控溫耐壓分槽式攪拌裝置研制及實(shí)驗(yàn)

彭昊 邱伊婕 張俊成

摘 ?????要：聚合物驅(qū)油是一種提高采收率的三次采油技術(shù)，但存在聚合物大分子懸浮顆粒難以聚沉以及溫度對(duì)聚合物驅(qū)油效果影響較大等問題。鑒于此，設(shè)計(jì)了可分槽式攪拌中間容器，闡述了該裝置的結(jié)構(gòu)組成和工作機(jī)理以及主要部件的設(shè)計(jì)，該裝置可實(shí)現(xiàn)控溫、控壓，并可實(shí)時(shí)測(cè)定聚合物黏度。利用該裝置，進(jìn)行了多元復(fù)合驅(qū)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置在聚合物黏度測(cè)量的可靠性，證實(shí)了該裝置可用于探究分注或者合注，從而實(shí)現(xiàn)不同聚合物的驅(qū)油效果，優(yōu)化層系開發(fā)方案，對(duì)油氣田開發(fā)中具有深遠(yuǎn)意義。

關(guān) ?鍵 ?詞：聚合物驅(qū)油;攪拌中間容器;控溫;耐壓;黏度

中圖分類號(hào)：TQ 027.3+5 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ?????????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）03-0597-05

Abstract： Polymer flooding is a tertiary oil recovery for enhancing oil recovery， but it is difficult to sink polymer suspension particles， and the effect of temperature on polymer flooding is obvious. In view of these， a slot-type stirring tundish was designed， the structure and working mechanism of the device were elaborated as well as the design of the main components， the device can realize temperature control and pressure control， and can measure the viscosity of polymer in real time. By using the device， the multiplex flooding experiments were carried out， the reliability of the device in the polymer viscosity measurement was verified， the device can be used to explore the separated injection or the combined injection， so as to realize the oil displacement effect of different polymers and optimize the development of the layer system， which has far-reaching significance in the development of oil and gas.

Key words： Polymer oil flooding;Stirring tundish ; Temperature control; Pressure resistance;Viscosity

當(dāng)前國(guó)內(nèi)大量水驅(qū)油田已進(jìn)入年產(chǎn)量下降的高或特高含水期[1]，由于儲(chǔ)層的非均質(zhì)性及不同流度比使得油田仍殘余大量油，具體表現(xiàn)在產(chǎn)量低，含水率高且經(jīng)濟(jì)效益較低[2，3]。為了使油田能保持較長(zhǎng)的穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間及較高的產(chǎn)油能力。許多油田普遍開始采用二次或三次采油技術(shù)提高原油采收率[4]，聚合物驅(qū)油是最常見的技術(shù)手段之一[5]。聚合物驅(qū)油是向地層中注入聚合物進(jìn)行驅(qū)油的一種增產(chǎn)措施，在宏觀上，它主要靠增加驅(qū)替液黏度，降低驅(qū)替液和被驅(qū)替液的流度比，從而擴(kuò)大波及體積;在微觀上，聚合物由于其固有的粘彈性，在流動(dòng)過程中產(chǎn)生對(duì)油膜或油滴的拉伸作用，增加了攜帶力，提高了微觀洗油效率[6，7]，同時(shí)還可以逐步穩(wěn)定開采指數(shù)和溶液量。

中間容器是聚合物驅(qū)的必要設(shè)備，傳統(tǒng)的中間容器采用的單溶液驅(qū)替，對(duì)于復(fù)雜的混合驅(qū)替需要多組中間容器混合使用，由于不同溫度以及黏度的聚合物對(duì)探究驅(qū)油效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有影響，使得多個(gè)中間容器使用無法保證多種聚合物的溫度條件以及攪拌條件相同，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成影響。

針對(duì)上述問題，筆者設(shè)計(jì)了控溫耐壓可測(cè)黏度的分槽式攪拌中間容器，以降低外界因素對(duì)實(shí)驗(yàn)影響的，并探究了黏度的精度，同時(shí)采用實(shí)驗(yàn)的方法來評(píng)價(jià)了該裝置的實(shí)際效果，以期為后續(xù)的聚合物驅(qū)油實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究提供參考。

1 ?室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)裝置及過程

1.1 ?實(shí)驗(yàn)裝置流程

整套室內(nèi)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)包括6個(gè)結(jié)構(gòu)分別為巖心驅(qū)替裝置、六通閥、攪拌中間容器、壓力表、巖心夾持器、手搖泵、回壓閥。系統(tǒng)組成見圖1。

本套實(shí)驗(yàn)首先通過巖心驅(qū)替裝置將地層水注入到攪拌中間容器中然后通過預(yù)先設(shè)置的溫度和轉(zhuǎn)速，將筒內(nèi)的聚合物攪拌均勻達(dá)到要求黏度后注入到巖心夾持器中，根據(jù)量筒中的產(chǎn)液量計(jì)算采收率。

1.2 ?控溫耐壓可測(cè)黏度的攪拌中間容器裝置構(gòu)造

1.2.1 ?裝置設(shè)計(jì)圖詳細(xì)說明參見圖2-4。

1.2.2 ?裝置原理

本裝置包括支架1、壓力筒2、攪拌筒3以及攪拌機(jī)構(gòu)4，其中攪拌筒3的兩側(cè)固定設(shè)置在支架1上，壓力筒2的腔體與攪拌筒3的腔體連通，攪拌筒3的腔體內(nèi)設(shè)有可滑動(dòng)的活塞5，活塞5的側(cè)面與攪拌筒的壁面貼合，攪拌腔由隔離組件隔離呈兩個(gè)單元腔6，隔離組件包括上隔離板8和下隔離板9，設(shè)置的滑槽7用于容納隔離組件，使上隔離板8的下端能上下滑動(dòng)。隔離板8的上端面與活塞5的下端面貼合固定，下隔離板9的底部端面與攪拌筒3的底部貼合固定，下隔離板8和9的側(cè)邊壁面與攪拌筒3側(cè)邊壁面貼合固定。攪拌機(jī)構(gòu)4包括兩組攪拌槳10、若干從動(dòng)齒輪11、主動(dòng)齒輪12以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)13，兩組攪拌槳10分別設(shè)置在對(duì)應(yīng)的單元腔6的底部，攪拌槳10的轉(zhuǎn)動(dòng)軸14的一端套設(shè)并固定在對(duì)應(yīng)的從動(dòng)齒輪11的軸孔內(nèi)，從動(dòng)齒輪11與驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)13的連接軸套設(shè)在主動(dòng)齒輪12的軸孔內(nèi)并固定，壓力筒2設(shè)置有連接驅(qū)替裝置的注入口17，單元腔6分別設(shè)置出液口18，并且驅(qū)動(dòng)電機(jī)13為變速電機(jī)，單元腔6內(nèi)設(shè)置有黏度傳感器，黏度傳感器與控制面板的數(shù)顯屏（LED屏）連接數(shù)字顯示，使得通過黏度傳感器掌握每個(gè)單元腔6內(nèi)的聚合物的黏度數(shù)據(jù)，并與控制面板的數(shù)顯屏連接，使得黏度數(shù)值數(shù)顯。攪拌筒3的外側(cè)套設(shè)有外套筒15，其外壁面與外套筒15的內(nèi)壁面件設(shè)置有間隙構(gòu)成加熱腔，加熱腔內(nèi)設(shè)置有電加熱絲組16，電加熱絲組16與電加熱控制器連接，用于調(diào)節(jié)電加熱絲的發(fā)熱功率。電加熱腔內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器，通過溫度傳感器掌握每個(gè)單元腔6內(nèi)的聚合物的溫度數(shù)據(jù)，通過控制面板19的數(shù)顯屏連接，顯示其溫度值。驅(qū)動(dòng)電機(jī)13連接轉(zhuǎn)速傳感器，該傳感器與控制面板19的數(shù)顯屏連接，通過對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行掌握從而數(shù)顯，注入口17以及出液口18均設(shè)置有閥體。并且因O形圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配方便[8]等優(yōu)點(diǎn)故該裝置采用橡膠O形密封圈密封，既能不漏液又能節(jié)約成本。

本裝置在使用時(shí)：注入口17連接驅(qū)替設(shè)備，出液口18連接巖心加持裝置，驅(qū)替相進(jìn)入壓力筒2的腔體，推動(dòng)活塞5向下運(yùn)動(dòng)，聚合物被排入巖心加持裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，可自由選用需要數(shù)量的單元腔6進(jìn)行聚合物攪拌以及驅(qū)替，即可完成單相驅(qū)替或者多元復(fù)合驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。

2 ?主要部件設(shè)計(jì)

2.1 ?中間容器設(shè)計(jì)

2.1.1 ?技術(shù)參數(shù)

① 容積： （500±20）mL;

② 工作壓力： 20 MPa，容器試壓值為50 MPa;

③ 攪拌介質(zhì)： 聚合物顆粒，機(jī)械雜質(zhì)濃度≤1%， 顆粒最大直徑≤ 30μm， 顆粒中值直徑≤ 25μm; 攪拌要求： 保證顆粒不下沉， 保證不改變聚合物的物理性質(zhì);

④ 要求容器具有耐腐蝕能力[9]。

2.1.2 ?容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

經(jīng)計(jì)算δ=13.39 mm， 腐蝕裕量C1=0 0Cr18Ni9 按GB4237取負(fù)偏差增加0.8 mm， 其設(shè)計(jì)厚度δd=δ+ C1= 13.39 mm， 名義厚度δn為14.19 mm， 考慮實(shí)驗(yàn)操作過程中安全問題和壓力欠穩(wěn)定等問題， 實(shí)際取壁厚T=15 mm， 容器的主要尺寸采用類比法， 參見圖5， D3=170 mm， D1=190 mm， D2=125 mm， h1=120 mm， h3=100 mm; h2=300 mm（圖5）。

2.4 ?控溫原理分析

2.4.1 ?電加熱絲

設(shè)計(jì)一種新型的安全且加熱效率高的螺旋式碳纖維電加熱絲，這種的碳纖維材料的電加熱絲可多根串聯(lián)組成，因此使用壽命長(zhǎng)。在其兩端設(shè)有與其緊密接觸的第一插頭和第二插頭，并且表面附著定型涂層防止加熱時(shí)回彈和變形。將該加熱絲裝入加熱腔中，兩個(gè)插頭分別連接在加熱腔上下兩端，并充填導(dǎo)熱粉后密封加熱腔。該電加熱絲安裝簡(jiǎn)單，安裝效率相比傳統(tǒng)技術(shù)提高4～6倍，如圖6。

2.4.2 ?溫度傳感器

本裝置采用熱電偶溫度傳感器[12]，該傳感器基于熱電效應(yīng)原理的測(cè)溫傳感器，當(dāng)兩個(gè)電極組合一個(gè)閉合回路時(shí)，只要兩節(jié)點(diǎn)溫度不同，回路中就有熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。將該傳感器與顯示屏連接，根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)顯示相應(yīng)數(shù)值。

2.5 ?攪拌裝置設(shè)計(jì)

2.5.1 ?攪拌裝置

采用德國(guó)“歐洲之星”系列的 IKA EUROSTAR 攪拌裝置，其組成為：支架、機(jī)頭和攪拌槳[13]。

2.5.2 ?IKA 軟件

IKA 系列攪拌器可通過 Labword soft 軟件與電腦相連，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的調(diào)整、輸入與數(shù)據(jù)的測(cè)量、輸出。Labword soft 軟件不僅可以適用于攪拌器系列，而且可以和很多實(shí)驗(yàn)設(shè)備相連，進(jìn)行大型實(shí)驗(yàn)的總體控制與測(cè)量。可通過此軟件讀出扭矩和轉(zhuǎn)速等值[13]， 如圖7。

2.5.3 ?攪拌槳設(shè)計(jì)

2.5.4 ?轉(zhuǎn)速傳感器

采用一種智能傳感器通過變速電動(dòng)機(jī)的高壓轉(zhuǎn)子傳動(dòng)齒輪、中心傳動(dòng)組件上的齒輪及發(fā)電機(jī)傳動(dòng)齒輪以相同的傳動(dòng)比將扭矩從高壓渦輪轉(zhuǎn)子傳遞到發(fā)電機(jī)上，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。發(fā)電機(jī)輸出電壓信號(hào)特征與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系[14]，故發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可通過分析發(fā)電機(jī)輸出信號(hào)特征就可以知道，同時(shí)在顯示屏顯示出攪拌器轉(zhuǎn)速。并且該變速電動(dòng)機(jī)設(shè)有緊急制動(dòng)裝置，安全高效。

2.5.5 ?黏度傳感器

采用在線黏度傳感器，通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速算出流體的瞬時(shí)剪切速率和粘性力，即時(shí)溫度值通過在線黏度測(cè)量系統(tǒng)軟件[15]，以及在參數(shù)設(shè)置區(qū)所確定的參數(shù)計(jì)算出黏度值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)在顯示屏顯示出流體的黏度。

3 ?實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

3.1 ?驅(qū)油準(zhǔn)備方案

（1）實(shí)驗(yàn)原油：采用勝利油田原油，配置煤油使黏度至17.2 mPa·s;

（2）實(shí)驗(yàn)用水：勝利油田注入水;

（3）實(shí)驗(yàn)用巖心：均質(zhì)巖心（滲透率758 mD），規(guī)格：5 cm×5 cm×24.3 cm，巖心飽和油61.8%;

（4）實(shí)驗(yàn)驅(qū)油劑：聚合物SNF 3640D;表面活性劑HDS;

（5）巖心數(shù)據(jù)采集點(diǎn)不少于10個(gè)點(diǎn)，包括啟動(dòng)壓力、圍壓、溫度、產(chǎn)液量、含水率。

3.2 ?實(shí)驗(yàn)驅(qū)替方案

實(shí)驗(yàn)驅(qū)替方案見表2。

3.3 ?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪圖

均質(zhì)巖心經(jīng)過抽真空、飽和地層水、油驅(qū)水建立束縛水飽和度、老化48 h后開始地層水驅(qū)，水驅(qū)至含水率到65%后，注入聚合物及表面活性劑，直至含水率達(dá)到98%結(jié)束。得到注入PV數(shù)與含水率和采出程度的變化規(guī)律。如圖8。

3.4 ?黏度精度分析

以不同黏度的聚丙烯酰胺水溶液作為對(duì)象，將溶液黏度配置在預(yù)定范圍內(nèi)，測(cè)量多種不同數(shù)據(jù)，如表3。

表中的測(cè)量數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)皆以多次測(cè)量取得平均值。如表可見，對(duì)于不同濃度的聚丙烯酰胺水溶液，測(cè)量值與實(shí)際值之間存在誤差且黏度越高測(cè)量值愈接近實(shí)際值。

4 ?結(jié) 語(yǔ)

（1）設(shè)計(jì)了一種控溫耐壓可測(cè)黏度的分槽式攪拌中間容器，該裝置功能齊全，實(shí)現(xiàn)了控制溫度、耐高壓、可測(cè)黏度、控制轉(zhuǎn)速等多功能。

（2）該裝置探究聚合物（試劑）驅(qū)油時(shí)，使得多種聚合物（試劑）在對(duì)應(yīng)的單元腔內(nèi)在根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置相同的溫度以及轉(zhuǎn)速下攪拌轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)其黏度并將攪拌后的多種試劑通過各自的出液口排入巖心加持裝置中，完成多元復(fù)合驅(qū)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要打開一個(gè)或兩個(gè)出液口進(jìn)行分注或者合注從而探究不同聚合物的驅(qū)油效果。

（3）該裝置可以根據(jù)設(shè)置不同溫度不同轉(zhuǎn)速探究聚合物（試劑）在黏著程度、注入速度、濃度等因素影響下的驅(qū)油效果。

（4）該裝置的數(shù)顯屏為L(zhǎng)ED屏在光線較暗的環(huán)境下也可以正常讀數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)也有重大意義;在支架底部設(shè)置四組萬向輪便于移動(dòng)。

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