bubble gradually gathered at the point and the cavity was generated， forming small holes. The stability of foam decreased with the increase of inlet pressure.

Key words： Baffle foam generator; Two-phase flow; Particle image velocity measurement technology; Base fluid

常規(guī)油井沖砂作業(yè)采用清水作為媒介[1]，但隨著油井和地層開(kāi)采，漏失大和地層水敏等原因，洗井效率低下，降低油井產(chǎn)液效率[2]。泡沫密度低，方便調(diào)節(jié)氣液比，能夠乳化管壁結(jié)蠟和瀝青等附著物[3，4]，攜砂能力強(qiáng)[5]。本文研究氣相壓力對(duì)擋板式泡沫發(fā)生器影響，利用PIV（高速粒子成像技術(shù)）對(duì)泡沫發(fā)生器內(nèi)部速度流場(chǎng)進(jìn)行分析。

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1.1 ?實(shí)驗(yàn)裝置

擋板式泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，湍流流場(chǎng)隨機(jī)性大，流線復(fù)雜，流場(chǎng)旋渦多，是用實(shí)驗(yàn)方式研究的準(zhǔn)確高效的方法，運(yùn)用PIV（高速粒子成像技術(shù)）來(lái)研究泡沫發(fā)生器腔室內(nèi)部流場(chǎng)瞬時(shí)速度分布，加入示蹤粒子，觀測(cè)實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)，用以模擬追蹤水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)用tecplot 360 軟件，對(duì)拍攝照片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使流動(dòng)規(guī)律更加清晰理解。選用空心玻璃微珠當(dāng)示蹤粒子。利用鏡頭（圖1a）和激光（圖1b、圖1c）觀察“質(zhì)點(diǎn)”的空間位置運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)機(jī)排氣壓力和基液流量，鏡頭對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置（圖2）曝光時(shí)間極短（10-3 s內(nèi)曝光）可認(rèn)為速度恒定，即可得出腔室結(jié)構(gòu)內(nèi)部瞬時(shí)速度分布。控制臺(tái)如圖3。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)見(jiàn)表1。

2 ?實(shí)驗(yàn)處理與分析

實(shí)驗(yàn)中用鏡頭泡沫發(fā)生器內(nèi)部擋板處流動(dòng)進(jìn)行高速攝像拍攝，共拍攝了2 700余幅激光照射示蹤粒子圖像，截取其中1幅圖片為做流場(chǎng)分析，如圖4所示。

導(dǎo)入后處理軟件tecplot 360進(jìn)行矢量云圖處理。調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)旋鈕，調(diào)整氣體出口壓力，運(yùn)用鏡頭拍攝空氣和基液混合后流經(jīng)泡沫發(fā)生器中部腔體的速度場(chǎng)照片圖，觀察不同供氣壓力下的內(nèi)部腔室流場(chǎng)狀態(tài)。經(jīng)過(guò)拍攝的照片保存后導(dǎo)入tecplot 360 圖像軟件，運(yùn)用矢量處理后得到瞬時(shí)速度向量圖，瞬時(shí)速度云圖，如圖5所示。

在泡沫發(fā)生器腔內(nèi)部，氣液兩相已經(jīng)混合均勻，選著拍攝此處速度矢量，能夠驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性，。在入口處氣泡和基液相遇，發(fā)生摻混，流經(jīng)喉管加速，隨后經(jīng)過(guò)擋板的碰撞、擾流、旋轉(zhuǎn)、運(yùn)移后，充分混合后流出泡沫發(fā)生器，由于擋板處處于駐點(diǎn)區(qū)域[6，7]，駐點(diǎn)可以改變流動(dòng)方向，兩相流流經(jīng)擋板流線曲折，呈波狀向后流動(dòng)，隨著氣體壓力的增加泡沫流動(dòng)速度逐漸增大，產(chǎn)生渦量變大，形成粘渦更明顯，在擋板后，脫體現(xiàn)象更加明顯[8，9]。

在開(kāi)始流經(jīng)第二個(gè)擋板時(shí)，流速隨流動(dòng)方向略有增加，當(dāng)流體遇到下一個(gè)擋板時(shí)，擋板后側(cè)區(qū)域流體流速較低，基本不隨軸線流動(dòng)狀態(tài)擾動(dòng)隨著流動(dòng)中心的擾動(dòng)，只在擋板后面產(chǎn)生大量渦流并旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)中心處的速度很小，有利于氣泡在此聚集，會(huì)存在一些氣泡，同時(shí)會(huì)存在部分速度為零的區(qū)域是鏡頭拍攝殼體反光和氣泡界面反光造成的。分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合未處理的圖片進(jìn)行分析篩選。

將實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的泡沫靜置在500 mL的量筒內(nèi)，觀察泡沫衰減的變化情況，記錄所需要的時(shí)間t如表2所示。在液相基液流量恒定時(shí)，產(chǎn)生泡沫后衰減潰滅的時(shí)間隨著氣體入口壓力的增大而減小，且在0.1～0.35 MPa變化關(guān)系內(nèi)基本如圖6表示，呈線性變化。

3 ?結(jié) 論

（1）實(shí)驗(yàn)表明擋板式泡沫發(fā)生器，可以產(chǎn)生大量泡沫，可以為井下沖砂洗井作業(yè)使用，操作方便。

（2）隨著氣體壓力的增加，泡沫流動(dòng)速度逐漸增大，在擋板后產(chǎn)生渦量變大，產(chǎn)生窩量處會(huì)逐漸聚集氣泡，形成小空穴，但是增加擾流作用，是流出泡沫發(fā)生器的氣泡數(shù)量更多。

（3）當(dāng)氣體入口壓力增大時(shí)，泡沫內(nèi)部氣體壓力也會(huì)升高。在泡沫內(nèi)外壓差作用下，泡沫的衰減時(shí)間隨入口壓力增加而減小，且基液流量小產(chǎn)生的泡沫的穩(wěn)定性差，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中結(jié)束之前就會(huì)有部分泡沫潰滅。

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