提高聚驅(qū)井水力旋流器適用性的機械降黏裝置的研制與評價

大慶油田采油工程研究院

隨著油田的不斷開采，我國主力油田已進入特高含水開發(fā)期，油田綜合含水率達90%以上，部分油井含水率超過97%，已接近經(jīng)濟開采極限，穩(wěn)產(chǎn)形式日益嚴峻[1-2]。控水、穩(wěn)油已成為高含水油田開發(fā)的共性技術(shù)難題[3]。主要表現(xiàn)在：含水過高造成油井過早關井停產(chǎn)；生產(chǎn)井產(chǎn)液的舉升、集輸和處理費持續(xù)增加，效益降低；油田污水處理帶來一系列環(huán)保問題[4-5]等。

針對以上問題，大慶油田開展了井下油水分離同井注采技術(shù)研究，經(jīng)過多年技術(shù)攻關，現(xiàn)已形成配套成熟的螺桿泵采-螺桿泵注、螺桿泵采-電泵注兩套技術(shù)方案，能夠有效滿足大慶長垣油田水驅(qū)的應用[6-8]。但是，目前水驅(qū)井、聚驅(qū)井的采出液含聚質(zhì)量濃度平均已經(jīng)達到300 mg/L 左右，前期試驗表明，當采出液中含聚質(zhì)量濃度大于200 mg/L時，水力旋流器的分離效率大幅度下降[9-10]。

為拓寬水力旋流器含聚適用性，設計出一種機械降黏裝置，串聯(lián)在水力旋流器前端。借助簡單的機械裝置，通過機械剪切使聚合物分子鏈斷裂，從而減小處理液的黏度，以減小黏度對水力旋流器分離性能的影響，提高水力旋流器含聚適用性。本文不僅分析了降黏裝置在不同工況條件下的降黏效果，還采用了室內(nèi)實驗驗證的方法來判斷串入降黏裝置后能否提高水力旋流器的含聚適用性。

1 機械降黏裝置

為了提高水力旋流器含聚條件的適用性，根據(jù)機械剪切原理進行機械降黏裝置的設計，依靠增加流體流速的方法來增大剪切作用，設計出變徑通道降黏裝置。利用CFD 數(shù)值模擬分析及正交實驗對降黏裝置結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，得到了最佳降黏裝置結(jié)構(gòu)尺寸，如圖1所示，使聚合物溶液流經(jīng)變徑通道后，降黏效果達到最佳。

圖1 降黏裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of viscosity reducing device

機械降黏裝置的工作原理是利用流體經(jīng)過降黏裝置的變徑通道使流速增加的方法來增大剪切作用，通過機械剪切使聚合物分子鏈斷裂，從而減小處理液的黏度。將其串聯(lián)到水力旋流器前端，以減小黏度對分離性能的影響。同現(xiàn)有的化學降黏相比沒有新化學物質(zhì)的添加，避免了二次污染；相比現(xiàn)有的加熱降黏，不需要外界能量的供給；相比現(xiàn)有的微生物降黏，速率快，成本低。

2 降黏效果分析

為研究降黏裝置的降黏效果，對其進行不同含水率、溫度、分流比和流量下的降黏效果研究。實驗采取的聚合物為不同濃度的聚丙烯酰胺溶液。

圖2為不同含水率條件下經(jīng)降黏裝置降黏后聚合物溶液的黏度。可以看出，經(jīng)降黏裝置處理后，聚合物溶液的黏度明顯降低，且隨著含水率的增大，黏度逐漸降低。含水率升高，油相減小，故處理液的黏度總體呈現(xiàn)出下降的趨勢。

圖2 含水率對降黏效果的影響Fig.2 Effect of water content on viscosity reduction

圖3為不同濃度聚合物溶液在不同溫度的條件下經(jīng)過降黏裝置后的黏度變化曲線。可以看出，隨著溫度的升高，降黏裝置的降黏效果明顯升高，溫度對聚合物溶液黏度的影響較大。降黏裝置對聚合物溶液起到了明顯的降黏效果。

圖3 溫度對降黏效果的影響Fig.3 Effect of temperature on viscosity reduction

圖4為不同濃度聚合物溶液在不同分流比條件下的降黏效果。可以看出，隨著分流比的增大，底流口的黏度明顯降低，分流比增大，使更多的油相由溢流口排出，底流口的油相減小使其黏度降低。

圖5為不同濃度聚合物溶液在不同處理量條件下的降黏效果。可以看出，隨著處理量的增大，降黏裝置的降黏效果呈現(xiàn)出升高的趨勢。機械降黏裝置是靠剪切作用使聚合物溶液分子鏈斷裂及其取向作用使其黏度降低，處理量增大使處理液在降黏裝置和水力旋流器中的流速增大，剪切速率和剪切應力增大，故處理量增大有利于提升降黏裝置的降黏效果。

圖4 分流比對降黏效果的影響Fig.4 Effect of shunt ratio on viscosity reduction

圖5 處理量對降黏效果的影響Fig.5 Effect of treatment capacity on viscosity reduction

3 實驗研究

為了驗證不同濃度聚合物溶液條件下，水力旋流器分離效率和串聯(lián)降黏裝置后水力旋流器分離效率，開展了室內(nèi)實驗研究。

3.1 實驗工藝

圖6 室內(nèi)實驗工藝示意圖Fig.6 Laboratory experiment process chart

室內(nèi)實驗工藝示意圖如圖6所示。在儲液罐內(nèi)完成不同濃度的聚合物溶液配制，攪拌泵可實現(xiàn)對聚合物溶液配制過程中的攪拌。聚合物溶液在儲液罐內(nèi)由螺桿泵加壓輸送，油從油泵泵出，與水和聚合物溶液混合經(jīng)靜態(tài)混合器進入到室內(nèi)分離工藝，通過轉(zhuǎn)子流量計和球閥進行處理量和分流比的調(diào)控。分別在入口、溢流、底流處取樣進行含油測量和效率計算。經(jīng)水力旋流器處理后溢流和底流的處理液不循環(huán)使用，直接由下水道排出。

圖7為機械降黏裝置二維結(jié)構(gòu)圖。該裝置通過螺栓法蘭與工藝實現(xiàn)連接。處理液由入口進入降黏裝置中，在處理液進入降黏段前設有一段距離的穩(wěn)流段，可對來液進行穩(wěn)流處理。主要降黏段如圖7中I部分所示，通過增加處理液的流速對聚合物溶液進行剪切降黏處理。降黏裝置的出口與水力旋流器入口相連，經(jīng)降黏裝置剪切降黏后的含聚處理液直接進入到水力旋流器進行旋流分離，以降低聚合物溶液的黏度對水力旋流器分離性能的影響。

圖7 機械降黏裝置二維結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Two-dimensional structural diagram of viscosity reducing device

3.2 實驗方案

本次實驗是對機械降黏裝置是否能夠提升水力旋流器含聚適用性進行研究，驗證該裝置的有效性。首先，根據(jù)需要進行不同濃度聚合物溶液在儲液罐中的配制。在儲液罐內(nèi)配制不同濃度的聚丙烯酰胺溶液時，由于聚合物溶液具有一定的黏度，高濃度的聚合物溶液實驗后要進行清洗再進行低濃度聚合物溶液實驗，為了減小實驗誤差和清洗次數(shù)，按照濃度由低到高進行實驗。水力旋流器處理量為4 m3/h，通過入口流量計進行控制；水力旋流器分流比為20%，由溢流口和底流口流量計監(jiān)控；含油量為2%，通過油泵定量泵入，經(jīng)靜態(tài)混合器混合后進入分離工藝。

實驗過程對串聯(lián)降黏裝置前后的水力旋流器的分離效率進行測量、計算，對比串聯(lián)前后水力旋流器對含聚條件的適用性是否得到提高。由于聚合物溶液配制過程需要靜置的時間較長，配制耗時，故同種濃度的聚合物溶液只配制1次，通過機械降黏裝置的安裝和拆卸完成不同濃度聚合物溶液條件下串聯(lián)降黏裝置前后水力旋流器分離效率的測量。

流量的測量：根據(jù)水力旋流器入口和出口處流量的測量，通過閥門可以控制水力旋流器的處理量和水力旋流器的分流比，可以滿足水力旋流器在不同操作參數(shù)下的運行。

效率的測量：水力旋流器的分離效率是評價水力旋流器分離性能的重要指標。通過水力旋流器串聯(lián)降黏裝置前后效率的計算來評價降黏裝置的有效性。對水力旋流器在不同濃度聚合物溶液條件下串聯(lián)降黏裝置前后溢流口和底流口分別進行取樣，使用紅外分光測油儀進行含油濃度分析，通過含油濃度計算水力旋流器的分離效率，對降黏前后水力旋流器的分離效率進行對比分析。

3.3 實驗結(jié)果分析

圖8為串聯(lián)機械降黏裝置前后水力旋流器不同含水率條件下的分離效率曲線，可以看出，串聯(lián)降黏裝置后水力旋流器的分離效率明顯提升。串聯(lián)降黏裝置前在不同濃度聚合物溶液條件下，水力旋流器的分離效率基本都在99%以下，串聯(lián)降黏裝置后質(zhì)量濃度在300 mg/L 以內(nèi)的聚合物溶液條件下水力旋流器的分離效率可達到99%以上，而且在部分工況質(zhì)量濃度為400 mg/L 的聚合物溶液條件下也達到了99%，降黏裝置明顯提升了水力旋流器在含聚條件下的適用性。

圖8 不同含水率串聯(lián)降黏裝置前后水力旋流器的分離效率Fig.8 Separation efficiency of hydraulic cyclone before and after connecting viscosity reducing device in series under different water content

圖9為不同濃度聚合物溶液在不同處理量條件下串聯(lián)降黏裝置前后的分離效率曲線，可以看出，串聯(lián)降黏裝置后水力旋流器的分離效率明顯提升。由于處理量的增大加劇了聚合物溶液在降黏裝置和水力旋流器中的剪切速率和剪切應力，有利于提升其降黏效果，使溶液的黏度降低，故隨著處理量的增大，水力旋流器串聯(lián)降黏裝置前后的分離效率均呈現(xiàn)出升高的趨勢。串聯(lián)降黏裝置后質(zhì)量濃度在300 mg/L 以內(nèi)的聚合物溶液經(jīng)水力旋流器的分離效率均達到99%以上，質(zhì)量濃度為400 mg/L 的聚合物溶液也在部分工況達到了99%，故機械降黏裝置提升了水力旋流器在含聚條件下的適用性。

圖9 不同處理量串聯(lián)降黏裝置前后水力旋流器的分離效率Fig.9 Separation efficiency of hydraulic cyclone before and after connecting viscosity reducing device in series under different processing volcme

4 結(jié)束語

（1）根據(jù)機械剪切原理及增加流體流速的方法來增大剪切作用設計出變徑通道降黏裝置，利用CFD 數(shù)值模擬分析及正交實驗進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過對不同含水率、溫度、分流比和流量下的降黏效果分析，得出機械降黏裝置對聚合物溶液降黏效果明顯。

（2）室內(nèi)實驗結(jié)果表明，通過不同的含水率、處理量條件下水力旋流器串聯(lián)降黏裝置前后的分離效率可以看出，該降黏裝置使質(zhì)量濃度在300 mg/L以內(nèi)的聚合物溶液經(jīng)水力旋流器分離后分離效率均能達到99%以上，在部分工況質(zhì)量濃度為400 mg/L 的聚合物溶液條件下也達到了99%，可見，水力旋流器前端串入降黏裝置能夠拓寬含聚適用性。

（3）下一步建議開展現(xiàn)場試驗，驗證水力旋流器前端串入降黏裝置在聚驅(qū)井的分離效果。