植物膠混配成套技術(shù)與裝備的研制與工業(yè)應(yīng)用

盧 毅，臺廣鋒，姜長輝，潘社衛(wèi)，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(yè)中占據(jù)較大的比例[1，2]。近年來油田富集區(qū)塊已基本開發(fā)完畢，下步主力開發(fā)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(guī)模壓裂。目前主要通過使用水泥車和儲水罐露天配液，產(chǎn)量及質(zhì)量存在較多的問題，容易產(chǎn)生的“水包粉”現(xiàn)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(zhì)量又由于“水包粉”的形成而導(dǎo)致了膠粉用量的增加和對環(huán)境的污染。另外壓裂配液生產(chǎn)調(diào)度存在一定時間差，管理難于協(xié)調(diào)統(tǒng)一。因此有必要開展石油壓裂液配液設(shè)備研制與應(yīng)用，以滿足油田后續(xù)發(fā)展的需要。

1 植物膠高效混配裝置總體方案設(shè)計

為了提升油田壓裂液配液質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和工人勞動強度，改善油井壓裂效果，降低避免環(huán)境污染，提高生產(chǎn)安全性能，優(yōu)化人力資源，本文研制了成套高效自動化配液設(shè)備。首先將工藝每個環(huán)節(jié)進行模塊化，然后有針對性進行模塊化設(shè)計。采用膠粉連續(xù)給料上料儲供一體結(jié)構(gòu)，保證了連續(xù)上料的同時也實現(xiàn)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(xiàn)膠粉與水均勻混合；采用液氣分離-靜態(tài)增黏-動態(tài)增黏連續(xù)增黏環(huán)節(jié)保證配液黏度，解決現(xiàn)場配液黏度達不到生產(chǎn)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(zhì)，能夠提升增稠的效果，增加油氣開采產(chǎn)量[3]。對于固體物料的輸送通?？梢圆捎寐菪o料上料機、皮帶輸送機、正負(fù)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(tài)的固體物料，應(yīng)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(huán)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(nèi)均勻存儲，在罐上下端設(shè)置有上攪拌和下攪拌螺旋，并在管底出口處設(shè)置出料螺旋，能夠?qū)崿F(xiàn)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(shè)置有三個稱重模塊，電纜信號線在控制盒集中，實時質(zhì)量值通過稱重表頭顯示，采用進口的稱重系統(tǒng)設(shè)備，具有計量精度高的優(yōu)點?？偱鋫涔β蕿?0.1 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(xiàn)水粉均勻混合的一套核心產(chǎn)品，它實現(xiàn)了瓜爾膠粉與水的均勻混合，其原理是通過高速水流經(jīng)過射流器產(chǎn)生的壓力能變化形成負(fù)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(jù)長期的理論研究與實踐發(fā)現(xiàn)，高效混合射流器吸料管內(nèi)截面積與環(huán)形截面積（吸料管外圓面與射流器內(nèi)孔形成的環(huán)形空間）的比值大小影響水與粉的混配質(zhì)量。本文設(shè)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(jié)構(gòu)形式，根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)需求的不同，已經(jīng)研發(fā)出了最大配液速率為1.5 m3/min、2.5 m3/min、4 m3/min等多種規(guī)格型號固液混合射流器，滿足現(xiàn)場不同的配液速度需求。

混配撬上的主要增黏設(shè)備包括液氣分離裝置、靜態(tài)增黏、動態(tài)增黏設(shè)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(fā)液泵進出口分別設(shè)置橡膠補償器，可以增加整體設(shè)備的柔性，降低設(shè)備運轉(zhuǎn)時的振動影響?；炫淝嗽诙萸逑丛O(shè)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(huán)繞布置余液管，當(dāng)水泵運轉(zhuǎn)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(shè)計圖（見圖3）。

2.3 液體添加劑添加系統(tǒng)的研制

液體添加劑的性質(zhì)決定了壓裂液的性能，對壓裂處理的效果影響較大。根據(jù)不同的地質(zhì)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(shè)計不銹鋼罐結(jié)構(gòu)進行儲液，通過自吸泵進行抽吸，預(yù)先儲存在不銹鋼罐內(nèi)，最大儲存容量為2 m3～8 m3。抽吸管抽吸口設(shè)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(shè)計成鋼絲軟管連接，增加了抽吸管移動距離，方便現(xiàn)場操作?？紤]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(guān)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(tǒng)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(tǒng)的研制

在配液施工過程中，所有的配液、發(fā)液生產(chǎn)過程全部實現(xiàn)自動化控制，生產(chǎn)工藝過程及工藝設(shè)備集中由監(jiān)控站統(tǒng)一進行控制和監(jiān)控。所有自動化設(shè)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(tǒng)的核心控制柜。

根據(jù)生產(chǎn)流程開發(fā)出：基液配制監(jiān)控程序、壓裂液配制監(jiān)控程序、液體添加監(jiān)控程序、固體添加監(jiān)控程序、壓裂液發(fā)放監(jiān)控程序等。所有系統(tǒng)的控制指令都是PLC控制柜發(fā)出的，設(shè)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(zhí)行相應(yīng)的動作。自動控制是在壓裂液配液自動生產(chǎn)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(diào)整系數(shù)等工作參數(shù)后執(zhí)行自動控制后PLC會自動運行內(nèi)部程序?qū)φ麄€設(shè)備參與配液的各個電氣控制點進行控制，使之協(xié)同工作完成配液任務(wù)。

所有配液數(shù)據(jù)均可在線顯示、即時監(jiān)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(shè)備的工作狀態(tài)，如電機啟停狀態(tài)、電動閥門的開關(guān)狀態(tài)及計量儀表的測量數(shù)據(jù)均可實時顯示。添加劑的添加過程可實現(xiàn)自動控制，添加種類、加入量和配比設(shè)定后，即可自動添加并計量。配液監(jiān)控程序內(nèi)設(shè)有報警急停程序，在設(shè)備出現(xiàn)故障或生產(chǎn)條件不能滿足時及時將所有配液設(shè)備停機，并給出故障提示，以保護設(shè)備，方便故障查找及設(shè)備維修。

圖4 液體添加劑添加系統(tǒng)

表2 采油廠新建配液站配液參數(shù)表

3 工業(yè)化現(xiàn)場運用

2010年5月，植物膠高效混配成套技術(shù)與裝備首次在延長油田亮劍。目前，已在國內(nèi)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(shè)備的80%，其中部分采油廠新建配液站配液參數(shù)表（見表2）。該技術(shù)和裝備在現(xiàn)場不斷工業(yè)試驗和應(yīng)用，技術(shù)也逐漸完善，解決了傳統(tǒng)的壓裂液配液速度慢，人工勞動強度大及容易產(chǎn)生“水包粉”等問題，通過引入植物膠混配成套技術(shù)和裝備，滿足了油田大規(guī)模工廠化配液需求。

4 結(jié)語

（1）模塊化設(shè)計：根據(jù)配液的工藝流程，將每個流程環(huán)節(jié)進行模塊化，成套裝備設(shè)計成多個標(biāo)準(zhǔn)化模塊，可以根據(jù)客戶需求進行個性化設(shè)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(shè)備，確保了產(chǎn)品的精度要求。避免了傳統(tǒng)配液膠粉浪費的問題。

（3）自動化程度高：整套設(shè)備可完全實現(xiàn)自動化運行。

（4）勞動強度低：全程自動化，無需人工。

（5）環(huán)境友好：實現(xiàn)全程無污染配液，確保了人員和環(huán)境得到有效保護。