壓裂液配制用高剪切攪拌裝置的研制與應(yīng)用

廖波蘭　王小寶　盧亞平　潘社衛(wèi)（北京礦冶研究總院）

壓裂作業(yè)是油氣田增產(chǎn)的重要措施。壓裂液是壓裂施工過程中造縫和攜砂的介質(zhì)。瓜爾膠是一種天然有機(jī)聚合物，是壓裂液的主要組分。瓜爾膠溶液黏度完全釋放需要很長一段時間，從瓜爾膠粉與水接觸混合到完全溶解，大約需要2 h。水和膠粉形成的膠液黏度釋放速度直接影響著配液速度和成本。在壓裂液配制工藝中為了使瓜爾膠溶液黏度在短時間內(nèi)充分釋放，通常采用攪拌等方式促進(jìn)黏度高效釋放。但是，現(xiàn)在大規(guī)模壓裂施工要求能夠高效率快速配制符合黏度要求的壓裂液，目前國內(nèi)外配液設(shè)備主要采取葉輪攪拌結(jié)構(gòu)的增黏方式。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速較低時，遠(yuǎn)離葉輪的流體近似靜止，隨著轉(zhuǎn)速提高，葉輪產(chǎn)生的離心力增大，角動量傳遞到遠(yuǎn)處的流體，膠液開始流動；但這種結(jié)構(gòu)沿攪拌軸方向的流動弱，在靠近葉輪的下部分會出現(xiàn)環(huán)形的停滯流區(qū)。即使設(shè)置更多葉輪，其軸向流動依然很弱，因此，對于高黏膠液攪拌產(chǎn)生的膠液流態(tài)紊流效應(yīng)較?。▓D1），難以達(dá)到快速混合的要求。

1　攪拌裝置的研制

1.1　總體設(shè)計

在壓裂液配制過程中，首先將瓜爾膠粉和水通過水粉混合器充分混合后，泵入儲液池，在儲液池上安裝攪拌系統(tǒng)通過攪拌使膠粉充分溶脹，基液黏度釋放到最大。

圖1　常規(guī)攪拌流場示意圖

為了實現(xiàn)壓裂液的黏度在短時間內(nèi)快速釋放，消除儲液池中的“死角”，實現(xiàn)最有效的混合，設(shè)計一種高剪切攪拌裝置，其包含攪拌軸、上導(dǎo)流筒、轉(zhuǎn)子、定子、下導(dǎo)流筒等部件（圖2）。在攪拌器的轉(zhuǎn)子外圍增設(shè)1個筒形的擋板筒，其垂直擋板是為了抑制切向流，將切向流轉(zhuǎn)移為徑向流和軸向流，增大湍流和對流循環(huán)強度，從而提高攪拌效果。攪拌裝置旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的排出流，因受旋轉(zhuǎn)葉片和擋板的作用，在攪拌槽內(nèi)形成復(fù)雜的流場、流型，其速度大小和方向均因攪拌器葉輪與擋板的相互作用而有所變化，由此壓裂液的混合效果顯著加強。在攪拌裝置中設(shè)置上、下導(dǎo)流筒來包圍漿葉，使?jié){葉排出的流體在導(dǎo)流筒內(nèi)部與外部形成上下循環(huán)流動。導(dǎo)流筒可嚴(yán)格控制流體的流型，防止循環(huán)短路，獲得高速湍流和高速循環(huán)。采用此攪拌裝置可使壓裂液在儲液池內(nèi)形成特殊的流場，消除旋渦，可將液體的旋轉(zhuǎn)運動改為垂直翻轉(zhuǎn)運動，提供高效的軸向循環(huán)流動，強迫更多的壓裂液基液參與到循環(huán)當(dāng)中，使基液攪拌更加充分均勻；同時還可改善所施加功率的有效利用率，使能耗降到最低。

圖2　高剪切攪拌裝置及流場示意圖

1.2　攪拌裝置的轉(zhuǎn)子與定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計轉(zhuǎn)子時綜合考慮了攪拌葉輪、擋板結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流筒的相互作用。為使高剪切攪拌效果達(dá)到最大，消除儲液池中的“死角”，實現(xiàn)最有效的混合，在轉(zhuǎn)子外圍增設(shè)了1個筒形垂直擋板。

為使液體充分循環(huán)流動起來，以達(dá)到高效攪拌增黏的效果，設(shè)計了合適的定子（圖3）。在實驗室中采用了兩種形式的攪拌裝置，對壓裂液攪拌流態(tài)性能進(jìn)行實驗對比（表1）。

圖3　轉(zhuǎn)子與定子的結(jié)構(gòu)

表1　無擋板與有擋板時攪拌流態(tài)性能比較

由表1可知，增設(shè)擋板，在同一攪拌速度條件下，循環(huán)量增加3倍，攪拌功率也隨之增加；在同一攪拌功率條件下，循環(huán)量也能增加1倍左右。因此，本裝置設(shè)置上、下導(dǎo)流筒來包圍漿葉，使?jié){葉排出的流體在導(dǎo)流筒內(nèi)部與外部形成上下循環(huán)流動。導(dǎo)流筒可嚴(yán)格控制流體的流型，防止循環(huán)短路，獲得高速湍流和高速循環(huán)。圖4示出在導(dǎo)流筒內(nèi)部和外部形成上下循環(huán)流動情況。

圖4　上下循環(huán)流動情況

1.3　攪拌器的功率計算

攪拌軸功率應(yīng)滿足克服攪拌器所承受負(fù)載的要求，可按下式計算：

式中：Ps——攪拌軸功率，kW；

MT——扭矩，N·m；

N——攪拌軸每分鐘的轉(zhuǎn)速，r/min。

攪拌軸功率取決于很多因素，如：攪拌器的形式；攪拌器的結(jié)構(gòu)參數(shù)D/T；葉片安裝角 β；槳葉相對寬度b/D；擋板數(shù)nB及相對寬度B/T，攪拌器層數(shù)及安裝位置；攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)Rea=；物性參數(shù) ρ、μ；操作參數(shù)N，等等。D為攪拌器直徑（槳徑），m；T為槽徑，m；b為槳葉寬度，m；B為擋板寬度，m； ρ為物料密度，kg/m3； μ為黏度，Pa·s；n為每秒鐘的轉(zhuǎn)速，s-1。

通常用功率準(zhǔn)數(shù)NP將攪拌軸功率Ps和有關(guān)參數(shù)聯(lián)系起來，功率準(zhǔn)數(shù)NP的定義為

式中： Ps——攪拌軸功率，W；

NP——功率準(zhǔn)數(shù)；

由公式（4）可知，在其他參數(shù)值不變的情況下，增大攪拌葉輪直徑，攪拌功率增加幅度很大；而同等條件下，提高攪拌葉輪的轉(zhuǎn)速，攪拌功率增大幅度相對較小。因此，在設(shè)計攪拌裝置時，在滿足相同線速度情況下，盡可能減小葉輪直徑，提高葉輪轉(zhuǎn)速。在實際設(shè)計過程中可以根據(jù)不同的工況條件選擇不同功率大小的電動機(jī)匹配即可。

2　工業(yè)化應(yīng)用

壓裂液配制用高剪切攪拌裝置現(xiàn)已廣泛運用于北京礦冶研究總院承建的各個壓裂液配液站中。應(yīng)用高剪切攪拌裝置的實際效果與傳統(tǒng)攪拌裝置的實際應(yīng)用效果的對比情況如圖5、圖6所示。高剪切攪拌裝置操作方便，使用安全可靠，性能穩(wěn)定，其現(xiàn)場運用情況表明：

圖5　傳統(tǒng)攪拌裝置的攪拌效果

1）由于采用了定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該裝置具有較高的剪切速率，它可消除“魚眼”現(xiàn)象，縮短壓裂液配制時間，可使150 m3瓜爾膠溶液充分溶脹時間從2 h降至1.25 h，節(jié)約配液時間37.5%，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

2）由于采用了上、下導(dǎo)流筒及定子結(jié)構(gòu)，此裝置具有較高的攪拌效率，能使瓜爾膠溶液黏度充分釋放，可減少膠粉的使用量，使膠粉節(jié)約率超過15%，降低產(chǎn)品成本。

3　結(jié)束語

壓裂液配制用高剪切攪拌裝置是壓裂液生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，能夠提高壓裂液的配液速度和質(zhì)量，節(jié)約物料，降低耗電量，滿足大規(guī)模工廠化壓裂的配液需求，具有良好的推廣應(yīng)用前景，對提高我國油田壓裂液生產(chǎn)技術(shù)水平和節(jié)能環(huán)保具有積極作用，社會效益顯著。

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