一种制备微米级气泡分散体系的超声波振荡方法及装置.pdf

本发明提供了一种制备微米级气泡分散体系的超声波振荡方法及装置。该装置包括体系反应生成容器、喷射头、超声波发生器、中间容器和驱替泵，其中，喷射头置于体系反应生成容器内，超声波发生器置于体系反应生成容器外，喷射头与超声波发生器连接，中间容器一端连接体系反应生成容器，另一端连接驱替泵。利用该装置制备微米级气泡分散体系的方法包括：将液体注入体系反应生成容器内；将气体注入喷射头内，注入时，控制换能片上方气体的压强比换能片上方液体的压强高0-0.05MPa；开启超声波发生器，体系反应生成容器内形成微米级气泡分散体系。该微米级气泡分散体系能够应用于污水处理、矿物浮选及高温高压油藏注水开采等领域。

1.  一种制备微米级气泡分散体系的装置，该装置包括体系反应生成容器、喷射头、超声波发生器、中间容器和驱替泵，所述喷射头置于所述体系反应生成容器内，所述超声波发生器置于体系反应生成容器外，所述喷射头与超声波发生器连接；
所述体系反应生成容器包括釜体和上端盖；所述釜体的侧壁上设有观察窗，所述釜体的底部设有进出口、气体入口和导线入口；所述上端盖上设有体系出口和排气口；
所述喷射头包括壳体、入气口、换能片、压盖、密封垫和导线；所述换能片由压盖和密封垫压实在壳体的上方；所述换能片包括钢片和换能环，所述钢片的中间分布有孔眼，所述换能环置于所述钢片的上方，所述孔眼位于所述换能环的环空区域内；所述入气口与所述气体入口连通，所述导线一端连接所述换能片，另一端与所述超声波发生器连接；
所述中间容器包括第一中间容器和第二中间容器，所述驱替泵包括第一驱替泵和第二驱替泵；其中，所述第一中间容器一端连接所述气体入口，另一端连接所述第一驱替泵，所述第二中间容器一端连接所述进出口，另一端连接所述第二驱替泵。

2.  根据权利要求1所述的制备微米级气泡分散体系的装置，其特征在于：所述孔眼的直径为50-100μm；所述钢片中孔眼所在区域的厚度为0.05-0.1mm，优选为0.1mm；所述钢片中孔眼所在区域外的厚度为0.2mm。

3.  根据权利要求1所述的制备微米级气泡分散体系的装置，其特征在于：所述换能环是由陶瓷压电材料制成的。

4.  根据权利要求1所述的制备微米级气泡分散体系的装置，其特征在于：所述换能环包括正极和负极，所述换能环的正极与所述超声波发生器的正极相连，所述换能环的负极与所述超声波发生器的负极相连。

5.  根据权利要求1所述的制备微米级气泡分散体系的装置，其特征在于：所述体系反应生成容器上设有压力表。

6.  根据权利要求1所述的制备微米级气泡分散体系的装置，其特征在于：所述进出口、气体入口、排气口和体系出口处均设有阀门。

7.  根据权利要求1所述的制备微米级气泡分散体系的装置，其特征在于：所述体系反应生成容器的体系出口与应用系统相连。

8.  根据权利要求1所述的制备微米级气泡分散体系的装置，其特征在于：所述第一中间容器与气体入口连接的一端装有气体恒压阀。

9.  一种利用权利要求1-8任一项所述的装置制备微米级气泡分散体系的超声波振荡方法，其包括以下步骤：
步骤1：开启第二驱替泵将液体注入体系反应生成容器内，使体系反应生成容器内的温度和压力达到设计值；
步骤2：开启第一驱替泵将气体注入喷射头内，注入时控制换能片下方气体的压力比换能片上方液体的压力高0-0.05MPa；
步骤3：开启超声波发生器，换能片工作，体系反应生成容器内形成微米级气泡分散体系。

10.  根据权利要求9所述的方法，其中：在步骤1中，所述体系反应生成容器内的温度为常温至90℃，压力为0-20MPa。

11.  根据权利要求9所述的方法，其中：在步骤3中，超声波发生器的振荡频率为1.5-2.0MHz。

12.  根据权利要求9所述的方法，其中：该方法还包括当所述体系反应生成容器的顶部有单相气体聚集时，从体系反应生成容器上端盖上的排气口排出单相气体的步骤。

13.  根据权利要求9所述的方法，其中：该方法还包括当形成微米级气泡分散体系时，将其从体系反应生成容器的体系出口注入应用系统的步骤。

一种制备微米级气泡分散体系的超声波振荡方法及装置
技术领域
本发明涉及一种制备微米级气泡分散体系的超声波振荡方法及装置，属于石油开发技术领域。
背景技术
油藏开发普遍采用补充能量的方法，采用向油藏中注入驱替剂(水、聚合物溶液、气体等)驱替原油的方式，在我国应用最为广泛的是注水开发。
目前，注水开发面临两个常见问题：一是油藏非均质性导致注入水沿大孔道窜流，使其无法进入渗透率相对较低的孔隙。二是低渗透油藏，岩石孔隙半径小，注入水在较大压差下才能渗流进入孔隙。如果能将微米气泡分散到水中使之成为分散体系，在驱油时，微小气泡可以进入注入水难以进入的孔隙内，从而提高波及效率，提高采出程度。微米级气泡在较大孔隙内易于膨胀，对大孔道进行封堵，使液体转向起到调剖作用。
另外，由于微气泡在水中分散后所具有的特性，该体系也应用于污水处理、矿物浮选等领域。现有技术多采用常温常压条件下的高速搅拌加气的方式，其泡径多在100微米以上，聚合速度快、稳定时间在1小时之内。
因此，探索微米级分散体系生成方法，制备适合在高温高压油藏条件下的分散体系成为本领域亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种制备微米级气泡分散体系的超声波振荡方法及装置，采用本发明提供的装置制备得到的微米级气泡分散体系，气泡泡径为1-50微米，该微米级气泡分散体系能够应用于污水处理、矿物浮选及高温高压油藏注水开采等领域。
本发明中的微米级气泡分散体系是指不能按照任意比例互溶的气体和液体，其中气体在液体中以微米粒径气泡的形式均匀分布而形成的体系。
为达到上述目的，本发明提供了一种制备微米级气泡分散体系的装置，该装置包 括体系反应生成容器、喷射头、超声波发生器、中间容器和驱替泵，所述喷射头置于所述体系反应生成容器内，所述超声波发生器置于体系反应生成容器外，所述喷射头与超声波发生器连接；
所述体系反应生成容器包括釜体和上端盖；所述釜体的侧壁上设有观察窗，该观察窗是由耐压玻璃制成的(微米级气泡分散体系的生成过程可通过观察窗进行观察，及时调整控制)，所述釜体的底部设有进出口、气体入口和导线入口(导线接头可以从该导线入口伸出)；所述上端盖上设有体系出口和排气口(该排气口处装有排气阀)；所述进出口可以让液体由此进入体系反应生成容器内，所述气体入口可以让气体进入孔喷射头内，所述体系出口可以让形成的微米级气泡分散体系由此排出，所述排气口可以排出体系反应生成容器顶部聚集的单相气体(微气泡在未及时排出后，会在体系反应生成容器的顶部聚集合并，形成气体区)，保证体系出口的流体为连续的微米级气泡分散体系；上端盖的厚度、釜体的厚度、观察窗的厚度和直径可根据实际耐压要求来确定；
所述喷射头包括壳体、入气口、换能片、压盖、密封垫和导线；所述换能片由压盖和密封垫压实在壳体的上方；所述换能片包括钢片和换能环，所述钢片的中间分布有孔眼，所述换能环置于所述钢片的上方，所述孔眼位于所述换能环的环空区域内(以保证换能片底部的气体能够通过孔眼在体系反应生成容器内形成微米级气泡分散体系)；所述入气口与所述气体入口连通，所述导线一端连接所述换能片，另一端与所述超声波发生器连接，超声波发生器控制换能片的运作；
所述中间容器包括第一中间容器和第二中间容器(第一中间容器中盛装气体，第二中间容器中盛装液体)，所述驱替泵包括第一驱替泵和第二驱替泵；其中，所述第一中间容器一端连接所述气体入口，另一端连接所述第一驱替泵，所述第二中间容器一端连接所述进出口，另一端连接所述第二驱替泵；工作时第一驱替泵将第一中间容器中的气体由气体入口注入喷射头中，第二驱替泵将第二中间容器中的液体由进出口注入体系反应生成容器中。
在上述装置中，优选地，所述孔眼的直径为50-100μm，所述钢片中孔眼所在区域的厚度为0.05-0.1mm；更优选为0.1mm，所述钢片中孔眼所在区域外的厚度为0.2mm，该厚度能够使换能片在1.5-2.0MHz的超声波振荡中具有很好的机械性能。
在上述装置中，优选地，所述换能环是由陶瓷压电材料制成的。
在上述装置中，优选地，所述换能环包括正极和负极，所述换能环的正极与所述超声波发生器的正极相连，所述换能环的负极与所述超声波发生器的负极相连。
在上述装置中，优选地，所述体系反应生成容器上设有压力表，该压力表能够检测体系反应生成容器内的压力。
在上述装置中，优选地，所述进出口、气体入口、排气口和体系出口处均设有阀门。
在上述装置中，优选地，所述体系反应生成容器的体系出口与应用系统相连，形成的微米级气泡分散体系可以从体系反应生成容器的体系出口进入应用系统中。
在上述装置中，优选地，所述第一中间容器与气体入口连接的一端装有气体恒压阀，该恒压阀能够使气体注入喷射头时的注入压强保持恒定。
本发明还提供了一种利用上述装置制备微米级气泡分散体系的超声波振荡方法，其包括以下步骤：
步骤1：开启第二驱替泵将液体注入体系反应生成容器内，使体系反应生成容器内的温度和压力达到设计值；
步骤2：开启第一驱替泵将气体注入喷射头内，注入时可以使第一驱替泵的压力比第二驱替泵的压力高0-0.05MPa，以控制换能片下方气体的压力比换能片上方液体的压力高0-0.05MPa(控制换能片上下的压差在上述较小范围内，能够使换能片上孔眼处的气液界面张力大于上下压差，这样换能片下方的气体就不会从孔眼处流入上方液体，同样的，上方的液体也不会从孔眼处流入下方)；
步骤3：开启超声波发生器(在开启超声波发生器时，可以暂停注入气体和液体，给超声波发生器短暂的反应时间，以更好地制得微米级气泡分散体系)，换能片工作，体系反应生成容器内形成微米级气泡分散体系。
在上述方法中，优选地，在步骤1中，所述体系反应生成容器内的温度为常温至90℃，压强为0-20MPa，该温度和压力条件与高温高压的油藏条件接近，制得的分散体系能够在该条件下保持分散特性，直接应用于高温高压油藏。
在上述方法中，优选地，在步骤3中，超声波发生器的振荡频率为1.5-2.0MHz。
在上述方法中，优选地，始终保持体系反应生成容器内的温度和压力为上述设计值。
在上述方法中，优选地，该方法还包括当所述体系反应生成容器的顶部有单相气 体聚集时，从体系反应生成容器上端盖上的排气口排出单相气体的步骤。
在上述方法中，优选地，该方法还包括当形成微米级气泡分散体系时，将其从体系反应生成容器的体系出口注入应用系统的步骤。
本发明制备的述微米级气泡的泡径为1-50μm，其能够在油藏中进行的应用，优选地，所述油藏的温度为0-90℃，压强为0-20MPa。
本发明的创造性地利用超声波振荡方法生成微米级气泡分散体系，以气体向液体(水)中分散为例，本发明提供的技术方案的核心为：
超声振荡——环状换能片高频持续振荡，在钢片中心一定空间内形成压力异常区域，该区域内钢片上下端呈现往复式的高压、低压交替，气液界面被破坏，见图2中的a；
机械剪切——钢片中间带有50-100μm的微孔阵，微孔边缘对异常区域内的混合流体进行切割，使底部气体进入微孔内，由于振动速度快，使气体无法连续，形成直径在0.1mm以下的气泡，伴随钢片的向上振动，该气泡被弹性能量打散为多个小气泡，从而形成微米级别的气泡，见图2中的b。
本发明具有以下有益效果：
1)现有技术在制备气泡分散体系时，目标是气泡越多越好，不存在控制流量的难度，而本发明提供的技术方案采用超声波振荡的方法，能够形成可控制流量的微米级气泡分散体系；
2)现有技术在制备微米级气泡分散体系时，在油田开发行业，往往是通过加入化学剂的途径来控制气泡的泡径，而本发明提供的技术方案不需要使用化学剂等第三项流体就能够得到微米级气泡分散体系；
3)在油田开发行业，驱替地下原油需要控制驱替速度，现有技术只能采用大流量喷射，控制了速度，则气泡直径明显增大，达到毫米级以上，在岩石孔隙中易合并，并形成窜流，这不利于开发效果的提高，而本发明制备的微米级气泡分散体系的气泡泡径为1-50微米，该气泡分散体系在油田开发、矿物浮选、污水处理等领域有广阔的应用前景；
4)与注水驱油效果相比，在室内实验中，本发明提供的微米级气泡分散体系能够提高采收率10％左右。
附图说明
图1为微米级气泡生成的原理图；
图2为微米级气泡生成的示意图；
图3为制备微米级气泡分散体系的装置的结构示意图；
图4为体系反应生成容器的结构示意图；
图5为换能片的结构示意图；
图6为喷射头的结构示意图；
主要附图标号说明：
1：体系反应生成容器；2：喷射头；3：超声波发生器；4：第一驱替泵；5：第二驱替泵；6；应用系统；7：气体恒压阀；8：第一中间容器；9：第二中间容器；101：釜体；102：进出口；103：气体入口；104：导线入口；105：观察窗；106：体系出口；107：排气口；108：压力表；201：壳体；202：入气口；203：换能片；204：密封垫(圈)；205：压盖；206：微米气泡；207：导线；2031：钢片；2032：孔眼；2033：换能环；2034：电极。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种制备微米级气泡分散体系的装置，该装置的结构如图3所示。
该装置包括体系反应生成容器1、喷射头2、超声波发生器3、中间容器和驱替泵，喷射头2置于体系反应生成容器1内，超声波发生器3置于体系反应生成容器1外，喷射头2与超声波发生器3连接；
体系反应生成容器1的结构如图4所示，其包括釜体101和上端盖；上端盖通过O型密封圈压实在釜体101上方，釜体101的侧壁上设有观察窗105和压力表108，釜体101的底部设有进出口102、气体入口103和导线入口104；上端盖上设有体系出口106(该体系出口106与应用系统6相连)和排气口107，上述进出口102、气体入口103、体系出口106和排气口107处均设有阀门；
喷射头2的结构如图6所示，其包括壳体201、入气口202、换能片203、压盖205、密封垫204和导线207；换能片203由压盖205和密封垫204压实在壳体201 的上方；入气口202与气体入口103连通，导线207一端与换能片203连接，另一端与超声波发生器3连接；
中间容器包括第一中间容器8和第二中间容器9，第一中间容器8一端连接气体入口103(第一中间容器8与气体入口103连接的一端装有气体恒压阀7)，另一端连接第一驱替泵4，第二中间容器9一端连接进出口102，另一端连接第二驱替泵5；工作时第一驱替泵4将第一中间容器8中的气体由气体入口103注入喷射头2中，第二驱替泵5将第二中间容器9中的液体由进出口102注入体系反应生成容器1中；
换能片203的结构如图5所示，其包括钢片2031和换能环2033；钢片的中间分布有孔眼2032(孔眼2032的直径为50-100μm，钢片2031中孔眼2032所在区域的厚度为0.1mm，钢片2031中孔眼2032所在区域外的厚度为0.2mm，钢片2031的上方粘结由陶瓷压电材料制成的换能环2033，孔眼2032位于换能环2033的环空区域内，换能环2033的正极与超声波发生器3的正极相连，换能环2033的负极与超声波发生器3的负极相连。
实施例2
本实施例提供了一种利用实施例1中的装置制备微米级气泡分散体系的超声波振荡方法，其包括以下步骤：
1)在第一中间容器8和第二中间容器9内分别装盛CO₂和水；
2)将第二中间容器9内的水注入体系反应生成容器1中，使体系反应生成容器1内的温度和压力达到设计值(温度为50℃，压力为10MPa)，并维持在该设计值；
上述体系反应生成容器1内的压力是通过向其注入液体进行控制的(当注满液体时，体系反应生成容器1内的压力为10MPa)；体系反应生成容器1内的温度可以通过恒温空气浴或外敷循环水浴进行控制，在操作过程中也可以分别将第一中间容器8和第二中间容器9内CO₂和水的温度和压力设定为上述设计值，以使体系反应生成容器1内的温度和压力快速达到上述设计值；
3)开启第一驱替泵4将气体注入喷射头2内，在注入过程中控制换能片203下方气体的压力比换能片203上方液体的压力高0-0.05MPa(此时由于换能片203上的孔眼2032直径较小，气体在小压差条件下无法通过)，同时保持体系反应生成容器1内的温度和压力为上述设计值；
4)开启超声波发生器3(开启超声波发生器3时，可以先暂停注入水和CO₂， 给超声波发生器3短暂的反应时间，以更好地获得微米级气泡分散体系)，换能片203工作，调整超声波发生器3的频率为1.7MHz±0.2MHz，换能片203上的孔眼2032快速剪切周围液体，将微米气泡喷射出来，在体系反应生成容器1内的水浴中形成微米气泡206分散体系；图1为微米级气泡生成的原理图；
5)当体系反应生成容器1的顶部有单相气体聚集时，打开体系反应生成容器1上端盖的排气口107处的排气阀将聚集的单相气体排出；
6)开启体系反应生成容器1上端盖上体系出口106处的阀门，利用驱替泵，按照设定的速度(1mL/min)将微米级气泡分散体系注入应用系统6中。
在室内实验中(岩心长度5cm，渗透率300mD；原油样品粘度10mPa.s；温度50℃；压力10MPa)，水驱的采出程度为63％，而本发明提供的微米级气泡分散体系的采出程度为78％，由此可见，与注水驱油效果相比，本发明提供的技术方案能够提高采收率10％左右。
上述结果表明：本发明提供的技术方案无需使用化学剂等第三项流体就能够得到微米级气泡分散体系，该微米级气泡分散体系具有良好的稳定性、易注入性和可控制性，与注水驱油效果相比，该微米级气泡分散体系能够显著提高原油的采收率。