聚合物高效溶解工藝設計及其在渤海油田的應用

劉 敏，鄒明華，邱 偉，晁圣棋，郭沛文

中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452

渤海油田屬于常規稠油油田，自2003年實施聚合物驅油技術以來，取得了較為明顯的效果，渤海油區提高采收率技術的油藏適應性分析結果表明，適宜聚合物驅的油藏有20個，應用潛力巨大[1-3]。由于海上平臺處于潮濕的環境中，且平臺甲板面積和承重等都比較有限，所以在海上平臺上實施聚合物驅，就要求設備對操作環境有更高的適應性，即要求設備占地面積更小、重量更輕[4-5]、聚合物溶解設備系統的溶解效率更高。本文介紹一種適合海上平臺作業環境的聚合物高效溶解技術及該技術在渤海油田的應用。

1 工藝流程簡介

聚合物從干粉到形成溶液并注入目標井的工藝流程主體可分為三個部分（見圖1），分別為聚合物干粉輸送、干粉溶解和溶液注入。海上油田用聚合物一般用防水袋盛裝，袋裝聚合物干粉運到平臺后，打開袋裝，通過人工或機械等方式送到儲料罐，儲料罐的干粉由專門的干粉輸送系統送到溶解系統，溶解系統混合聚合物干粉與水，形成聚合物溶液，聚合物溶液輸送到溶液注入系統，溶液注入系統把溶液稀釋至設定的濃度，并注入到目標井中。

圖1 聚合物配注地面流程示意

1.1 工藝流程說明

干粉溶解是聚合物配注工藝流程中非常關鍵的一個環節，如果溶解不充分，則影響聚合物驅油效果，可能產生堵塞流程等不良影響。渤海油田的高效溶解工藝流程如圖2所示。

圖2 高效溶解工藝流程示意

干粉通過干粉輸送系統輸送到水粉混合器，與平臺一級供水在水粉混合器內混合，然后進入溶解罐攪拌，待達到設定液位后啟動快速分散器進行分散，經快速分散的溶液在快速分散器出口與平臺二級供水混合，稀釋至設定濃度，所得到的目標母液經螺桿輸送泵輸出到熟化罐。熟化罐為臥式，分級連續式設計，分隔成多個熟化腔，熟化腔之間用專門設計的隔板隔開，聚合物可從隔板高點進入下一級熟化腔，每個熟化腔均安裝1個攪拌器，根據配注量設計熟化罐體積、攪拌器大小。熟化罐第一個熟化腔接受來自上一流程的聚合物溶液，當液位達到第一級熟化腔與第二級熟化腔的隔板高點時，聚合物開始從隔板高點自流進入第二級熟化腔，當第二級熟化腔的液位達到第三級熟化腔隔板高點時，聚合物自流進入第三級熟化腔，如此經過多級攪拌，聚合物基本完成熟化過程，熟化后的聚合物母液通過喂入泵進入泵注系統。

1.2 工藝參數設計

根據高效溶解工藝的需要，溶解部分的基本設計條件為：快速分散器中聚合物質量濃度15 000 mg/L，通過二級供水后進入熟化罐的質量濃度5 000 mg/L，聚合物在熟化罐的熟化時間控制在40 min，其中熟化罐體積根據平臺空間情況、實際加工能力與安裝要求進行設計。

假設熟化罐容積為60 m3，則聚合物干粉用量為60×5 000/1 000=300（kg），聚合物干粉的下料速度為300×60/40=450（kg/h），由于干粉與水混配的初始質量濃度為15 000 mg/L，則平臺供水的流量為450/15 000/1 000=30（m3/h）。

2 工藝設計與工作原理

渤海油田用的聚合物溶解工藝用于水粉混合的設備主要由水粉混合器、快速分散器、熟化罐等組成，另外還配套有用于輸送液體的螺桿泵及其他配件如計量儀表、控制閥門等。

為實現聚合物的高效溶解，從水與聚合物相互作用的三個階段入手解決問題：第一階段粉料和水的第一次接觸，第二階段粉料在水中的“溶脹”[6-7]，第三階段聚合物溶解熟化[6,8]而形成溶液。

2.1 溶解第一階段的工藝設計

在第一個階段，聚合物粉料要與水充分潤濕。由于在粉料潤濕不充分的情況下，聚合物遇水后容易成團，聚合物成團后被包裹在其中的粉料就接觸不到水，這種情況下，即使存在后續環節的攪拌，聚合物也很難充分溶解形成溶液，有些部分甚至出現“魚眼”[9]。為了充分潤濕，在本工藝流程中，特別設計了水粉混合器，見圖3，該水粉混合器為筆者所在公司自主開發的專利產品（專利號：ZL 2008 2 0080172.4）。該產品已在渤海油田錦州9-3油田井組注聚應用，從注聚流程中的過濾器清理次數來看，效果比以前要好。

由于海上平臺供水管道采用 DN100 的法蘭，因此水粉混合器的接口也采用 DN100 的法蘭，通徑為100 mm的法蘭足可以滿足30 m3/h的供水和450 kg/h的干粉流量要求。

水粉混合器內共設計了8個水嘴，用 CFD 計算軟件進行了流場模擬，見圖4。在水粉混合器混合流場中，噴頭的內部件改變了氣體射流方向，使得過粉管出口處水粉混合區域較大，同時護罩內的流動促進了水粉混合，使得水和粉在護罩的出口處混合效果較好。

以60 m3的熟化罐為例進行計算，水粉混合器的混合能力可以達到30 m3/h，干粉與水的混合質量濃度為15 000 mg/L。

2.2 溶解第二階段的工藝設計

從理論上來講，粒度越小的聚合物顆粒，單位質量具有的表面積越大，因而同溶劑接觸的面積越大，溶劑分子滲透進入聚合物核心亦即聚合物全部、均勻地擴散到溶液中所用的時間越短，溶解速度越快[5,10]。因此在水與聚合物粉料接觸潤濕后的第二階段，采用快速分散器（見圖5～6） 對水與聚合物進行快速分散，縮小聚合物干粉與水接觸后形成的膠團尺寸，使聚合物“溶脹”來得更快，以此加速聚合物的溶解。

圖3 水粉混合器結構

圖4 水粉混合器流場幾何模型

以60 m3熟化罐為例進行計算，根據前述計算結果，平臺供水流量為30 m3/h，則快速分散器流量為30 m3/h。大量的試驗與分析證明，若要實現聚合物的快速分散，又要避免聚合物分子鏈受到高速、高強度的剪切作用，則設計轉子的最高轉速設為1 450 r/min，并且轉速通過變頻器控制較為合適。

2.3 溶解第三階段的工藝設計

在聚合物“溶脹”后的第三階段，采取攪拌方式來完成熟化。熟化罐可分為多個腔室，每個腔室均設置有攪拌器，攪拌器結構如圖7所示，每個攪拌器在垂直方向有兩個同心的攪拌槳，其攪拌槳式樣如圖8所示。

圖5 分散研磨器總體結構

圖6 快速分散器工作原理示意

圖7 攪拌器總體結構

圖8 攪拌槳式樣

攪拌器轉速8～41 r/min，攪拌器葉端線速度為0.73～3.76 m/s，可攪拌流體的黏度最大可達 20 000 mPa·s。

3 工藝的礦場試驗與應用

高效溶解工藝最初在渤海油田F平臺進行了礦場試驗，設計的注入壓力不超過15 MPa，以確保注入安全，井口流體黏度不低于25 mPa·s，以便于更好的驅替。在礦場試驗中，對2口井進行注入作業，注入壓力7～10 MPa，井口流體質量濃度1 750～2 250 mg/L，黏度控制在28 mPa·s以上，均符合設計要求。由于在F平臺試驗成功，該工藝在A平臺進行了推廣應用，注聚井達到12口，注入參數均符合設計要求，平臺的空間很好地滿足了多井的注聚需求，進一步體現了工藝的特點。

A平臺注聚井12口，熟化時間40 min，要求最大注入量12 372 m3/d（注入井中流體質量濃度為1 750 mg/L），則聚合物下料量約21.65 t。

聚合物溶液初始質量濃度為15 000 mg/L，要求進入熟化罐的質量濃度為5 000 mg/L，則進入熟化罐的配液速度需達到180 m3/h，而進入水粉混合器以及快速分散器的流量則為60 m3/h。根據前述計算結果，設計熟化罐容積為60 m3，則水粉混合器以及快速分散器的流量為30 m3/h，熟化罐的流量為60×60/40=90（m3/h）。因此需要水粉混合器以及快速分散器各2套，熟化罐2套，即A平臺需要2套高效溶解系統?，F場為了避免因設備問題而導致停注，在實際建設中A平臺特備用了1套高效溶解系統。工藝設備的現場應用見圖9。

圖9 工藝設備的現場應用

4 工藝特點分析

目前陸地開展聚合物驅油的油田如大慶油田、勝利油田、河南油田等[11]，聚合物的溶解時間基本在60 min以上才能滿足注入要求[12-14]，溶解時間長，溶解設備多且大，不適合海上平臺使用。上述介紹的用于渤海油田的溶解工藝，針對的聚合物是AP-P4（四川光亞科技股份有限公司生產，其固含量為90%，相對分子質量為13×106左右，水不溶物質量分數為0.154%，水解度為18.1%），在室內試驗時發現采用常規溶解方法其溶解時間在90 min左右甚至更長，這就意味著需要更多或更大的溶解設備。

由于在整個溶解過程中，聚合物在熟化罐的停留時間占溶解時間的絕大部分，因此可優先考慮減少熟化罐的數量或者縮小其體積，這樣可以在滿足相同配注量的情況下，縮小溶解系統的體積或減少設備的個數。以A平臺為例，初始設計注聚井12口，總配注量12 370 m3/d，井口流體質量濃度1 750 mg/L，按照常規溶解工藝，需要有效容積約60 m3的熟化罐6個。借鑒了F平臺的經驗后，只采用了同等配置的熟化罐2個，節約了平臺空間，極大降低了平臺負載。不同溶解方式的對比效果見表1。

表1 熟化罐不同溶解方式的對比效果

簡而言之，本工藝的最主要特點是實現了聚合物的快速溶解，這樣有效地減少了溶解設備對平臺空間的占用。

5 結束語

通過礦場試驗與技術推廣應用，檢驗了用于渤海油田的聚合物高效溶解工藝性能的可靠性，該技術針對渤海油田難溶聚合物的溶解問題而開發，適合海上平臺的作業條件，也適用于有類似需求的場合。工程實踐表明：與常規溶解工藝相比，用于渤海油田的聚合物高效溶解工藝配注設備占地面積大大減少，平臺負載顯著減輕。高效溶解系統特別適合空間有限的平臺，滿足了海上油田的注聚需求，其工藝技術有較高的推廣應用價值。