植物膠混配成套技術與裝備的研制與工業應用

盧 毅，臺廣鋒，姜長輝，潘社衛，李 強，盧亞平

（北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

水基壓裂是石油開采中最主要的開采手段，在原有開采作業中占據較大的比例[1，2]。近年來油田富集區塊已基本開發完畢，下步主力開發層位將以深部油藏為主。深部油藏由于其油藏特性，均需開展大規模壓裂。目前主要通過使用水泥車和儲水罐露天配液，產量及質量存在較多的問題，容易產生的“水包粉”現象，且黏度達到使用要求需要較長的時間，這既影響了配液的質量又由于“水包粉”的形成而導致了膠粉用量的增加和對環境的污染。另外壓裂配液生產調度存在一定時間差，管理難于協調統一。因此有必要開展石油壓裂液配液設備研制與應用，以滿足油田后續發展的需要。

1 植物膠高效混配裝置總體方案設計

為了提升油田壓裂液配液質量，降低生產成本和工人勞動強度，改善油井壓裂效果，降低避免環境污染，提高生產安全性能，優化人力資源，本文研制了成套高效自動化配液設備。首先將工藝每個環節進行模塊化，然后有針對性進行模塊化設計。采用膠粉連續給料上料儲供一體結構，保證了連續上料的同時也實現了有限空間大儲料的能力，采用變頻電機螺旋輸出精確計量輸粉量；采用高效混合射流器快速實現膠粉與水均勻混合；采用液氣分離-靜態增黏-動態增黏連續增黏環節保證配液黏度，解決現場配液黏度達不到生產要求問題。植物膠高效混配工藝流程圖（見圖1）。

圖1 高效配液工藝流程圖

2 核心裝備研制

2.1 螺旋上料儲存裝置及精密給料裝置的研制

瓜爾膠是一種油田壓裂水基壓裂液常用的主要增稠劑，遇水后形成膠狀物質，能夠提升增稠的效果，增加油氣開采產量[3]。對于固體物料的輸送通常可以采用螺旋給料上料機、皮帶輸送機、正負壓氣力輸送、斗式提升機等多種形式的方法進行輸送。對于不同形態的固體物料，應采用不同的輸送方式[4]。

瓜爾膠粉是一種粉末狀低密度的固體物料，可采用螺旋輸送和皮帶輸送兩種方式。由于與螺旋給料上料輸送方式相比，皮帶輸送具有粉塵大、環境污染、輸送能力小等不足，因此本文采用螺旋給料上料輸送方式，整體裝置外形圖（見圖2）。為了使胍膠粉在儲罐內均勻存儲，在罐上下端設置有上攪拌和下攪拌螺旋，并在管底出口處設置出料螺旋，能夠實現胍膠粉出料均勻。上料螺旋與儲罐間采用帆布套卡箍連接，可以保證上料的同時不影響粉罐的精確計量。在粉罐的底部分別設置有三個稱重模塊，電纜信號線在控制盒集中，實時質量值通過稱重表頭顯示，采用進口的稱重系統設備，具有計量精度高的優點。總配備功率為20.1 kW；儲料罐最大容積3.5 m3；上料速度2 m3/h；上料螺旋傾斜角 60°。

圖2 螺旋上料儲存及精密給料裝置

2.2 混配撬裝置的研制

射流器是混配撬上實現水粉均勻混合的一套核心產品，它實現了瓜爾膠粉與水的均勻混合，其原理是通過高速水流經過射流器產生的壓力能變化形成負壓，從而抽吸膠粉，使膠粉與水流均勻混合。一直以來開展了對高效混合射流器理論研究[2]。根據長期的理論研究與實踐發現，高效混合射流器吸料管內截面積與環形截面積（吸料管外圓面與射流器內孔形成的環形空間）的比值大小影響水與粉的混配質量。本文設計了一種新型高效混合射流器，吸料管下端為獨特的八字形結構形式，根據工業生產需求的不同，已經研發出了最大配液速率為1.5 m3/min、2.5 m3/min、4 m3/min等多種規格型號固液混合射流器，滿足現場不同的配液速度需求。

混配撬上的主要增黏設備包括液氣分離裝置、靜態增黏、動態增黏設備，通過管道、水泵、橡膠補償器進行串行連接，保證水粉均勻混合及黏度一步一步得到釋放，射流泵、增黏泵、發液泵進出口分別設置橡膠補償器，可以增加整體設備的柔性，降低設備運轉時的振動影響。混配撬在冬休清洗設備時，清洗液可以通過罐底部和頂部的溢流管路排放到儲液池/罐。而且整撬底最下部環繞布置余液管，當水泵運轉損壞漏液時，余液可以通過撬底座下部的排水管排往儲液池/罐。防止余液任意排放，造成安全隱患，具體設計圖（見圖3）。

2.3 液體添加劑添加系統的研制

液體添加劑的性質決定了壓裂液的性能，對壓裂處理的效果影響較大。根據不同的地質要求，液體添加劑的種類和添加量也會有所差異（見表1）。

液體添加劑大多具有腐蝕性，所以本文設計不銹鋼罐結構進行儲液，通過自吸泵進行抽吸，預先儲存在不銹鋼罐內，最大儲存容量為2 m3～8 m3。抽吸管抽吸口設計有均勻排布的圓孔，防止管底殘渣進入管道造成管路堵塞。抽吸管與水泵間設計成鋼絲軟管連接，增加了抽吸管移動距離，方便現場操作。考慮到液體添加劑使用頻率，人工操作的便捷性，液體添加罐前端和后端分別采用電動開關閥控制進液和出液，并且罐底部增加了排液管，方便清洗，添加系統圖（見圖4）。

圖3 混配撬裝置

表1 常用液體添加劑種類及功能

2.4 自動控制系統的研制

在配液施工過程中，所有的配液、發液生產過程全部實現自動化控制，生產工藝過程及工藝設備集中由監控站統一進行控制和監控。所有自動化設備及儀表儀器包括混配撬及增稠劑儲供控制柜、液體添加控制柜、攪拌機及固體加料控制柜、PLC控制柜、手動操作站等，其中PLC控制柜為整個配液系統的核心控制柜。

根據生產流程開發出：基液配制監控程序、壓裂液配制監控程序、液體添加監控程序、固體添加監控程序、壓裂液發放監控程序等。所有系統的控制指令都是PLC控制柜發出的，設計的PLC的指令有手動控制和自動控制兩種。手動控制為直接點擊控制室的觸摸屏來人為控制某個電氣控制點來執行相應的動作。自動控制是在壓裂液配液自動生產過程中，操作人員在操作站觸摸屏手動輸入配液速度、配比、配液量、調整系數等工作參數后執行自動控制后PLC會自動運行內部程序對整個設備參與配液的各個電氣控制點進行控制，使之協同工作完成配液任務。

所有配液數據均可在線顯示、即時監控，如配液速度、配液量、下粉速度、下粉量、下料精度等，所有配液設備的工作狀態，如電機啟停狀態、電動閥門的開關狀態及計量儀表的測量數據均可實時顯示。添加劑的添加過程可實現自動控制，添加種類、加入量和配比設定后，即可自動添加并計量。配液監控程序內設有報警急停程序，在設備出現故障或生產條件不能滿足時及時將所有配液設備停機，并給出故障提示，以保護設備，方便故障查找及設備維修。

圖4 液體添加劑添加系統

表2 采油廠新建配液站配液參數表

3 工業化現場運用

2010年5月，植物膠高效混配成套技術與裝備首次在延長油田亮劍。目前，已在國內油田新建或改建共10余座壓裂液配液站，占我國所用新采購配液設備的80%，其中部分采油廠新建配液站配液參數表（見表2）。該技術和裝備在現場不斷工業試驗和應用，技術也逐漸完善，解決了傳統的壓裂液配液速度慢，人工勞動強度大及容易產生“水包粉”等問題，通過引入植物膠混配成套技術和裝備，滿足了油田大規模工廠化配液需求。

4 結語

（1）模塊化設計：根據配液的工藝流程，將每個流程環節進行模塊化，成套裝備設計成多個標準化模塊，可以根據客戶需求進行個性化設計，滿足不同客戶的配液需求。

（2）配液精度高：采用進口或合資知名品牌設備，確保了產品的精度要求。避免了傳統配液膠粉浪費的問題。

（3）自動化程度高：整套設備可完全實現自動化運行。

（4）勞動強度低：全程自動化，無需人工。

（5）環境友好：實現全程無污染配液，確保了人員和環境得到有效保護。