海上固井批量液體混配裝置的研制

李海鑫，侯 林，張 冉，肖 雄，劉洪李，季 威

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 100114；2.四機賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北荊州 434000）

0 引言

海洋油田固井作業(yè)時，在井下條件惡劣的狀況下注入水泥，僅僅采用純水泥已經(jīng)遠遠不能滿足工藝技術(shù)指標，必須通過外部添加劑來增強其使用性能。例如，填充劑可以增加產(chǎn)漿量，節(jié)約水泥用量，降低原料成本；緩凝劑或促凝劑可以調(diào)節(jié)稠化時間；分散劑能夠改善水泥漿的流變性能，增加頂替效率；降濾失劑可以減少滲透性地層對水泥漿的濾失作用，提高采收率。

外部添加劑通常采用液體添加劑，因為液體添加劑混拌所需場地小，適應(yīng)性更強；液體添加劑和水攪拌混合后，配成的水泥漿比干灰混拌得更均勻。針對固井配水階段液體材料的配置設(shè)備，全球行業(yè)的共識是按照“模塊化、集成化、自動化”。目前行業(yè)內(nèi)廣泛認可的配置技術(shù)就是連續(xù)液體添加技術(shù)和批量液體添加技術(shù)，這兩種技術(shù)被以斯倫貝謝為代表的國際油服公司大范圍采用。兩大技術(shù)裝備的主要特點：①通過計量泵實時計量反饋，將液體材料輸送到清水泵入口處與清水混合，再輸送至計量柜，具備連續(xù)混合、持續(xù)作業(yè)的功能；②通過隔膜泵將液體材料分批次地加入到液添罐，根據(jù)實時計量至目標液位，然后再排放液添罐液體至計量罐，以此為一個批次循環(huán)。整個添加過程具備可觀察性，具備應(yīng)急切入手動操作能力，設(shè)備整體簡單，經(jīng)濟效益高。

在我國，由于現(xiàn)場作業(yè)固井液體材料加量都較大，從而無法采用國外更具集成化、自動化的進口設(shè)備，這是因為他們加量都偏小，不符合海油自有的添加劑體系，而我國自研的液體配置技術(shù)起步都較晚，導致如今海上作業(yè)時一般使用的液體配置設(shè)備為簡易液添設(shè)備，液添操作時手動控制每一種外加劑依次進行添加，靠目視控制精度，在整個作業(yè)中操作繁瑣，加量誤差較大。

本文引入的批量液體混配裝置，設(shè)備簡單，經(jīng)濟高效，且抽取流量大適用于海油自有固井添加劑體系。采用多罐批量同時加入、同時計量、同時排放的流程設(shè)計，實現(xiàn)了流程簡化；并對各個單罐進行了流體測試，設(shè)定符合不同液體特性的最優(yōu)控制參數(shù)，尤其是添加進程末端的低流量控制技術(shù)，實現(xiàn)了每批次液體的高精度混配。相較于連續(xù)液體添加設(shè)備，批量液體添加設(shè)備具備可視化、可預(yù)見性，在作業(yè)中出現(xiàn)故障時，可以及早發(fā)現(xiàn)、及時報警，并可手動應(yīng)急操作介入，防止出現(xiàn)添加量偏差。

1 技術(shù)原理及特點

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究設(shè)計的批量液體混配裝置為組合式撬體結(jié)構(gòu)，主要由隔膜泵站，管匯系統(tǒng)和液添罐組聯(lián)合組成。其中泵站由3 種尺寸隔膜泵組成，由不大于（0.84 MPa）120 psi 的壓縮空氣為其提供動力；液添罐組由5 種容積共7 個罐體組成，罐體可按需分拆與組合，每個單罐頂部安裝有無感式液位計，底部設(shè)計有3"、4"（1"=25.4 mm，即76.2 mm、101.6 mm）的排出孔，罐體上刻有液位標識。

批量液體混配裝置的整體布局如圖1 所示。液添罐組可安裝于固井主撬計量柜上方，整個批量液體混配裝置的控制系統(tǒng)集成于固井主設(shè)備上，這樣更有利于現(xiàn)場使用。

圖1 批量液體混配裝置

1.2 設(shè)計原理

當混配裝置接收到添加指令后，需要添加幾種液體，對應(yīng)泵站相同數(shù)量的隔膜泵開始工作，液添罐上的雷達液位計實時反饋罐內(nèi)液面至計算機系統(tǒng)，泵出口管路上安裝有電控比例閥，計算機系統(tǒng)給出指令使得各自電控比例閥分階段縮小口徑，以實現(xiàn)所有液添罐對應(yīng)液體的精準添加，當達到相應(yīng)液位后相應(yīng)比例閥關(guān)閉，所有罐體液位達到預(yù)定值時，自動停止給隔膜泵供氣。接到下一批次添加指令后自動恢復(fù)供氣，同理進行下一批次的添加。在需要添加不同黏度、不同量的液體時，選用隔膜泵應(yīng)按照：使用大尺寸泵抽取黏度大或流量大的液體，使用小尺寸泵抽取黏度小或流量小的液體。

1.3 技術(shù)特點

（1）該裝置專用于固井作業(yè)中液態(tài)添加劑的添加，適用于每批次不高于（1.6 m3）10 bbl 混合水的混配。

（2）設(shè)備的控制中心可集成在固井泵的控制單元上，操作更為便捷。

（3）其流量控制系統(tǒng)根據(jù)液添罐內(nèi)的液面增長速度，在添加進程末端使用獨特的低流量控制技術(shù)，使得添加精度達到±0.02 gal（1 gal=3.785 L）。

（4）使用液添罐組合進行計量和排放，在作業(yè)期間故障的可預(yù)見性更強，設(shè)備預(yù)警系統(tǒng)在添加過量或者不足時，也會立即出現(xiàn)報警提示，現(xiàn)場人員可手動介入應(yīng)急操作解決。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

液添罐組外形尺寸為2380×1004×1837 mm，最大單個隔膜泵尺寸為621×564×820 mm，液體管路通徑為3"（76.2 mm）、2"（50.8 mm）、"（38.1 mm），最大輸送固體顆粒直徑為9.5 mm，單罐最大自由流量為237 gal/min（0.9 m3/min）。

2 控制技術(shù)的設(shè)計與分析

2.1 流量控制設(shè)計

以每個單罐添加液體時的流量控制為例，流量調(diào)節(jié)分為I、II、III 級3 個階段，即根據(jù)罐內(nèi)剩余加液量的變化電控比例閥門的開度分別為1 擋、2 擋、3 擋（其中1 擋＞2 擋＞3 擋），實現(xiàn)添加過程中流量逐步變小，最后完成液體的精準添加。圖2 中，液體量A＞B＞C。

圖2 混配裝置流量控制設(shè)計原理

2.2 液添罐與隔膜泵配比設(shè)計分析

隨機選擇了某內(nèi)海探井配方與海外項目組探井配方，進行對比（表1）。

由表1 可以看出，中海油固井自有添加劑體系具有添加劑配方多樣性、現(xiàn)場配比跨度廣、添加劑黏度差別大等特點。

表1 不同海域探井配方對比

選擇不同黏度的液體、不同尺寸的隔膜泵對于輸送流量具有顯著影響，管道內(nèi)部液體流動狀態(tài)的變化可用無量綱量雷諾數(shù)Re 來判斷。

式中 Q0——黏性液體的流量，m3/s

v——運動黏度，m2/s

d——管路直徑，m

為確定最高效率點，采用因次分析法分析液體黏度對于流量的影響，在相同工況下使用同一種尺寸隔膜泵，在相同氣壓且氣量充足情況下抽取不同液體時，觀察其流量變化。選用某一品牌隔膜泵，經(jīng)過試驗研究表明：黏度小于2500 cP 時，黏度變化對流量幾乎無影響；當黏度大于2500 cP 時，黏度增加則流量下降。相應(yīng)的變化應(yīng)滿足式（2）：

式中 μ1、μ2——兩種不同液體的動力黏度，cP

Q1、Q2——兩種不同液體對應(yīng)的實際流量，m3/s

Q0——同工況下用水測試的流量，m3/s

由（2）式的計算結(jié)果與試驗得出的黏度修正系數(shù)，如圖3 所示。其中，黏度為7500 cP 的某種液體對應(yīng)的修正因子為2.1，那么當黏度為7500 cP 的液體需要30 gal/min（0.11 m3/min）的流量時，則30×2.1=63 gal/min（0.24 m3/min），63 gal/min（0.24 m3/min）的流量要求就作為此次選擇隔膜泵的大小和性能條件。

圖3 黏度與修正因子的關(guān)系

圖4 配比設(shè)計推薦矩陣

2.3 混配時效性分析

操作設(shè)備的作業(yè)效率是海洋平臺現(xiàn)場作業(yè)非常重要的一環(huán)，采用本研究項目設(shè)備對自有體系流體進行了廣泛測試，由于輸送的大部分液體添加劑為非牛頓流體，目前尚不能對隔膜泵內(nèi)液體流動做嚴格的數(shù)學分析，但工程計算與試驗統(tǒng)計闡述其輸送黏性液體的性能是可行的。

在試驗現(xiàn)場模擬海上平臺作業(yè)，液添罐距地3.5 m，每條輸送管線水平長度保持在20 m，以配置一批次（1.6 m3）10 bbl 混合水為統(tǒng)計節(jié)點，測試各個黏度區(qū)間的自有添加劑。根據(jù)其加量按照自有配比設(shè)計推薦矩陣進行泵送，并記錄添加時間（即添加劑的泵送時間）（圖5、圖6）。

圖5 高黏度流體測試結(jié)果

圖6 中低黏度流體測試結(jié)果

綜合此系統(tǒng)多次測試結(jié)果，得出其添加時間均值（圖7）。

圖7 不同黏度流體的添加時間測試結(jié)果

可以看出，測試配置每（1.6 m3）10 bbl混合水時，每種添加劑的泵送時間最多不會超過120 s，且從每一批次加入添加劑開始到排放完全不超過3 min，完全滿足中海油海上平臺的作業(yè)混配需求。

3 結(jié)束語

（1）液體添加設(shè)備（Liquid Additive System，LAS）是國際高端客戶要求固井作業(yè)必須使用的設(shè)備，本項目的研發(fā)成功，解決了國外投標沒有自己LAS 設(shè)備的難題，為角逐國際高端市場增添有力籌碼。

（2）本次項目的研發(fā)，實現(xiàn)了批量液體添加技術(shù)在中海油海上平臺的自我突破，通過本研究項目的自動化配置液體技術(shù)，解決了固井作業(yè)現(xiàn)場最耗費勞動力的事情，為減少了人員勞動強度。

（3）此次批量液體混配裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)合海油自身添加劑種類特性，具備高容錯率，形成了自主知識產(chǎn)權(quán)，打破了國際競爭對手的技術(shù)壟斷。該裝置整體具有設(shè)備簡單、操作方便、經(jīng)濟性能高等特點，其操作簡單、故障率低的特質(zhì)，為以后的現(xiàn)場推廣應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。