消泡

采矿领域术语

消泡是采取一定措施打碎已形成的泡沫或降低泡沫层厚度，泡沫流体循环利用的前提是必须有可行的消泡方法。常用的消泡方法很多，按原理可分为物理消泡法、机械消泡法、化学消泡法和自然消泡法。

物理消泡法

物理消泡法就是改变泡沫的黏度或物性的方法来使泡沫破裂，泡沫的化学成分仍然保持不变的消泡方法。常用的方法有热力法，声波法、电力法和真空法等。

热力消泡法

热力消泡法是最古老的一种消泡方法，已在生产过程中得到广泛的应用。其消泡机理是温度升高时液体从泡膜中蒸发掉。在蒸汽气流作用下或者泡沫与加热器直接接触下使泡沫破裂。加热器的温度在泡沫破裂区应高于表面活性剂溶液的沸点。热力消泡作用是液体蒸发、表面活性剂的温度和表面张力改变以及液体黏度减小的共同结果。热力法消泡有很多的优点，特别是不会导致重复发泡，而且结构简单，成本较低。但也有缺点，如加热器中严重结垢，结果会大大降低其消泡效率，且能耗增大。热辐射属于常见的热力消泡方法，其消泡装置如图1所示。

泡沫通过泡沫入口流入该装置内，经装置上的热辐射部件发出热辐射，使靠近的低密度泡沫破裂，分离出的气体从气体出口排出，泡沫基液和泡沫携带的固体从容器底部的排液排渣口排出。该类型消泡器消耗功率为60～150千瓦，消泡速度为2～4立方米每分。由此可见，热辐射法消泡功率消耗较大，而且反复加热，或许对泡沫剂的发泡能力有一定的影响。

热力消泡的另一种方法即低温消泡法，是在低温下使泡沫的弹性降低，泡沫稳定性下降。例如用一种“低温放电控制泡沫”的办法，将低温放电装置安装在泡沫面上，根据泡沫的成分和状态，调节电压的大小控制泡沫的产生。由于低温放电和发射电子，使泡沫体积逐渐减小。这种方法在钻井中还未见使用，主要用于发酵罐中。

超声波消泡法

超声波是频率为2×104～5×108Hz范围内的声波。工业上采用的超声波消泡法的原理在于利用高频声振动的破坏特性促使泡沫破灭。主要由以下特性决定：

(1)超声波具有较大的功率。这是因为当声波到达某一物质时，由于声波的作用，使泡沫中的物质分子也随之振动。分子振动的频率决定了分子振动的速度；频率越高，速度越快。分子由于振动所获得的能量，除了与分子的质量有关外，还与分子振动速度的平方有关。所以声波的频率越高，分子得到的能量也越高。超声波的机械能量使物质分子产生很大的加速度。如果把超声波作用在液体中，则超声波使液体质点所达到的加速度，可能比重力加速度大几十万倍，甚至更大。这样巨大的加速度，会使液体质点产生急速的运动，使泡沫破裂。

(2)声压作用。当声波通过泡沫时，由于声波振动，使物质分子产生压缩和稀疏作用。此时泡沫所受的压力发生变化，由于超声波具有很大的能量，就使泡沫产生很大的声压作用当液体中通人一般强度的超声波时，产生的附加压力可达0.3～1MPa。泡沫在未受到超声波作用前，只受到大气压力，当超声波加到泡沫上后，如果声波振动使其压缩，则其所受压力增大，促使泡沫破裂；如果声波振动使分子稀疏，则泡沫所受压力小于大气压力而膨胀破裂。

超声波消泡与化学消泡比较，能降低消泡成本，不影响产品质量；与机械消泡法比较．没备体积小，功率消耗少，消泡效率高。但超声波装置价格高，不适用于大规模的消泡。

机械消泡法

气泡的破裂，就是把形成泡的薄膜破坏，为此，常对气泡进行压缩或施加冲击力，利用压力的急剧变化如剪切力、压缩力和冲击力等可将泡膜破裂，达到消泡的目的，按其对泡沫发生作用的特点分为离心法、水动力法、气动力法、压缩法和冲击法等。离心法在泡沫钻进中经常采用。离心法是采用高速旋转的离心叶片装置来破除泡沫或与不动面相撞击来击碎泡沫；液动法和气动法是用压力作用下的液流或气流来消除泡沫；气压流法是靠压力的变化来消泡。

离心法消泡

离心法是利用高速旋转的离心机叶轮的离心作用及它们在转动时对容器壁产生足够大的冲击，使泡沫被打碎而消泡。离心法是一种运用比较普遍的机械消泡方法，原理也很简单，但消泡不是很完全，只能消除泡沫液的大部分泡沫，如果和其他消泡方法综合运用，消泡效果会更优。

（1）旋转叶片消泡法。旋转叶片消泡结构最为简单，就是利用离心作用通过叶片与泡沫的接触，打击、压缩泡沫或使泡沫与装置中的不动面相撞击而破碎。通过旋转叶片来消泡的装置有两种情况，如图2所示。

第一种是以固定在转轴上的桨叶来消泡，如图2左图所示。电动机驱动转轴旋转，带动桨叶高速转动，装置中的泡沫液也随之高速旋转，利用旋转叶片对泡沫的剪切力以及泡沫撞击到器壁上的冲击力来达到消泡的目的。此结构简单，且能消除大量泡沫，但有一个很大的缺点就是在叶片高速旋转的过程中，通过搅拌将产生新的泡沫。同时，叶片是通过剪切力进行消泡，对于叶片的设计有很高的要求，需不断试验才能选择更好的叶片材料、形状及安装位置，才能使消泡效果不断增强。动力的驱动也是影响消泡效果的一个因素，要选择一个合适的转速，才能达到最好的消泡效果。

第二种就是在旋转叶片上做了一些改进，如图2右图所示，叶片不再设计为块状，而是由消泡板和捕集板组成一个中空的用于聚集泡沫的区域。两块板之间的空间大小不一，可以分为3段，依次分别为捕集区、聚集区和排出区。叶片由捕集区向外转动，当转轴高速旋转时，泡沫依次通过捕集区、聚集区，经过捕集、聚集、破坏，剩余的液体由排出区排出。此旋转叶片就相当于一个小型的消泡结构，主要是将气泡进行压缩达到消泡的目的。还可以在这3个区域的分界处安装格子或网，层层过滤压缩，优化消泡效果。图2右图的消泡结构是图2左图旋转叶片的升级，是几种消泡机理的综合运用。

(2)离心力消泡法。离心力消泡是利用高速旋转的转盘或转筐在转动时对容器壁产生足够大的冲击，使泡沫被打碎而消泡。如图3所示。在图3中泡沫落在用带网孔或细筛眼的过滤网制成的转筐或转盘上，利用旋转时产生的离心力使气泡飞散，撞击器壁或转筐而达到消泡。网孔与细筛眼的大小与消泡的效果有很大的关系，格子或网孔比气泡小时，气泡不能通过，对破泡有利。

从离心法的消泡原理可以看出，离心法消泡主要用于一些泡沫液中含有少量的泡沫，且这些泡沫为不稳定泡沫，泡沫破裂后不易再生，以及处理量较小的场合。

水动力和气动力消泡法

水动力和气动力法都是利用高速流动的流体通过喷射器中的喷嘴而产生负压，射出的高速液流在吸人室里形成高速动能，使吸人室里的压力降低，达到一定的真空度，泡沫被吸人到混合室里，由于泡沫内外压差的存在使泡沫膨胀、破裂。喷射器原理图如图4所示。

水动力法消泡器就是利用水泵(一般用离心泵)供给的液体通过水力消泡器进行消泡。为防止已破裂的泡沫液体在到达循环箱里出现冲击或搅动后再次起泡，水力喷射消泡器在消泡后的出口不能直接接在循环箱中，需通过一个引流滑道，使泡沫破灭后的液体通过箱壁后再流人箱内，以减少冲击而造成再次发泡。气动力法消泡器则是利用压缩空气通过喷嘴产生负压，将泡沫吸入到混合室后喷射到固定壁时使泡沫破碎。

压缩法消泡

压缩法消泡是使用外力使气泡压缩至破灭。在泡沫上放置格子或网，把格子或网往下压缩，用格子或网孔的方法破泡。接触气泡的格子或网的材质对破泡也有影响。格子或网孔比气泡小时，气泡不能通过，对破泡有利。图5为压缩消泡示意图。

冲击法消泡

冲击法消泡是利用气泡与物体冲击产生的冲击力及剪切力使气泡破裂而达到消泡的目的，消泡示意图如图6所示。冲击法消泡装置如图6所示。把泡沫导入破泡机的筒体内，由回转叶片对泡进行冲击剪切破泡。此回转叶片很特别，上部设计了突出部分以利于破泡，叶片的安装位置很有讲究，它是放射状沿回转方向倾斜，距筒壁间隙很小。但此装置同样有一个缺点是在搅拌的过程中易再起泡，对破泡有很大的阻碍。

化学消泡循环泡沫方法及消泡机理

化学消泡法是通过向泡沫基液中添加化学剂，改变发泡剂的某些性质，达到消泡的目的。应用在化工、食品等通用领域的化学消泡方法主要有：(1)添加型号相反的表面活性剂；(2)添加与稳泡剂起反应的物质；(3)添加使稳泡剂凝聚或沉淀的物质、调节pH值或加盐、利用共同离子作用和盐析作用，改变稳泡剂的溶解度；(4)添加不同类型的消泡剂。其中添加消泡剂(一般是易于在溶液表面铺展、吸附性很强但所形成的吸附膜脆性较大的物质)是化学消泡法最常用的方法。

在泡沫钻井领域，国内外主要通过以下两种方法实现化学消泡，达到循环泡沫的目的：调节基液pH值；添加不同类型的消泡剂。

自然消泡法

自然消泡法是利用泡沫间液膜的液体沿着Plateau界面渗出，气泡间的气体扩散和一些单个气泡薄膜破裂所造成的。脱水收缩是泡沫破裂的基本过程，它是在重力作用下进行的，这一作用过程的结果是使泡沫的液膜逐渐变薄进而造成泡沫的破裂而实现消泡。

国内外采用了较短半衰期泡沫在大容积土池中的自然破泡，将基液重复利用的技术，此种方法常由于井场面积限制而难以实施。我国的泡沫钻井的泡沫回收则普遍采用自然消泡再通过电潜泵吸入至配液池的方案。如中油长城钻井公司于2004年在伊朗TAB—NAK气田的空气钻井过程中，根据返出井口的泡沫状态及时调整泡沫配方，通过控制泡沫的合理半衰期，使泡沫既满足清洁井眼的需求，又能循环利用，使泡沫钻井液成本降低了2/3，同时将此项技术应用于三相硬胶泡沫，又可节约成本1/3。

4种消泡方法的比较

上述4种消泡方法中，物理消泡不能处理大量泡沫，只适用于某些应急措施；机械消泡需要附加设备，通常不能完全消泡；自然消泡占地面积大、消泡时间长，不适用于泡沫钻井液的消泡；化学消泡法施工简单、消泡率高，但消泡剂耗量大，成本偏高，可能改变基液的性能。以下为几种消泡方法的比较。

物理消泡法。消泡原理为：利用改变泡沫的黏度或物性的办法使泡沫破裂，常用的热力法，声波法，电力法浓等。特点为：需采用专门设备，使用和维护费用高，单位时间内处理萤少．消泡效果好。

机械消泡法。消泡原理为：利用压力急剧变化如剪切力、压缩力和冲击力等将泡洙破碎，按其对泡沫作用特点分为离心法、水动力法、气动力法和气压法等。特点为：需采用专门设备，但对泡沫基液性质无影响．若原理及参数选择得当，完全能满足泡沫钻井液消泡要求。

化学消泡法。消泡原理为：通过向泡沫基液中添加化学剂，改变发泡剂的某些性质，达到消泡的目的，包括添加型号相反的表面活性剂、调节pH值和添加消泡剂等方法。特点为：消泡效果好，使用方便，不需专门设备，消泡后可能产生二次污染。

自然消泡法。消泡原理为：利用泡沫间液膜的液体沿着Plateau界面渗出，气泡间的气体扩散和一些单个气泡薄膜破裂。特点为：占地面积大、消泡时间长。

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