聚合物高效溶解工藝設(shè)計及其在渤海油田的應(yīng)用

劉 敏，鄒明華，邱 偉，晁圣棋，郭沛文

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452

渤海油田屬于常規(guī)稠油油田，自2003年實施聚合物驅(qū)油技術(shù)以來，取得了較為明顯的效果，渤海油區(qū)提高采收率技術(shù)的油藏適應(yīng)性分析結(jié)果表明，適宜聚合物驅(qū)的油藏有20個，應(yīng)用潛力巨大[1-3]。由于海上平臺處于潮濕的環(huán)境中，且平臺甲板面積和承重等都比較有限，所以在海上平臺上實施聚合物驅(qū)，就要求設(shè)備對操作環(huán)境有更高的適應(yīng)性，即要求設(shè)備占地面積更小、重量更輕[4-5]、聚合物溶解設(shè)備系統(tǒng)的溶解效率更高。本文介紹一種適合海上平臺作業(yè)環(huán)境的聚合物高效溶解技術(shù)及該技術(shù)在渤海油田的應(yīng)用。

1 工藝流程簡介

聚合物從干粉到形成溶液并注入目標(biāo)井的工藝流程主體可分為三個部分（見圖1），分別為聚合物干粉輸送、干粉溶解和溶液注入。海上油田用聚合物一般用防水袋盛裝，袋裝聚合物干粉運到平臺后，打開袋裝，通過人工或機械等方式送到儲料罐，儲料罐的干粉由專門的干粉輸送系統(tǒng)送到溶解系統(tǒng)，溶解系統(tǒng)混合聚合物干粉與水，形成聚合物溶液，聚合物溶液輸送到溶液注入系統(tǒng)，溶液注入系統(tǒng)把溶液稀釋至設(shè)定的濃度，并注入到目標(biāo)井中。

圖1 聚合物配注地面流程示意

1.1 工藝流程說明

干粉溶解是聚合物配注工藝流程中非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，如果溶解不充分，則影響聚合物驅(qū)油效果，可能產(chǎn)生堵塞流程等不良影響。渤海油田的高效溶解工藝流程如圖2所示。

圖2 高效溶解工藝流程示意

干粉通過干粉輸送系統(tǒng)輸送到水粉混合器，與平臺一級供水在水粉混合器內(nèi)混合，然后進入溶解罐攪拌，待達到設(shè)定液位后啟動快速分散器進行分散，經(jīng)快速分散的溶液在快速分散器出口與平臺二級供水混合，稀釋至設(shè)定濃度，所得到的目標(biāo)母液經(jīng)螺桿輸送泵輸出到熟化罐。熟化罐為臥式，分級連續(xù)式設(shè)計，分隔成多個熟化腔，熟化腔之間用專門設(shè)計的隔板隔開，聚合物可從隔板高點進入下一級熟化腔，每個熟化腔均安裝1個攪拌器，根據(jù)配注量設(shè)計熟化罐體積、攪拌器大小。熟化罐第一個熟化腔接受來自上一流程的聚合物溶液，當(dāng)液位達到第一級熟化腔與第二級熟化腔的隔板高點時，聚合物開始從隔板高點自流進入第二級熟化腔，當(dāng)?shù)诙壥旎坏囊何贿_到第三級熟化腔隔板高點時，聚合物自流進入第三級熟化腔，如此經(jīng)過多級攪拌，聚合物基本完成熟化過程，熟化后的聚合物母液通過喂入泵進入泵注系統(tǒng)。

1.2 工藝參數(shù)設(shè)計

根據(jù)高效溶解工藝的需要，溶解部分的基本設(shè)計條件為：快速分散器中聚合物質(zhì)量濃度15 000 mg/L，通過二級供水后進入熟化罐的質(zhì)量濃度5 000 mg/L，聚合物在熟化罐的熟化時間控制在40 min，其中熟化罐體積根據(jù)平臺空間情況、實際加工能力與安裝要求進行設(shè)計。

假設(shè)熟化罐容積為60 m3，則聚合物干粉用量為60×5 000/1 000=300（kg），聚合物干粉的下料速度為300×60/40=450（kg/h），由于干粉與水混配的初始質(zhì)量濃度為15 000 mg/L，則平臺供水的流量為450/15 000/1 000=30（m3/h）。

2 工藝設(shè)計與工作原理

渤海油田用的聚合物溶解工藝用于水粉混合的設(shè)備主要由水粉混合器、快速分散器、熟化罐等組成，另外還配套有用于輸送液體的螺桿泵及其他配件如計量儀表、控制閥門等。

為實現(xiàn)聚合物的高效溶解，從水與聚合物相互作用的三個階段入手解決問題：第一階段粉料和水的第一次接觸，第二階段粉料在水中的“溶脹”[6-7]，第三階段聚合物溶解熟化[6,8]而形成溶液。

2.1 溶解第一階段的工藝設(shè)計

在第一個階段，聚合物粉料要與水充分潤濕。由于在粉料潤濕不充分的情況下，聚合物遇水后容易成團，聚合物成團后被包裹在其中的粉料就接觸不到水，這種情況下，即使存在后續(xù)環(huán)節(jié)的攪拌，聚合物也很難充分溶解形成溶液，有些部分甚至出現(xiàn)“魚眼”[9]。為了充分潤濕，在本工藝流程中，特別設(shè)計了水粉混合器，見圖3，該水粉混合器為筆者所在公司自主開發(fā)的專利產(chǎn)品（專利號：ZL 2008 2 0080172.4）。該產(chǎn)品已在渤海油田錦州9-3油田井組注聚應(yīng)用，從注聚流程中的過濾器清理次數(shù)來看，效果比以前要好。

由于海上平臺供水管道采用 DN100 的法蘭，因此水粉混合器的接口也采用 DN100 的法蘭，通徑為100 mm的法蘭足可以滿足30 m3/h的供水和450 kg/h的干粉流量要求。

水粉混合器內(nèi)共設(shè)計了8個水嘴，用 CFD 計算軟件進行了流場模擬，見圖4。在水粉混合器混合流場中，噴頭的內(nèi)部件改變了氣體射流方向，使得過粉管出口處水粉混合區(qū)域較大，同時護罩內(nèi)的流動促進了水粉混合，使得水和粉在護罩的出口處混合效果較好。

以60 m3的熟化罐為例進行計算，水粉混合器的混合能力可以達到30 m3/h，干粉與水的混合質(zhì)量濃度為15 000 mg/L。

2.2 溶解第二階段的工藝設(shè)計

從理論上來講，粒度越小的聚合物顆粒，單位質(zhì)量具有的表面積越大，因而同溶劑接觸的面積越大，溶劑分子滲透進入聚合物核心亦即聚合物全部、均勻地擴散到溶液中所用的時間越短，溶解速度越快[5,10]。因此在水與聚合物粉料接觸潤濕后的第二階段，采用快速分散器（見圖5～6） 對水與聚合物進行快速分散，縮小聚合物干粉與水接觸后形成的膠團尺寸，使聚合物“溶脹”來得更快，以此加速聚合物的溶解。

圖3 水粉混合器結(jié)構(gòu)

圖4 水粉混合器流場幾何模型

以60 m3熟化罐為例進行計算，根據(jù)前述計算結(jié)果，平臺供水流量為30 m3/h，則快速分散器流量為30 m3/h。大量的試驗與分析證明，若要實現(xiàn)聚合物的快速分散，又要避免聚合物分子鏈?zhǔn)艿礁咚佟⒏邚姸鹊募羟凶饔茫瑒t設(shè)計轉(zhuǎn)子的最高轉(zhuǎn)速設(shè)為1 450 r/min，并且轉(zhuǎn)速通過變頻器控制較為合適。

2.3 溶解第三階段的工藝設(shè)計

在聚合物“溶脹”后的第三階段，采取攪拌方式來完成熟化。熟化罐可分為多個腔室，每個腔室均設(shè)置有攪拌器，攪拌器結(jié)構(gòu)如圖7所示，每個攪拌器在垂直方向有兩個同心的攪拌槳，其攪拌槳式樣如圖8所示。

圖5 分散研磨器總體結(jié)構(gòu)

圖6 快速分散器工作原理示意

圖7 攪拌器總體結(jié)構(gòu)

圖8 攪拌槳式樣

攪拌器轉(zhuǎn)速8～41 r/min，攪拌器葉端線速度為0.73～3.76 m/s，可攪拌流體的黏度最大可達 20 000 mPa·s。

3 工藝的礦場試驗與應(yīng)用

高效溶解工藝最初在渤海油田F平臺進行了礦場試驗，設(shè)計的注入壓力不超過15 MPa，以確保注入安全，井口流體黏度不低于25 mPa·s，以便于更好的驅(qū)替。在礦場試驗中，對2口井進行注入作業(yè)，注入壓力7～10 MPa，井口流體質(zhì)量濃度1 750～2 250 mg/L，黏度控制在28 mPa·s以上，均符合設(shè)計要求。由于在F平臺試驗成功，該工藝在A平臺進行了推廣應(yīng)用，注聚井達到12口，注入?yún)?shù)均符合設(shè)計要求，平臺的空間很好地滿足了多井的注聚需求，進一步體現(xiàn)了工藝的特點。

A平臺注聚井12口，熟化時間40 min，要求最大注入量12 372 m3/d（注入井中流體質(zhì)量濃度為1 750 mg/L），則聚合物下料量約21.65 t。

聚合物溶液初始質(zhì)量濃度為15 000 mg/L，要求進入熟化罐的質(zhì)量濃度為5 000 mg/L，則進入熟化罐的配液速度需達到180 m3/h，而進入水粉混合器以及快速分散器的流量則為60 m3/h。根據(jù)前述計算結(jié)果，設(shè)計熟化罐容積為60 m3，則水粉混合器以及快速分散器的流量為30 m3/h，熟化罐的流量為60×60/40=90（m3/h）。因此需要水粉混合器以及快速分散器各2套，熟化罐2套，即A平臺需要2套高效溶解系統(tǒng)。現(xiàn)場為了避免因設(shè)備問題而導(dǎo)致停注，在實際建設(shè)中A平臺特備用了1套高效溶解系統(tǒng)。工藝設(shè)備的現(xiàn)場應(yīng)用見圖9。

圖9 工藝設(shè)備的現(xiàn)場應(yīng)用

4 工藝特點分析

目前陸地開展聚合物驅(qū)油的油田如大慶油田、勝利油田、河南油田等[11]，聚合物的溶解時間基本在60 min以上才能滿足注入要求[12-14]，溶解時間長，溶解設(shè)備多且大，不適合海上平臺使用。上述介紹的用于渤海油田的溶解工藝，針對的聚合物是AP-P4（四川光亞科技股份有限公司生產(chǎn)，其固含量為90%，相對分子質(zhì)量為13×106左右，水不溶物質(zhì)量分數(shù)為0.154%，水解度為18.1%），在室內(nèi)試驗時發(fā)現(xiàn)采用常規(guī)溶解方法其溶解時間在90 min左右甚至更長，這就意味著需要更多或更大的溶解設(shè)備。

由于在整個溶解過程中，聚合物在熟化罐的停留時間占溶解時間的絕大部分，因此可優(yōu)先考慮減少熟化罐的數(shù)量或者縮小其體積，這樣可以在滿足相同配注量的情況下，縮小溶解系統(tǒng)的體積或減少設(shè)備的個數(shù)。以A平臺為例，初始設(shè)計注聚井12口，總配注量12 370 m3/d，井口流體質(zhì)量濃度1 750 mg/L，按照常規(guī)溶解工藝，需要有效容積約60 m3的熟化罐6個。借鑒了F平臺的經(jīng)驗后，只采用了同等配置的熟化罐2個，節(jié)約了平臺空間，極大降低了平臺負載。不同溶解方式的對比效果見表1。

表1 熟化罐不同溶解方式的對比效果

簡而言之，本工藝的最主要特點是實現(xiàn)了聚合物的快速溶解，這樣有效地減少了溶解設(shè)備對平臺空間的占用。

5 結(jié)束語

通過礦場試驗與技術(shù)推廣應(yīng)用，檢驗了用于渤海油田的聚合物高效溶解工藝性能的可靠性，該技術(shù)針對渤海油田難溶聚合物的溶解問題而開發(fā)，適合海上平臺的作業(yè)條件，也適用于有類似需求的場合。工程實踐表明：與常規(guī)溶解工藝相比，用于渤海油田的聚合物高效溶解工藝配注設(shè)備占地面積大大減少，平臺負載顯著減輕。高效溶解系統(tǒng)特別適合空間有限的平臺，滿足了海上油田的注聚需求，其工藝技術(shù)有較高的推廣應(yīng)用價值。