一種應用于石油工業的低密度顆粒的加注裝置

江文博　何錛丞　都旭　孫榮

【摘 要】針對油氣藏開采過程中低密度顆粒封堵洞空隙時注入效率較低、混入效果較差的問題，研制了一種低密度顆粒的加注裝置。低密度顆粒加注裝置主要是由分支管、固液混合裝置、主水管、加壓泵等組成。低密度顆粒加注裝置具有結構簡單、實用性強、效率高、安全性高等特點。

【關鍵詞】油氣藏開采；封堵孔隙；低密度顆粒；加注裝置

0 引言

在碳酸鹽巖油氣儲層開采過程中常使用水驅采油技術，但在工程注水作業中水流往往會向非期望的縫洞滲透。用低密度顆粒（密度略小于水）封堵縫洞空隙是工程中解決上述問題的一種常見方案。目前，市場上現有加注裝置雖能夠將部分低密度顆粒混入水中，但注入效率較低，且會出現低密度顆粒漂浮在水面上的問題，混入效果較差，遠不能滿足工程上作業的需求。因此設計能夠解決該問題的一種低密度顆粒的加注裝置成為一個亟待解決的問題。到目前為止，市場上尚未出現結構簡單，實用性強，效率高，安全性高的一種低密度顆粒的加注裝置。我們的團隊在現有技術的基礎上，基于工程上的實際需要設計了一種可應用于石油工業的低密度顆粒的加注裝置。

1 裝置設計

1.1 裝置構造

如圖1所示，該裝置包括分支管、固液混合裝置、主水管、加壓泵。其中，如圖2所示，固液混合裝置包括顆粒入口、外殼、帶滑片葉輪、旋轉輪軸、注水口、混合液體出口。

1.分支管；2.固液混合裝置；3.主水管；4.加壓泵

圖1 系統總體結構圖

2-1—加料口；2-2a —柱面外殼；2-2b—固定后底面外殼；2-2c—可旋轉前底面外殼；2-3—葉輪；2-4—可伸縮滑片；2-5—帶孔外圈；2-6—軌道；2-7—排水口；2-8—滾柱軸承；2-9—注水口；2-10—固液混合物出口；2-11—內圈

圖2 固液混合裝置左剖視圖及主視圖

（1）輪盤。輪盤分為前輪盤和后輪盤，其中后輪盤固定，前輪盤可旋轉。工作時，葉輪（其上裝有滑片）固定在前輪盤上，驅動裝置帶動前輪盤和葉輪一起轉動。

（2）葉輪。葉輪前端有可自由伸縮的滑片，葉輪旋轉時，前端的滑片在固定軌道上運動。

（3）主水管和分支管。主水管與分支水管連通，分支管內的水流流經固液混合裝置后與主水管中的水流匯合。

（4）喉管。分支管道與主水管相連處的管徑突縮，文丘里管式的設計，收縮段錐角20°，擴散段錐角8°，用以提高固液二相的混入效率。

（5）加壓水泵。將管道內液體的壓強由1MPa左右加壓到10MPa以上。

（6）偏心軸的外殼。圓柱形外殼，驅動軸的安裝位置采用偏心設計，以便于腔體內多余水分的排出。

（注：各零件采用可拆卸設計，如出現磨損可以單獨更換）

1.2 工作原理

輕質顆粒通過裝置上方的顆粒入口進入固液混合裝置的腔體內，裝置啟動后，由動力裝置帶動固定在前輪盤上的葉輪逆時針旋轉，從而攜帶顆粒隨葉輪一起向下運動。當顆粒隨葉輪到達分支管在固液混合裝置的入口處時，在豎直向下的水流沖刷下，固體顆粒與管道內的液體混合，匯入下方主水管。固液混合流出口處的分支管道與下方主管道的喉管相連，利用文丘里效應，固液混合流由此迅速向下流動匯入下方主管道內，在主管道內單向水流的作用下，顆粒隨水流向右流動。葉輪繼續旋轉，到達固液混合裝置腔體的右側時，滑片收縮，腔體的體積變小，利用偏心的設計，使得從固液混合處進入右側腔體中多余的水從右側的排水口被順利排出，而后葉輪繼續旋轉，到達顆粒入口處，進行下一輪運送。該過程如此循環往復，可實現低密度顆粒的連續加注。

其中，裝置噴出的水流來源于主水管分出的一條分支路管。滑片滑動過程中始終受到外側軌道的約束。

2 裝置優勢與預期效果

2.1 預期效果

（1）該裝置可應用于石油工業中碳酸鹽巖儲層封堵裂縫過程中鉆井液管道內超輕封堵顆粒的注入。

（2）該裝置可應用于石油工業對井下作業液成分進行必要的添加。

（3）該裝置可擴展到其他領域應用于管道內固液二相的混合，且對低密度顆粒低壓混流時有較好表現。（ρ顆粒/ρ液體≈1.0，P<=1.5MPa）

2.2 裝置優點

本裝置主要有以下幾個方面的優點：

（1）與傳統的工藝相比，本裝置較好的解決了輕質顆粒無法下沉的問題。注入固體顆粒后，固體顆粒在旋轉葉片的帶動下與管道內的水流匯合，與本裝置相連的管道內的水流具有較大的流速，且只能單向向下流動，可有效的攜帶顆粒進入管道內部。固液混合處的下方的主水管的管徑較細，降低了匯流處的壓強，給流體提供一個外在吸力，喉管處水流速較快，便于顆粒被水流迅速沖走，有利于提高液體攜帶顆粒的效率。

（2）本裝置可實現向中高壓的管道內注入顆粒且具有良好的密封性能。葉輪只能單向旋轉（逆時針），有效的避免了管道內的液體通過裝置而噴出的問題，該裝置可在中高壓管道的條件下工作；此外，葉輪旋轉產生的離心力以及裝置的偏心設計，都更加有利于該裝置中由出水口進入右側腔體內的多余液體的排出。

（3）裝置結構簡單，所需驅動的泵裝置較少，造價低。裝置的構成部件簡單且方便加工，同時，裝置內的所有部件都可拆卸。滑片用鑄鐵材料制成，有效地增強了該裝置的密閉性能。如有損壞磨損（特別是滑片），可及時拆卸更換。

（4）顆粒的混入速度可調節。裝置葉輪的轉速可通過調節驅動裝置來進行調節，進而達到控制加入輕質顆粒速度的目的，以滿足不同工程條件下的生產需要。endprint