油田堵水調剖作業地面混配注入系統研制及應用*

安申法

(勝利油田分公司石油工程技術研究院)

0 引 言

我國主力油田逐漸進入開發中后期，高含水問題嚴重影響了油田的采收率。采用堵水技術調整剖面，可有效緩解油井出水問題，該技術已經成為油田提高采收率的重要手段[1]。堵水調剖技術是將混配后的堵劑溶液通過注水井注入井筒并到達目標地層，達到封堵地層出水孔道的目的[2]。我國的堵水調剖技術歷經60多年的發展，在大慶、勝利、河南等陸上油田以及海上油田都得到了廣泛的應用。

堵水調剖技術由機械堵水發展到化學堵水，并逐漸向深度化、智能化方向發展[3]，堵劑類型由最初的水泥漿、樹脂溶液發展到聚合物配置的堵劑溶液。聚合物物料溶解于水中，經過混合熟化后便可形成黏度滿足注入要求的堵劑溶液[4-5]，在通過油層后仍具有較高的殘余阻力系數和黏彈效應[6]，能夠達到較好的降水增油效果。由于構成堵劑的聚合物溶液具有非牛頓流體特征[7]，同時地層中的滲流流動復雜，使得堵調效果對注入流體性質非常敏感。因此，堵調工藝實施的關鍵步驟之一在于堵劑溶液的配置[8]。

為配置符合注入要求的堵劑溶液，需要研制專用的地面混配裝置。目前，油田注堵劑地面系統多采用“配注分開”工藝[9]，該工藝對大區塊大規模注入有較好的適用性，但應用于小規模采油區塊卻存在效率低、流程復雜的缺點[10]。隨著堵水調剖技術的深度化，單次注入藥劑的種類呈現多樣化特征，除了干粉狀的聚合物，還出現了一些新型的液體藥劑[11]，此舉對目前的聚合物混配裝置有了更高的要求，需要解決傳統裝置效率低、工藝流程復雜、智能化程度低和環境污染等問題[12]。

針對中小規模堵水調剖作業需求，設計研制了一套地面混配注入系統和裝置，能夠實現多種物料自動混合配注，滿足深度堵水調剖工藝需求。筆者所提出的設計和方案，包括進料預混、攪拌熟化、增壓注入等模塊，滿足混配精度、壓力及流量等指標要求，使整個系統具有定量化、自動化、易操作性等特點，具有很好的推廣前景。

1 總體方案

1.1 設計難點及解決方案

堵水調剖作業地面配注系統的設計難點如下：①如何將進料、混配、熟化、注入工序集成，保證堵劑的配置質量，同時提高注堵劑地面裝備作業效率和自動化程度[13]；②如何保證裝置緊湊和配置精度，以實現“兩固兩液”同步、異步及定量進料，是實現堵水調剖裝備精確控制和自動化的關鍵。

針對以上難題，提出以下解決方案：①根據物料屬性及工藝流程，以定量、可控、高效為目標，優化優選關鍵節點裝置，完成橇裝模塊布局集成和控制系統研制；②采用“螺旋輸送+射流吸入”的粉狀藥劑進料新工藝，優化熟化罐攪拌工藝參數、葉輪結構參數。

1.2 系統組成

本文設計的油田堵水調剖用粉液混配注入系統可分為5個模塊：自動進料模塊、攪拌熟化模塊、泵注模塊、井口模塊和監控模塊。該系統的總體組成如圖1所示。

1—攪拌罐；2—進料裝置；3—緩沖罐；4—井口采油樹；5—往復式泵；6—離心泵；7—控制柜。

自動進料模塊包含進料裝置及管匯、閥件；攪拌熟化模塊包含2套機械攪拌罐及其部件；泵注模塊包含喂入泵和注入泵，喂入泵采用離心泵，注入泵采用往復式注聚泵；井口模塊包含井口采油樹、緩沖罐以及高壓管匯；監控模塊包括地面控制柜、監測儀器儀表以及可控閥門閥件等。

1.3 工藝流程

各模塊順序運行情況如圖2所示。來自料斗和液罐的粉料和液料經過進料模塊預混合，隨后進入到攪拌熟化模塊完成熟化，達到注入要求后，熟化液通過泵注模塊增壓，再注入到井口。

圖2 各模塊的運行順序

自動進料模塊主要包含1個可橇裝的“兩固兩液”進料裝置，該橇裝裝置集成了2套并聯水射流分散溶解裝置(即粉狀聚合物進料裝置)和2套并聯計量泵喂入裝置(即液體藥劑進料裝置)。

來自井口分支管線的高壓水作為進料模塊的動力液，在射流負壓作用下將粉狀聚合物吸入到系統中，并實現粉狀聚合物與高壓水的初步混合。

攪拌熟化混配模塊主要由2套機械攪拌熟化罐及其配件組成。粉料、液料及高壓水在罐內充分混合、攪拌并熟化，以達到可以注入井口的聚合物水溶液標準。泵注模塊主要用于將攪拌罐中的聚合物水溶液加壓，然后將其注入到井口中。

井口模塊主要動能包括接收泵注模塊輸送的堵劑溶液，引出高壓水并將其輸送到進料裝置中。井口模塊中的緩沖罐用于對高壓水的壓力進行緩沖，避免對進料裝置中的關鍵元件造成影響。

綜上，堵水調剖粉液混配注入系統的工藝流程如圖3所示。

圖3 工藝流程圖

1.4 主要技術參數

該混配注入系統要完成2種粉類藥劑的分散溶解以及2種液態藥劑的增壓喂入，可以完成某1種或2種粉狀藥劑與某種或2種液體藥劑不同搭配混合配置。

系統的主要技術參數如下：

(1)粉狀物料：可以滿足油田調剖注劑對某1種特定聚合物(如聚丙烯酰胺)或2種不同聚合物(如聚丙烯酰胺及某種粉狀交聯劑)的配注要求。

(2)液體物料：要求同粉狀聚合物。

(3)混配水源：以井口的高壓污水作為整個系統的動力液，高壓井水的壓力選擇為16 MPa，最大流量為15 m3/h，經過減壓閥后，壓力降至1 MPa。

(4)固態藥劑的混配濃度：5 000 mg/L，混配量10～15 m3/h；液態藥劑的喂入量：壓力0.8 MPa，喂入量為100 L/h。

(5)自動進料橇塊最大尺寸(長×寬×高)：6 m×3 m×3 m。

2 關鍵裝置研制

2.1 粉液進料模塊

根據堵水調剖工藝的不同，注入的藥劑包含粉狀與液體2大類。粉狀物料從干粉到母液并達到注入要求的工藝流程可分為4部分，分別為干粉吸入、溶解、攪拌熟化和溶液注入。相比于粉狀物，液體物料的定量進料更容易實現，但也需要完成輸送和注入，而且在工藝流程中會與粉狀物料進行混合。

為滿足“兩固兩液”的進料要求，進料模塊中設置2套粉狀進料裝置和2套液體進料裝置。為了便于粉狀物料的定量控制，同時保證吸入物料的連續性，采用“螺旋輸送和射流吸入”相結合的方式，通過控制螺旋輸送電機的轉速來控制粉料的進料量[14]。螺旋輸送器的出口與射流吸入口連接，利用射流產生的負壓，確保輸送器出口的粉料連續的被吸入到混配管線中。液體物料的定量控制則通過計量泵完成。

“兩固兩液”進料模塊如圖4所示，2套粉狀和液體藥劑進料裝置之間并排布置。通過閥門控制既可實現每套裝置單獨工作，也可多套裝置同時運行，取決于堵水調剖工藝和藥劑用量。將粉狀進料裝置與液體進料裝置集成在一個橇塊中，各套裝置留有操作維修空間。

1—高壓入水口；2—射流式進料器；3—螺旋進料器；4—料斗；5—激振器；6—緩存罐；7—控制柜。

粉狀進料裝置結構如圖5所示。4個壓力計分別安裝在減壓閥前(P1)后(P2)和粉狀聚合物進料裝置前(P3)后(P4)；流量計安裝在粉狀聚合物進料裝置前；高壓截止閥安裝在高壓污水入口處；2個減壓閥(一級減壓閥及二級減壓閥)安裝在高壓截止閥后；控制高壓污水進入進料裝置的高壓水閥，安裝在2個減壓閥后；凈化器安裝在開關閥門后，在進入進料裝置前凈化高壓污水中的雜質。該實物裝置如圖6所示。

1—壓力計P1；2—高壓截止閥；3—減壓閥a；4—減壓閥b；5—壓力計P2；6—高壓水閥；7—凈化器；8—流量計；9—壓力計P3；10—進料裝置；11—壓力計P4。

圖6 進料模塊實物圖

粉料進料裝置由料斗、低料位計、激振器、螺旋進料裝置和射流進料器組成。料斗是給料和暫時儲存的設備；低料位計用于監測粉料位置高度，低于一定高度時即發出警報，提醒需要加料；激振器能震碎受潮成塊的顆粒，減少顆粒在料斗內壁的黏貼；螺旋進料裝置利用螺旋葉片將料斗里的顆粒定量的輸送到射流進料器中，射流進料器利用負壓效應將顆粒吸入到高壓污水流過的管中，最后通過進料器的出口管排到混配裝置中。

2.2 攪拌熟化模塊

由進料模塊輸送的粉狀和(或)液體物料經過預混合后，完成初步溶解。預混合的物料進入到攪拌熟化模塊，通過機械攪拌進行充分混合和熟化。注劑時必須達到規定的熟化時間，才能滿足注入要求。因此，熟化與注入過程是交替完成，需要配置2個攪拌熟化罐，一個攪拌熟化罐處于注入狀態時，另一攪拌熟化罐的單向閥關閉，進行熟化過程。

圖7為攪拌熟化模塊。如圖7a所示，每個攪拌熟化罐配置2套攪拌裝置，確保充分攪拌。該罐配有觀察窗，內設黏度計、液位計等用于監測物性。并通過多點安裝降低監測誤差，提高監測效率。通過觀察窗觀察攪拌葉片的運行狀態以及罐內溶液的熟化情況。攪拌熟化罐上部設有透氣孔，使罐內氣壓保持恒定。

圖7 攪拌熟化模塊

攪拌熟化罐內部的物性測量主要為黏度和密度的測量。在針對黏度的在線測量方案中，根據工藝條件中的溫度、壓力、黏度范圍、安裝要求等，并考慮聚合物的流變學特性，選擇旋轉式黏度計。同理，對攪拌熟化罐中溶液密度進行實時監測選擇接觸式測量。黏度計和密度計的測量原理圖如圖8所示。

圖8 黏度和密度測量示意圖

在安裝黏度計和密度計時需要設計安裝支架和引流流道，保證觀測點液面具有較小的流場擾動。另外，黏度計和密度計既要保留數顯功能，以便工作人員的查看；還要具備傳輸數據的功能，將測得的數據實時傳遞至總控制臺。由于黏度計和密度計的測量方案均需要與溶液接觸，因此，在實時監測數據時需保證黏度計和密度計的測量部分均被溶液完全浸沒。對黏度計和密度計的相關要求如表1所示。

表1 黏度計與密度計參數

雙攪拌器配制裝置如圖7b所示。單個攪拌熟化罐由2個攪拌器和2臺三相異步電動機組成。其主要參數如表2、表3和表4所示。

表2 攪拌電機主要參數

表3 攪拌熟化罐主要參數

2.3 攪拌結構優化

配液熟化過程起始階段需要提高攪拌器的轉速，使聚合物快速溶解。初步混合后，由于聚合物的非牛頓流體特征，需要降低轉速使溶液充分熟化。攪拌熟化罐設計尺寸為(長×寬×高)：5 000 mm×2 500 mm×2 000 mm，槳葉直徑為1 200 mm，葉片寬度為120 mm，厚度為8 mm，攪拌軸直徑為48 mm，輪轂直徑為100 mm，攪拌器槳葉安裝高度為500 mm，2攪拌器軸心的間距為2 500 mm，2攪拌器槳葉的初始角度一致。

采用SolidWorks軟件建立攪拌裝置幾何模型，并通過ICEM軟件劃分攪拌流場網格。網格劃分方式為非結構網格劃分，在流場變化劇烈的地方進行局部加密。攪拌區域流場的處理方法為多重參考系法，將攪拌裝置內流場的區域劃分為由槳葉轉動部分的動區域和其他部分的靜區域，并設定交界面使2區域可以進行數據交換。攪拌流場的網格劃分如圖9所示。

圖9 攪拌熟化罐流場網格

首先，對網格進行獨立性驗證。選取槳葉扭矩作為網格獨立性驗證的標準，如圖10所示。由圖10可見：當網格數量低于160萬時，攪拌槳葉上的扭矩變化比較大；當網格數量高于160萬時，攪拌槳葉上的扭矩變化較小并逐漸趨向恒定。因此，最終選取網格數為2 014 264。

圖10 網格獨立性驗證

圖11為攪拌流場的速度云圖分布。由圖11可以看出：裝置內液體流動的高速區域主要集中在槳葉附近以及其上方區域，最大速度出現在槳葉邊緣；2個攪拌槳葉之間的速度較小，流場擾動小；在2攪拌槳葉的下方存在一個相似對稱的攪拌速度區，導致下方出現打旋。由速度矢量圖可以看出，2攪拌器的流型基本一致，在靠近壁面一側形成漩渦狀流型，方向從攪拌槳葉的下方開始，經過壁面轉到攪拌槳葉的上方，以此帶動攪拌裝置內的流體運動。但在2攪拌器之間，液流相互影響使流場分布不均勻，使速度方向較紊亂。

圖11 攪拌熟化裝置Y=0 mm截面處速度云圖和速度矢量圖

圖12為對比了攪拌器的4種不同葉片數在Z=550 mm截面處的速度矢量圖。對于2葉片，主要的影響區為攪拌槳葉附近的流場，壁面幾乎沒有環流存在，聚合物在2葉片的攪拌效果較差，容易在壁面附近形成堆積；3葉片攪拌時壁面環流效果較好，壁面附近的聚合物可以隨著攪拌槳葉的轉動而不斷流動，攪拌效果較好；4葉片攪拌時壁面的流動狀態較好，但可以看出在2攪拌器之間速度場比較紊亂，受到2攪拌器之間的相互影響較大；5葉片攪拌時的速度場分布明顯，聚合物流動效果較好。

圖12 不同葉片數在Z=550 mm截面處的速度矢量圖

3葉片攪拌時的攪拌速度場主要是從2個攪拌器的兩側分別形成漩渦，壁面上的流動效果較好，2攪拌器之間的相互影響較小，攪拌效果較好。由于攪拌功率隨著葉片數的增加而增大，在達到攪拌效果較好的標準下葉片數越少越好，故優選3葉片槳葉的攪拌器。圖13對比了不同槳葉傾角下的流場。

由圖13可知，35°槳葉對攪拌器上方部分區域的影響較小，攪拌器下方區域流場的攪拌效果較好，2攪拌器之間的相互影響小。攪拌功率隨著槳葉傾角的增大而增大，在達到攪拌效果較好的前提下槳葉的傾角越小越好，故優選35°槳葉的攪拌器。

此外，還對罐體尺寸進行了優選。測試表明，5.0 m×2.5 m×2.2 m罐體，雙葉輪間距∶垂直高度為5∶1時，攪拌均勻度最優；固相體積分數為0.5%，葉片數為3、傾角為35°熟化性能最優；通過匹配罐體、葉輪結構和工藝參數，平均熟化時間可由90 min縮短至60 min以內。

2.4 泵注模塊

現場用的喂入及泵注裝置如圖14所示。該裝置由1個離心泵和1個往復式注聚泵組成，離心泵的主要作用是灌注，提高注聚泵的吸入性能。泵注裝置的主要參數如表5所示。

表5 喂入及泵注裝置主要參數

2.5 監測控制系統

現場的監測控制系統如圖15所示。在工作過程中，攪拌熟化與進料之間互不影響，可以同時進行，2個攪拌罐獨立運行互不干擾。單個攪拌罐進料及攪拌時間約3 h；聚合物溶液從攪拌罐中排出的時間也為3 h，因此可以保證熟化后的聚合物溶液能連續注入井口。當排出的熟化后聚合物溶液在罐中的液面高度為0.4 m時，打開攪拌罐的入口閥，繼續將熟化后的聚合物溶液排出，當排到0.2 m液面高度時，關閉攪拌罐的出口閥。此時，另一個攪拌罐的溶液已經熟化完成，當罐中的液面高度達到0.4 m時，攪拌器開始轉動。當攪拌液在罐中的液面高度達到1.75 m時，關閉進口閥停止進料裝置。經過2.5 h攪拌熟化，粉狀聚合物與水相融達到標準。隨后經過0.5 h的低速攪拌，打開攪拌罐的出口閥，溶液被喂入泵吸出，排出到泵注裝置。

圖15 控制和監測顯示屏

3 應用概況

利用研制裝置，在孤東七區西Ng63+4單元試驗井組開展了現場試驗(見圖16)。根據GO7-37N206井堵水調剖工藝要求，該次運行需注入有機鉻交聯凍膠體系FD-2和流度調控體系SP-8這2種工作液，具體用量及質量分數配比如表6所示。

表6 堵水調剖劑用量及濃度配比

該裝置自2022年8月投入運行以來，按照設定的排量要求，自動進行進料、配液、熟化與注入。配液固相體積分數為0.5%，注入壓力15 MPa，已累計注入堵劑超過17 000 m3，裝置運行穩定。加料時間由原來的每2.5 h一次，可根據不同濃度要求延長至12～48 h加料一次；現場值守人員由原來的至少2人值守，降低為僅需1人操控。

4 結 論

(1)研究形成了一體化堵劑自動化混配和注入系統和裝置，解決了堵劑注入勞動強度大、工作環境差、配液不穩定的難題，實現了深度堵水調剖堵劑定量化、自動化注入。

(2)優化設計了不同類型堵劑的進料工藝與結構，實現了“粉狀堵劑+液體堵劑”精準下料與均勻混配。粉狀物料：螺旋精準進料，負壓射流均勻吸入，結塊體積率和預混均勻度均滿足需求，消除了粉料溶解過程中的“魚眼現象”；液體物料：高壓減壓+計量泵，確保來水穩定，流量準確。

(3)針對不同黏度的堵劑，優化設計了熟化罐體、攪拌槳葉數量、槳葉傾角、旋轉方向、攪拌位置、攪拌轉速等結構與工藝參數，提高了熟化效果，縮短了熟化時間，提高了泵注效率。