王 萍，李 英，张 斌，杨景利，陈金仪，申 福

（1.胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257000；2.山东大学，济南250100；3.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州730070；4.塔里木油田第二勘探公司，新疆库尔勒841000） ①

泡沫钻井用热辐射物理消泡装置研制

王 萍1，李 英2，张 斌1，杨景利1，陈金仪3，申 福4

（1.胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257000；2.山东大学，济南250100；3.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州730070；4.塔里木油田第二勘探公司，新疆库尔勒841000） ①

泡沫钻井液能降低压持效应、提高机械钻速，适用于低压、易漏失地层的钻井、完井、修井等工艺，但出井钻井液存在消泡问题。利用温度和负压联合作用消泡机理，研制了热辐射物理消泡装置，能够提高消泡效率，降低能耗，实现基液循环利用。重点介绍了该装置的结构、自动控制技术，以及热辐射管的选择和安装。

泡沫钻井；热辐射；负压；消泡

泡沫钻井液具有静液柱压力低、滤失量小、携砂性能好、助排能力强及对储层伤害小等特性［1］，广泛应用于低压、易漏失地层的钻井、完井、修井和油气井增产措施中。但是，出井液体的消泡是技术难点之一，导致现场对钻井中泡沫基液的循环利用效率降低，经济效益下降，并对环境造成一定污染，限制和影响了该技术的有效应用。目前，国外主要采用化学法实现钻井泡沫的消除和循环利用［2］，国内通过调节pH值使泡沫消除或再生。本文探索利用温度、压力等物理因素使泡沫消除的方法，实现泡沫的快速消除，而不破坏基液性质，实现基液循环利用。重点是确定热辐射装置的结构和自动化控制技术，并确定最优技术控制条件和参数。

1 结构

热辐射物理消泡装置主要由消泡罐、真空泵、清水泵、加热棒、液位计以及PLC控制系统等组成，采用了负压和热辐射技术。装置原理如图1。①将泡沫导入密闭容器内，用真空泵对容器进行抽真空，制造泡沫内外气压差；②利用容器内安装的加热管进行热辐射加热，使得泡沫内气体膨胀。在2种作用的驱使下，泡沫更容易破裂变为液体，便于循环利用。

图1 热辐射物理消泡装置原理

1.1 各部件功能

1） 泡沫入口管 与1段软管连接，深入泡沫池子中吸收泡沫。

2） 带孔隔板 是1块置于消泡罐上方的带孔不锈钢板，防止进入罐内的泡沫因为过多或者消泡不及时而从出气孔溢出。

3） 消泡罐 盛载泡沫液体，可承受－0.1 MPa的负压。

4） 伞状板 避免泡沫直接流到罐底部，使泡沫能够在伞面上停留一段时间，使得泡沫受热更均匀，增强消泡效率。

5） 压力计 显示消泡罐内的真空度，并通过远传单元将信号传给控制系统。

6） 气体出口（接真空泵） 通过真空泵往外抽气，使得罐内压力低于大气压力，泡沫在外部大气压力的作用下进入罐内，通过负压的作用使泡沫体积增大而破裂，达到消泡的目的。

7） 加热棒 材料为碳纤维石英，具有稳定性高、安全性高、升温速度快、耐腐蚀性强、环保等优点。受总电路控制，对罐内泡沫进行均匀热辐射加热，温度通过传感器检测，信号传给控制系统，可以由触摸屏控制开、关。

8） 液位计 为磁翻板液位计，通过液位计的红色指示来显示罐内消泡后的液位，也可把液位信号传给控制系统。

9） 液位出口（接清水泵） 当消泡后的液体到达一定液位，开动水泵，罐内消泡后产生的液体可由此排出罐内；水泵前加单向止回阀，以保证抽真空时关闭出液口。

2 工作原理

2.1 泡沫破灭机理

目前普遍认为，泡沫的衰变机理主要是泡沫中液体的流失和气体透过液膜扩散。通过3个过程，使表面活性剂溶液和气体最终分离成独立的溶液和气体。

1） 泡沫中液体的流失。在重力作用和毛细管力的作用下，气泡间的液体析出，使得气泡与液体分离，称为泡沫析液［3］。

2） 内部高压力的小气泡中分子通过液膜向相邻低压力大气泡扩散，造成气泡合并，称为气泡聚并。

3） 气泡间液膜的破裂造成相邻气泡合并，称为液膜破裂。

2.2 热辐射和负压消泡的工作原理

在热辐射的作用下，泡沫液膜中的水受热蒸发，液膜变薄而破裂。同时，气液界面上分子热运动加剧，气体通过气液界面的扩散速率增大。在负压场的作用下，泡沫内外压力差增大，气泡膨胀使得液膜变薄，泡沫尺寸分布变大，气泡聚并程度增大。在这些因素的共同作用下，泡沫得以迅速消除，并且不影响泡沫基液的基本性质。

3 技术参数

热辐射消泡装置容积 3.5m3

加热功率 10kW

工作压力 －0.1MPa

泡沫处理量 70m3／h

消泡效率 ＞80%

4 热辐射管的选择

4.1 选择要求

1） 热效率高，升温速度极快。

2） 电气性能稳定。

3） 耐酸、耐腐蚀。

4） 环保。

5） 寿命长。

4.2 炭纤维石英管

选择碳纤维石英管作为加热元件，在加热管（如图2所示）的背面涂上1层反射层，避免热量辐射到无效部位，使得热辐射集中到罐中的泡沫部位，更好地利用热量，提高热效率。

图2 碳纤维石英加热管结构

碳纤维石英管的性能特点：

1） 碳纤维发热体是一种纯黑体材料，具有升温迅速、热滞后小、发热均匀、热辐射传递距离远、热交换速度快等特点，电热转换效率高达98%，升温速度快。加热5s可使表面温度达300～700℃。

2） 封装材料采用高纯度脱羟基石英玻璃管，热膨胀系数极小，有极高的热稳定性，能承受剧烈的温度变化而不炸裂（温差可达上千度）。石英玻璃是良好的耐酸材料（氢氟酸除外），相当于耐酸陶瓷的30倍、不锈钢（镍铬合金）的150倍。

3） 碳纤维石英电热管寿命＞6 000h。在频繁启动、关闭和长期连续工作中，发热体无氧化和击穿现象，发热光色均匀、管壁内外清洁。

4） 燃点不需要镇流器，启动时无脉冲电流冲击，使电源、保护电路简单化，电源及相关电器使用寿命延长。

5） 与金属发热体不同，碳纤维完全避免了电磁场的产生，故无高频辐射（只有远红外辐射），无微波、电磁波。由于是纯黑体材料，无光污染，不刺激眼睛和灼伤皮肤。

4.3 安装要求

采用6根直型加热管绕罐体1周均匀排列，使加热管加热更均匀，加热效率更高。

图3 加热管安装示意

5 加热和控制方法

利用PLC可编程序控制器，根据远传真空表的压力信号（0～5V）、温度传感器信号（4～20mA）以及液位传感器的信号（4～20mA），实现闭环控制。所有操作均在人机界面（触摸屏）上完成，人机界面与PLC之间采用RS485协议进行通讯。如图4。

装置可实现自动控制，水泵按照液位控制自动启停；加热根据温度自动启停；进液根据时间自动开启。

图4 操作界面

6 现场应用

研制的热辐射消泡装置在胜利油田ZG14－D2井进行了试验。四开（井深4 128～4 380m）152.4 mm井眼实施氮气泡沫钻井。注气量60m3／min，泡沫钻井液排量3～5L／s，每天产生的泡沫量约为1 500m3。热辐射消泡装置实现自动吸入泡沫，消泡后排除液体。由于此次试验气温在－10℃，装置每天处理量约700m3，消泡效率约75%，与设计计算值有差距。

7 结论

1） 通过热辐射与负压法联用，实现钻井液泡沫的迅速消除，不破坏基液性质，实现基液循环利用。

2） 热辐射消泡装置在现场实现了自动控制。

3） 现场应用时可加大热辐射加热功率，或增加设备数量来满足处理量的要求。

［1］ 杨 谋，孟英峰，李 皋，等.提高深井机械钻速的有效方法［J］.石油矿场机械，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］ 蓝 强，李公让，薛玉志，等.泡沫钻井液排液作用机理研究进展［J］.石油工程技术，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

国家重大专项“低渗油气田高效开发钻井技术”（2011ZX05022）

王 萍（1975－），女，山东安丘人，工程师，主要从事钻井液技术研究，E－mail：wangping265.slyt＠sinopec.com。