安申法

(勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院)

0 引 言

我國主力油田逐漸進(jìn)入開發(fā)中后期，高含水問題嚴(yán)重影響了油田的采收率。采用堵水技術(shù)調(diào)整剖面，可有效緩解油井出水問題，該技術(shù)已經(jīng)成為油田提高采收率的重要手段[1]。堵水調(diào)剖技術(shù)是將混配后的堵劑溶液通過注水井注入井筒并到達(dá)目標(biāo)地層，達(dá)到封堵地層出水孔道的目的[2]。我國的堵水調(diào)剖技術(shù)歷經(jīng)60多年的發(fā)展，在大慶、勝利、河南等陸上油田以及海上油田都得到了廣泛的應(yīng)用。

堵水調(diào)剖技術(shù)由機(jī)械堵水發(fā)展到化學(xué)堵水，并逐漸向深度化、智能化方向發(fā)展[3]，堵劑類型由最初的水泥漿、樹脂溶液發(fā)展到聚合物配置的堵劑溶液。聚合物物料溶解于水中，經(jīng)過混合熟化后便可形成黏度滿足注入要求的堵劑溶液[4-5]，在通過油層后仍具有較高的殘余阻力系數(shù)和黏彈效應(yīng)[6]，能夠達(dá)到較好的降水增油效果。由于構(gòu)成堵劑的聚合物溶液具有非牛頓流體特征[7]，同時地層中的滲流流動復(fù)雜，使得堵調(diào)效果對注入流體性質(zhì)非常敏感。因此，堵調(diào)工藝實施的關(guān)鍵步驟之一在于堵劑溶液的配置[8]。

為配置符合注入要求的堵劑溶液，需要研制專用的地面混配裝置。目前，油田注堵劑地面系統(tǒng)多采用“配注分開”工藝[9]，該工藝對大區(qū)塊大規(guī)模注入有較好的適用性，但應(yīng)用于小規(guī)模采油區(qū)塊卻存在效率低、流程復(fù)雜的缺點[10]。隨著堵水調(diào)剖技術(shù)的深度化，單次注入藥劑的種類呈現(xiàn)多樣化特征，除了干粉狀的聚合物，還出現(xiàn)了一些新型的液體藥劑[11]，此舉對目前的聚合物混配裝置有了更高的要求，需要解決傳統(tǒng)裝置效率低、工藝流程復(fù)雜、智能化程度低和環(huán)境污染等問題[12]。

針對中小規(guī)模堵水調(diào)剖作業(yè)需求，設(shè)計研制了一套地面混配注入系統(tǒng)和裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)多種物料自動混合配注，滿足深度堵水調(diào)剖工藝需求。筆者所提出的設(shè)計和方案，包括進(jìn)料預(yù)混、攪拌熟化、增壓注入等模塊，滿足混配精度、壓力及流量等指標(biāo)要求，使整個系統(tǒng)具有定量化、自動化、易操作性等特點，具有很好的推廣前景。

1 總體方案

1.1 設(shè)計難點及解決方案

堵水調(diào)剖作業(yè)地面配注系統(tǒng)的設(shè)計難點如下：①如何將進(jìn)料、混配、熟化、注入工序集成，保證堵劑的配置質(zhì)量，同時提高注堵劑地面裝備作業(yè)效率和自動化程度[13]；②如何保證裝置緊湊和配置精度，以實現(xiàn)“兩固兩液”同步、異步及定量進(jìn)料，是實現(xiàn)堵水調(diào)剖裝備精確控制和自動化的關(guān)鍵。

針對以上難題，提出以下解決方案：①根據(jù)物料屬性及工藝流程，以定量、可控、高效為目標(biāo)，優(yōu)化優(yōu)選關(guān)鍵節(jié)點裝置，完成橇裝模塊布局集成和控制系統(tǒng)研制；②采用“螺旋輸送+射流吸入”的粉狀藥劑進(jìn)料新工藝，優(yōu)化熟化罐攪拌工藝參數(shù)、葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.2 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計的油田堵水調(diào)剖用粉液混配注入系統(tǒng)可分為5個模塊：自動進(jìn)料模塊、攪拌熟化模塊、泵注模塊、井口模塊和監(jiān)控模塊。該系統(tǒng)的總體組成如圖1所示。

1—攪拌罐；2—進(jìn)料裝置；3—緩沖罐；4—井口采油樹；5—往復(fù)式泵；6—離心泵；7—控制柜。

自動進(jìn)料模塊包含進(jìn)料裝置及管匯、閥件；攪拌熟化模塊包含2套機(jī)械攪拌罐及其部件；泵注模塊包含喂入泵和注入泵，喂入泵采用離心泵，注入泵采用往復(fù)式注聚泵；井口模塊包含井口采油樹、緩沖罐以及高壓管匯；監(jiān)控模塊包括地面控制柜、監(jiān)測儀器儀表以及可控閥門閥件等。

1.3 工藝流程

各模塊順序運(yùn)行情況如圖2所示。來自料斗和液罐的粉料和液料經(jīng)過進(jìn)料模塊預(yù)混合，隨后進(jìn)入到攪拌熟化模塊完成熟化，達(dá)到注入要求后，熟化液通過泵注模塊增壓，再注入到井口。

圖2 各模塊的運(yùn)行順序

自動進(jìn)料模塊主要包含1個可橇裝的“兩固兩液”進(jìn)料裝置，該橇裝裝置集成了2套并聯(lián)水射流分散溶解裝置(即粉狀聚合物進(jìn)料裝置)和2套并聯(lián)計量泵喂入裝置(即液體藥劑進(jìn)料裝置)。

來自井口分支管線的高壓水作為進(jìn)料模塊的動力液，在射流負(fù)壓作用下將粉狀聚合物吸入到系統(tǒng)中，并實現(xiàn)粉狀聚合物與高壓水的初步混合。

攪拌熟化混配模塊主要由2套機(jī)械攪拌熟化罐及其配件組成。粉料、液料及高壓水在罐內(nèi)充分混合、攪拌并熟化，以達(dá)到可以注入井口的聚合物水溶液標(biāo)準(zhǔn)。泵注模塊主要用于將攪拌罐中的聚合物水溶液加壓，然后將其注入到井口中。

井口模塊主要動能包括接收泵注模塊輸送的堵劑溶液，引出高壓水并將其輸送到進(jìn)料裝置中。井口模塊中的緩沖罐用于對高壓水的壓力進(jìn)行緩沖，避免對進(jìn)料裝置中的關(guān)鍵元件造成影響。

綜上，堵水調(diào)剖粉液混配注入系統(tǒng)的工藝流程如圖3所示。

圖3 工藝流程圖

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

該混配注入系統(tǒng)要完成2種粉類藥劑的分散溶解以及2種液態(tài)藥劑的增壓喂入，可以完成某1種或2種粉狀藥劑與某種或2種液體藥劑不同搭配混合配置。

系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如下：

(1)粉狀物料：可以滿足油田調(diào)剖注劑對某1種特定聚合物(如聚丙烯酰胺)或2種不同聚合物(如聚丙烯酰胺及某種粉狀交聯(lián)劑)的配注要求。

(2)液體物料：要求同粉狀聚合物。

(3)混配水源：以井口的高壓污水作為整個系統(tǒng)的動力液，高壓井水的壓力選擇為16 MPa，最大流量為15 m3/h，經(jīng)過減壓閥后，壓力降至1 MPa。

(4)固態(tài)藥劑的混配濃度：5 000 mg/L，混配量10～15 m3/h；液態(tài)藥劑的喂入量：壓力0.8 MPa，喂入量為100 L/h。

(5)自動進(jìn)料橇塊最大尺寸(長×寬×高)：6 m×3 m×3 m。

2 關(guān)鍵裝置研制

2.1 粉液進(jìn)料模塊

根據(jù)堵水調(diào)剖工藝的不同，注入的藥劑包含粉狀與液體2大類。粉狀物料從干粉到母液并達(dá)到注入要求的工藝流程可分為4部分，分別為干粉吸入、溶解、攪拌熟化和溶液注入。相比于粉狀物，液體物料的定量進(jìn)料更容易實現(xiàn)，但也需要完成輸送和注入，而且在工藝流程中會與粉狀物料進(jìn)行混合。

為滿足“兩固兩液”的進(jìn)料要求，進(jìn)料模塊中設(shè)置2套粉狀進(jìn)料裝置和2套液體進(jìn)料裝置。為了便于粉狀物料的定量控制，同時保證吸入物料的連續(xù)性，采用“螺旋輸送和射流吸入”相結(jié)合的方式，通過控制螺旋輸送電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制粉料的進(jìn)料量[14]。螺旋輸送器的出口與射流吸入口連接，利用射流產(chǎn)生的負(fù)壓，確保輸送器出口的粉料連續(xù)的被吸入到混配管線中。液體物料的定量控制則通過計量泵完成。

“兩固兩液”進(jìn)料模塊如圖4所示，2套粉狀和液體藥劑進(jìn)料裝置之間并排布置。通過閥門控制既可實現(xiàn)每套裝置單獨工作，也可多套裝置同時運(yùn)行，取決于堵水調(diào)剖工藝和藥劑用量。將粉狀進(jìn)料裝置與液體進(jìn)料裝置集成在一個橇塊中，各套裝置留有操作維修空間。

1—高壓入水口；2—射流式進(jìn)料器；3—螺旋進(jìn)料器；4—料斗；5—激振器；6—緩存罐；7—控制柜。

粉狀進(jìn)料裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。4個壓力計分別安裝在減壓閥前(P1)后(P2)和粉狀聚合物進(jìn)料裝置前(P3)后(P4)；流量計安裝在粉狀聚合物進(jìn)料裝置前；高壓截止閥安裝在高壓污水入口處；2個減壓閥(一級減壓閥及二級減壓閥)安裝在高壓截止閥后；控制高壓污水進(jìn)入進(jìn)料裝置的高壓水閥，安裝在2個減壓閥后；凈化器安裝在開關(guān)閥門后，在進(jìn)入進(jìn)料裝置前凈化高壓污水中的雜質(zhì)。該實物裝置如圖6所示。

1—壓力計P1；2—高壓截止閥；3—減壓閥a；4—減壓閥b；5—壓力計P2；6—高壓水閥；7—凈化器；8—流量計；9—壓力計P3；10—進(jìn)料裝置；11—壓力計P4。

圖6 進(jìn)料模塊實物圖

粉料進(jìn)料裝置由料斗、低料位計、激振器、螺旋進(jìn)料裝置和射流進(jìn)料器組成。料斗是給料和暫時儲存的設(shè)備；低料位計用于監(jiān)測粉料位置高度，低于一定高度時即發(fā)出警報，提醒需要加料；激振器能震碎受潮成塊的顆粒，減少顆粒在料斗內(nèi)壁的黏貼；螺旋進(jìn)料裝置利用螺旋葉片將料斗里的顆粒定量的輸送到射流進(jìn)料器中，射流進(jìn)料器利用負(fù)壓效應(yīng)將顆粒吸入到高壓污水流過的管中，最后通過進(jìn)料器的出口管排到混配裝置中。

2.2 攪拌熟化模塊

由進(jìn)料模塊輸送的粉狀和(或)液體物料經(jīng)過預(yù)混合后，完成初步溶解。預(yù)混合的物料進(jìn)入到攪拌熟化模塊，通過機(jī)械攪拌進(jìn)行充分混合和熟化。注劑時必須達(dá)到規(guī)定的熟化時間，才能滿足注入要求。因此，熟化與注入過程是交替完成，需要配置2個攪拌熟化罐，一個攪拌熟化罐處于注入狀態(tài)時，另一攪拌熟化罐的單向閥關(guān)閉，進(jìn)行熟化過程。

圖7為攪拌熟化模塊。如圖7a所示，每個攪拌熟化罐配置2套攪拌裝置，確保充分?jǐn)嚢?。該罐配有觀察窗，內(nèi)設(shè)黏度計、液位計等用于監(jiān)測物性。并通過多點安裝降低監(jiān)測誤差，提高監(jiān)測效率。通過觀察窗觀察攪拌葉片的運(yùn)行狀態(tài)以及罐內(nèi)溶液的熟化情況。攪拌熟化罐上部設(shè)有透氣孔，使罐內(nèi)氣壓保持恒定。

圖7 攪拌熟化模塊

攪拌熟化罐內(nèi)部的物性測量主要為黏度和密度的測量。在針對黏度的在線測量方案中，根據(jù)工藝條件中的溫度、壓力、黏度范圍、安裝要求等，并考慮聚合物的流變學(xué)特性，選擇旋轉(zhuǎn)式黏度計。同理，對攪拌熟化罐中溶液密度進(jìn)行實時監(jiān)測選擇接觸式測量。黏度計和密度計的測量原理圖如圖8所示。

圖8 黏度和密度測量示意圖

在安裝黏度計和密度計時需要設(shè)計安裝支架和引流流道，保證觀測點液面具有較小的流場擾動。另外，黏度計和密度計既要保留數(shù)顯功能，以便工作人員的查看；還要具備傳輸數(shù)據(jù)的功能，將測得的數(shù)據(jù)實時傳遞至總控制臺。由于黏度計和密度計的測量方案均需要與溶液接觸，因此，在實時監(jiān)測數(shù)據(jù)時需保證黏度計和密度計的測量部分均被溶液完全浸沒。對黏度計和密度計的相關(guān)要求如表1所示。

表1 黏度計與密度計參數(shù)

雙攪拌器配制裝置如圖7b所示。單個攪拌熟化罐由2個攪拌器和2臺三相異步電動機(jī)組成。其主要參數(shù)如表2、表3和表4所示。

表2 攪拌電機(jī)主要參數(shù)

表3 攪拌熟化罐主要參數(shù)

2.3 攪拌結(jié)構(gòu)優(yōu)化

配液熟化過程起始階段需要提高攪拌器的轉(zhuǎn)速，使聚合物快速溶解。初步混合后，由于聚合物的非牛頓流體特征，需要降低轉(zhuǎn)速使溶液充分熟化。攪拌熟化罐設(shè)計尺寸為(長×寬×高)：5 000 mm×2 500 mm×2 000 mm，槳葉直徑為1 200 mm，葉片寬度為120 mm，厚度為8 mm，攪拌軸直徑為48 mm，輪轂直徑為100 mm，攪拌器槳葉安裝高度為500 mm，2攪拌器軸心的間距為2 500 mm，2攪拌器槳葉的初始角度一致。

采用SolidWorks軟件建立攪拌裝置幾何模型，并通過ICEM軟件劃分?jǐn)嚢枇鲌鼍W(wǎng)格。網(wǎng)格劃分方式為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，在流場變化劇烈的地方進(jìn)行局部加密。攪拌區(qū)域流場的處理方法為多重參考系法，將攪拌裝置內(nèi)流場的區(qū)域劃分為由槳葉轉(zhuǎn)動部分的動區(qū)域和其他部分的靜區(qū)域，并設(shè)定交界面使2區(qū)域可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。攪拌流場的網(wǎng)格劃分如圖9所示。

圖9 攪拌熟化罐流場網(wǎng)格

首先，對網(wǎng)格進(jìn)行獨立性驗證。選取槳葉扭矩作為網(wǎng)格獨立性驗證的標(biāo)準(zhǔn)，如圖10所示。由圖10可見：當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量低于160萬時，攪拌槳葉上的扭矩變化比較大；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量高于160萬時，攪拌槳葉上的扭矩變化較小并逐漸趨向恒定。因此，最終選取網(wǎng)格數(shù)為2 014 264。

圖10 網(wǎng)格獨立性驗證

圖11為攪拌流場的速度云圖分布。由圖11可以看出：裝置內(nèi)液體流動的高速區(qū)域主要集中在槳葉附近以及其上方區(qū)域，最大速度出現(xiàn)在槳葉邊緣；2個攪拌槳葉之間的速度較小，流場擾動??；在2攪拌槳葉的下方存在一個相似對稱的攪拌速度區(qū)，導(dǎo)致下方出現(xiàn)打旋。由速度矢量圖可以看出，2攪拌器的流型基本一致，在靠近壁面一側(cè)形成漩渦狀流型，方向從攪拌槳葉的下方開始，經(jīng)過壁面轉(zhuǎn)到攪拌槳葉的上方，以此帶動攪拌裝置內(nèi)的流體運(yùn)動。但在2攪拌器之間，液流相互影響使流場分布不均勻，使速度方向較紊亂。

圖11 攪拌熟化裝置Y=0 mm截面處速度云圖和速度矢量圖

圖12為對比了攪拌器的4種不同葉片數(shù)在Z=550 mm截面處的速度矢量圖。對于2葉片，主要的影響區(qū)為攪拌槳葉附近的流場，壁面幾乎沒有環(huán)流存在，聚合物在2葉片的攪拌效果較差，容易在壁面附近形成堆積；3葉片攪拌時壁面環(huán)流效果較好，壁面附近的聚合物可以隨著攪拌槳葉的轉(zhuǎn)動而不斷流動，攪拌效果較好；4葉片攪拌時壁面的流動狀態(tài)較好，但可以看出在2攪拌器之間速度場比較紊亂，受到2攪拌器之間的相互影響較大；5葉片攪拌時的速度場分布明顯，聚合物流動效果較好。

圖12 不同葉片數(shù)在Z=550 mm截面處的速度矢量圖

3葉片攪拌時的攪拌速度場主要是從2個攪拌器的兩側(cè)分別形成漩渦，壁面上的流動效果較好，2攪拌器之間的相互影響較小，攪拌效果較好。由于攪拌功率隨著葉片數(shù)的增加而增大，在達(dá)到攪拌效果較好的標(biāo)準(zhǔn)下葉片數(shù)越少越好，故優(yōu)選3葉片槳葉的攪拌器。圖13對比了不同槳葉傾角下的流場。

由圖13可知，35°槳葉對攪拌器上方部分區(qū)域的影響較小，攪拌器下方區(qū)域流場的攪拌效果較好，2攪拌器之間的相互影響小。攪拌功率隨著槳葉傾角的增大而增大，在達(dá)到攪拌效果較好的前提下槳葉的傾角越小越好，故優(yōu)選35°槳葉的攪拌器。

此外，還對罐體尺寸進(jìn)行了優(yōu)選。測試表明，5.0 m×2.5 m×2.2 m罐體，雙葉輪間距∶垂直高度為5∶1時，攪拌均勻度最優(yōu)；固相體積分?jǐn)?shù)為0.5%，葉片數(shù)為3、傾角為35°熟化性能最優(yōu)；通過匹配罐體、葉輪結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，平均熟化時間可由90 min縮短至60 min以內(nèi)。

2.4 泵注模塊

現(xiàn)場用的喂入及泵注裝置如圖14所示。該裝置由1個離心泵和1個往復(fù)式注聚泵組成，離心泵的主要作用是灌注，提高注聚泵的吸入性能。泵注裝置的主要參數(shù)如表5所示。

表5 喂入及泵注裝置主要參數(shù)

2.5 監(jiān)測控制系統(tǒng)

現(xiàn)場的監(jiān)測控制系統(tǒng)如圖15所示。在工作過程中，攪拌熟化與進(jìn)料之間互不影響，可以同時進(jìn)行，2個攪拌罐獨立運(yùn)行互不干擾。單個攪拌罐進(jìn)料及攪拌時間約3 h；聚合物溶液從攪拌罐中排出的時間也為3 h，因此可以保證熟化后的聚合物溶液能連續(xù)注入井口。當(dāng)排出的熟化后聚合物溶液在罐中的液面高度為0.4 m時，打開攪拌罐的入口閥，繼續(xù)將熟化后的聚合物溶液排出，當(dāng)排到0.2 m液面高度時，關(guān)閉攪拌罐的出口閥。此時，另一個攪拌罐的溶液已經(jīng)熟化完成，當(dāng)罐中的液面高度達(dá)到0.4 m時，攪拌器開始轉(zhuǎn)動。當(dāng)攪拌液在罐中的液面高度達(dá)到1.75 m時，關(guān)閉進(jìn)口閥停止進(jìn)料裝置。經(jīng)過2.5 h攪拌熟化，粉狀聚合物與水相融達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。隨后經(jīng)過0.5 h的低速攪拌，打開攪拌罐的出口閥，溶液被喂入泵吸出，排出到泵注裝置。

圖15 控制和監(jiān)測顯示屏

3 應(yīng)用概況

利用研制裝置，在孤東七區(qū)西Ng63+4單元試驗井組開展了現(xiàn)場試驗(見圖16)。根據(jù)GO7-37N206井堵水調(diào)剖工藝要求，該次運(yùn)行需注入有機(jī)鉻交聯(lián)凍膠體系FD-2和流度調(diào)控體系SP-8這2種工作液，具體用量及質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比如表6所示。

表6 堵水調(diào)剖劑用量及濃度配比

該裝置自2022年8月投入運(yùn)行以來，按照設(shè)定的排量要求，自動進(jìn)行進(jìn)料、配液、熟化與注入。配液固相體積分?jǐn)?shù)為0.5%，注入壓力15 MPa，已累計注入堵劑超過17 000 m3，裝置運(yùn)行穩(wěn)定。加料時間由原來的每2.5 h一次，可根據(jù)不同濃度要求延長至12～48 h加料一次；現(xiàn)場值守人員由原來的至少2人值守，降低為僅需1人操控。

4 結(jié) 論

(1)研究形成了一體化堵劑自動化混配和注入系統(tǒng)和裝置，解決了堵劑注入勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、配液不穩(wěn)定的難題，實現(xiàn)了深度堵水調(diào)剖堵劑定量化、自動化注入。

(2)優(yōu)化設(shè)計了不同類型堵劑的進(jìn)料工藝與結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了“粉狀堵劑+液體堵劑”精準(zhǔn)下料與均勻混配。粉狀物料：螺旋精準(zhǔn)進(jìn)料，負(fù)壓射流均勻吸入，結(jié)塊體積率和預(yù)混均勻度均滿足需求，消除了粉料溶解過程中的“魚眼現(xiàn)象”；液體物料：高壓減壓+計量泵，確保來水穩(wěn)定，流量準(zhǔn)確。

(3)針對不同黏度的堵劑，優(yōu)化設(shè)計了熟化罐體、攪拌槳葉數(shù)量、槳葉傾角、旋轉(zhuǎn)方向、攪拌位置、攪拌轉(zhuǎn)速等結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)，提高了熟化效果，縮短了熟化時間，提高了泵注效率。