空气泡沫钻井流体携岩、携水能力强,能够有效处理地层漏失,解决空气钻井遇到地层出水无法顺利施工的技术难题,机械钻速较常规泥浆钻井有大幅度提高,应用前景较为广阔。本文主要针对泡沫流体消泡困难、泡沫基液不能回收利用等技术难题开展研究,基于Coanda原理设计了双级环隙式机械消泡器。
消泡器工作时,高压气流分别从进气管进入双级环形喷嘴高速喷出,喷出后的窄薄高速气流由于附壁效应紧贴着消泡器内壁流动,在高速气流的卷吸作用下,周围的气体不断地向壁面流动,并在壁面附近和喷嘴后方形成较大的真空区。泡沫流经该区域时,在内外压差作用下膨胀破裂。此外,由于附壁气流具有较高的动能,当泡沫流体经过喉管及后喷体时,低能量的泡沫流体与高速附壁气流接触并发生能量交换,在工作腔内产生较大的剪切力,将未破裂的泡沫剪切破碎。消泡后的泡沫基液流经扩散管时速度逐渐降低,压力逐渐恢复至常压排出。因此,双级环隙式消泡器主要利用负压膨胀和剪切破碎两种作用进行消泡。为提高双级环隙式消泡器消泡效果,本文主要进行了如下研究:运用Inventor软件建立双级环隙式机械消泡器模型,利用FLUENT软件对双级消泡器内部流场进行了数值模拟,分析消泡器内部流场的气流速度与负压情况。对喉管长度、扩散管角度、扩散管的长度、两级环隙喷嘴的曲率半径等关键结构参数对消泡器内部流场的影响规律进行了深入分析、研究。
模拟结果表明:当喉管长度L2=40mm、扩散管角度α=6°、扩散管长度L3=350mm、两级环隙喷嘴的曲率半径R=110mm时关键区域的平均负压与平均气流速度达到最大值。为进一步验证双级环隙式机械消泡器的消泡效果,设计建立了消泡实验台,对双级环隙式机械消泡器的消泡效果进行了实验,对泡沫气液比、泡沫流体半衰期以及空压机供气压力等参数对其消泡效率的影响进行了实验测试。实验结果表明,双级环隙式机械消泡器的消泡能力良好,泡沫消除效果显著,实验中消泡率最高达到82%。即使在泡沫半衰期为86min的条件下,其消泡效率亦能达到60%。