气溶胶发生器制备气溶胶体系影响因素

摘要：针对气窜控制方法中高含水率易对地层造成伤害的问题，利用气溶胶作为气窜调控技术，研究气溶胶气液比、气液流量和压力的主要影响因素。利用ANSYS中Fluent等软件对气溶胶发生器的结构进行设计，研究气液质量流量和气液腔尺寸对气溶胶发生器内气液流动规律的影响，模拟计算气液注入参数与发生器出口压力的关系。结果表明：在一定的气体入口质量流量下，液体存在一个合理的流量区间，液体的上限流量和下限流量都随着二氧化碳流量（Qg）的增大而增大，但液体的上限流量变化更为显著；相比于泡沫驱、WAG等控制气窜方法，通过改变发生器中气腔/液体腔的横截面积比以及气体的注入参数，可以获得更宽的气液流量比范围，气液比上限可超过100，发生器的出口注入压力可超过20 MPa，满足现场气体的注入需要。

关键词：气溶胶； 气溶胶发生器； 气窜； 气驱

中图分类号：TE 377"" 文献标志码：A

引用格式：蒋平，郭凯，冯可心，等.气溶胶发生器制备气溶胶体系影响因素［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2024，48（5）：146-150.

JIANG Ping， GUO Kai， FENG Kexin， et al. Influencing factors of aerosol system preparation by aerosol generator［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2024，48（5）：146-150.

Influencing factors of aerosol system preparation by aerosol generator

JIANG Ping1， GUO Kai1， FENG Kexin1， ZHANG Guicai1， GE Jijiang1， PEI Haihua1， QI Ning1，2

（1.Key Laboratory of Unconventional Oil amp; Gas Development（China University of Petroleum （East China）），

Ministry of Education， Qingdao 266580， China;

2.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China）

Abstract： To overcome the problem of high water content easily causing damage to the formation in the gas channeling control method， the aerosols was used as gas channeling control technology investigate the main influencing factors of gas-liquid mass flow rate ratio， flow rate range and pressure. The structure of the aerosol generator was designed using the Fluent software in ANSYS.The effects of gas-liquid mass flow rate and gas-liquid chamber size on the gas-liquid flow regularity in the aerosol generator were studied， and the relationship between gas-liquid injection parameters and generator outlet pressure was simulated and calculated. It is shown that there is an optimal flow rate range for liquids at a given gas inlet mass flow rate. Both the upper and lower limit flow rates of the liquid increase with the increase of Qg， but the upper limit flow rate of the liquid changes more significantly. Compared to foam flooding， WAG and other methods of controlling gas channeling， by varying the cross-sectional area ratio of the gas/liquid chamber in the generator and the gas injection parameters， a wider range of gas-liquid flow rate ratios can be obtained. The upper limit of the gas-liquid ratio can exceed 100 and the outlet pressure of the generator can reach 20 MPa or more， which meets the need for gas injection.

Keywords： aerosol; aerosol generator; gas channeling; gas flooding

气驱是一种重要的提高采收率技术［1］，由于储层的非均质性以及气液流度的差异，气驱过程中容易出现气窜现象，从而导致气驱的波及系数较低。控制气窜的方法主要有水-气交替注入（WAG）［2］、水气同注［3］以及泡沫驱［4-6］等。气溶胶是一种由液体或固体小颗粒悬浮在气体中形成较稳定的多分散体系［7-8］，其粒径范围为0.001～100 μm。自然界存在的大量天然的气溶胶体系，如粉尘气溶胶、雾状气溶胶［9-10］。同时人为活动也会产生不同类型的气溶胶，如焚烧过程产生的固体颗粒气溶胶颗粒［11-13］。利用雾化技术产生的人造气溶胶体系也被广泛的应用于工业领域，如发动机中将燃料雾化成气溶胶可以大幅度提高油料的燃烧效率［14］，将阻燃剂雾化后可提高消防灭火作业的效率［15］。蒋平等［16-17］提出将液体以雾状形式分散到气体中制备成气溶胶体系，从而利用气溶胶中小液滴与气体两相产生的贾敏效应调控气体流度、控制气窜的技术思路，相比于其他气窜调控方法，气溶胶体系可以具有更低的含水量和更高的含气量，并且不存在泡沫体系在高含气量下的破裂问题。制备气溶胶的发生器主要有撞击式雾化、压力式雾化、双流体式雾化以及超声雾化和气泡雾化等方法，其中利用气泡破碎原理的气泡雾化式气溶胶发生器具有设备简便、气体流量范围广、所需压力低等优势得到了广泛的应用［18］。笔者利用ANSYS中Fluent等软件对气溶胶发生器的结构进行优化设计，研究气液质量流量和气液腔尺寸对气溶胶发生器内气液流动规律的影响，模拟计算气液注入参数与发生器出口压力的关系。

1 气溶胶发生器模型及模拟方法

利用ANSYS软件的SpaceClaim软件建立气溶胶发生器的模型，进而采用Fluent模块对气溶胶发生器中的流场、压力场进行模拟计算，气溶胶发生器结构剖面图见图1。其中A端为发生器液体入口，B端为发生器气体入口，气体从C口进入混合腔D与液体发生混合产生泡状流，混合后的体系从E口喷射破碎产生气溶胶。气溶胶从E出口进入一个封闭的圆柱形流域，用以模拟产生的气溶胶进入注入管道。

在研究中固定气溶胶发生器的整体长度（A端至E端）为102 mm，发生器外壁、气腔壁以及管道壁厚度均为2 mm，外径22 mm。采用单出口式，出气孔D的数量为一周8个且出气孔向下倾斜45°，出气孔D直径为2 mm，出口外接圆柱形流域长度100 mm，直径20 mm。模拟中使用的气体为二氧化碳，模型中的液相为水。研究中主要改变模型中气腔和液体腔的横截面积比，模拟计算了不同气液质量流量下流场和压力场的变化规律。

2 结果分析

当模型结构尺寸一定的情况下，气体和液体的注入参数会显著影响发生器中气液流场的形态。当气液比过大或过小时，会影响气液混合后产生气溶胶的效率。图2为二氧化碳入口质量流量Qg=0.024 g/s时，不同水的入口质量流量下，气溶胶发生器内部流场的变化规律。可以看出，当水入口质量流量（Ql）过大时（图2（e）、（f）），出现了水逐渐侵入到气腔中的现象，从而导致气腔积液，最终影响二氧化碳进入气液混合腔。当液体的入口质量流量过低时（图2（a）、（b）），则出现二氧化碳进入环空并且向上回流的现象，从而抑制液体进入气液混合腔。这说明当气体流量一定的情况下液体存在一个合理的质量流量上限（Qlup）和质量流量下限（Qllo），即存在一个合理的气液质量流量比（mGLR）。因此须研究气溶胶发生器结构以及气体注入参数对Qlup、Qllo和mGLR的影响规律。

2.1 气体质量流量对液体流速的影响

基于上述模型模拟气液腔横截面积比为0781、不同二氧化碳入口质量流量下合理的液体流量范围以及对应的mGLR。

由图3看出，气体的质量流量从0.024 g/s增大到20 g/s时，液体的质量流量上限从48 g/s增大到1 026 g/s，提高了21.4倍，但是液体流量下限仅增大了2.7倍。这说明二氧化碳入口质量流量对液体上限流量的影响较为显著，而下限流量的增加幅度相对较小。

这说明在制备气溶胶体系时，气液比的调控范围随着气体注入速度的增大而增大。比如当气体的流量为1 g/s，液体的下限流量为32 g/s，上限流量为230 g/s，若换算为标况下的气液体积比分别为25和3.48。但是当气体的流量达到20 g/s，液体的下限流量为100 g/s，上限流量为600 g/s，换算为标况下的气液体积比分别为101.16以及16.86，这表明增大气体注入速度可大幅度提高气液比范围，而当气液比超过98∶2时难以形成泡沫，所以这一气液比的上限是泡沫驱无法实现的。

2.2 气液腔横截面积比对气液流量的影响

研究气液腔横截面积比对气体和液体流量质量比范围的影响，改变气液腔横截面积比为2.882、2.118、0.781、0.161，模拟不同二氧化碳入口质量流量时的合理液体流量，结果见图4、5。

从图4和5看出，当二氧化碳的入口质量流量一定时，随着气腔横截面积比的增大，水的入口质量流量上、下限逐渐减小，导致mGLR不断增大。因此增大气液腔横截面积比可获得更大的mGLR调控范围。

2.3 不同注入参数下气溶胶发生器出口压力

气液两相体系在气溶胶发生器内部腔体混合后在出口发生流道的急剧变化，因此气液的注入参数会直接影响气溶胶发生器的出口压力，而出口的压力又会影响其向地层注入性能。

图6为利用气液腔横截面积比为0.781的气溶胶发生器模型，模拟

Qg=0.024～20 g/s的情况下，气溶胶发生器出口压力的变化规律。可以看出，出口压力随着气体注入量的增大呈现指数级增大，当气体的入口流量达到20 g/s时，气溶胶发生器出口压力超过20 MPa。

3 结 论

（1）在一定的二氧化碳入口质量流量下，液体存在一个合理的流量区间，并且液体的上限流量和下限流量都随着二氧化碳流量的增大而增大，但液体的上限流量变化更为显著。

（2）相比于泡沫驱或WAG等气窜调控方法，气溶胶可以获得更宽的气液流量比范围，气液比上限可以超过100，大大超过了泡沫驱中气液比的上限。

（3）固定二氧化碳的入口质量流量不变时，增大气液腔横截面积比可获得更大的mGLR调控范围。

（4）当气体的注入流量达到20 g/s时，气溶胶发生器出口压力超过20 MPa，可以满足现场气体的注入需要。

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（编辑 刘为清）