海上平臺驅(qū)油聚合物加速溶解裝置研究與性能評價

舒 政，王同旺，廖 東，齊 勇，陳佳鈺，程飛豹，楊雅蘭

1油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學(xué) 2 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 3 中國石化西南油氣分公司采氣二廠

0 引言

聚合物驅(qū)作為目前國內(nèi)外流行的提高原油采收率的三次采油技術(shù)，在陸上油田得到了廣泛的應(yīng)用并且其技術(shù)日趨成熟，主要機理是通過增加水相黏度，降低水油流度比，增大注入水在油層中的波及體積來提高采收率[1- 7]。我國海上油田聚合物驅(qū)油技術(shù)于2003年在渤海油田展開首次單井注入試驗并取得了顯著效果。隨著海上油田的不斷開發(fā)，聚合物驅(qū)油技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模逐漸擴大[8]。

海上平臺的面積、空間和承重嚴(yán)重受限，單位面積造價昂貴，配制聚合物的面積只有陸地油田的5%～10%。現(xiàn)有的陸上油田成熟的聚合物配制系統(tǒng)無法在海上平臺使用，再加上海上平臺所使用的疏水締合聚合物比常規(guī)線性聚合物溶解性能更差，導(dǎo)致海上平臺使用聚合物驅(qū)的難度進一步增大。

目前海上平臺聚合物驅(qū)目前面臨的問題是聚合物溶解時間長，這勢必會導(dǎo)致聚合物配制系統(tǒng)中的溶解罐和熟化罐的體積和重量大大增加[9- 10]，這與海上平臺空間和承重有限相矛盾，針對此問題設(shè)計了海上平臺聚合物分級強制拉伸裝置。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)

海上平臺聚合物分級強制拉伸裝置采用兩級機械拉伸結(jié)構(gòu)，由一個動齒盤和兩個定齒盤(上定齒盤和下定齒盤)組成，齒盤的核心結(jié)構(gòu)是由若干條直徑不相同的同心圓齒圈相互連接構(gòu)成，上定齒盤和下定齒盤中的齒圈組合形成多個聚合物速溶通道，當(dāng)聚合物通過此通道后被強制拉升，和配液水接觸后可以快速溶解。其中，上定齒圈與動齒圈的配合形成一級速溶結(jié)構(gòu)環(huán)，下定齒圈與動齒圈的配合形成二級速溶結(jié)構(gòu)環(huán)，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

聚合物溶脹顆粒進入裝置發(fā)生強制拉升后在高壓力的作用下，少部分產(chǎn)物會吸附在上定齒盤表面，為了防止發(fā)生大面積堆積導(dǎo)致拉伸通道發(fā)生堵塞，影響聚合物溶解的現(xiàn)場工程作業(yè)，在裝置的上定齒盤上安裝了清潔器，見圖2。具有以下三點作用：①加強聚合物溶脹顆粒與配液水的混合效果，避免聚合物溶脹顆粒在齒盤某部分大面積沉積停留；②清潔上定齒盤上吸附的聚合物溶脹顆粒，防止堵塞拉伸通道；③清潔器轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生一定的推力，迫使溶液向前運動快速進入強制拉伸裝置中。

圖1 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 聚合物快速溶解裝置

1.2 工作原理

由于聚合物顆粒和水分子的尺寸相差懸殊，且兩者的運動速度相差更大，聚合物顆粒向水中的擴散速度相較水分子向聚合物干粉顆粒中擴散速度非常緩慢。聚合物溶解要經(jīng)過三個階段：溶脹階段、溶解階段和熟化階段。相關(guān)研究表明聚合物溶解速度正比于顆粒的比表面積[11]。

(1)

式中：G—單位時間聚合物的溶解量，g/s；S—單位表面積的溶解速度，g/(s·cm2)；A—顆粒比表面積，cm2/g；W—聚合物質(zhì)量，g；ρ—聚合物密度，g/cm3；d—顆粒直徑，cm。

因此，聚合物顆粒與水接觸的比表面積成為影響聚合物溶解速度的關(guān)鍵因素，比表面積越大聚合物溶解速度越快。海上平臺聚合物分級強制拉伸裝置的動定齒盤相互嚙合形成多個兩級速溶環(huán)，聚合物干粉顆粒在溶解罐中分散混合形成溶脹顆粒后，經(jīng)轉(zhuǎn)液泵送至海上平臺聚合物分級強制拉伸裝置入口，在兩級速溶環(huán)相對運動的剪切作用下，聚合物溶脹顆粒的表面溶脹層發(fā)生剝離，使內(nèi)部未溶脹部分與能夠快速與水接觸，增加聚合物顆粒與水接觸的比表面積，提高水聚雙向滲透速度，從而縮短聚合物溶解時間。

2 流場數(shù)值模擬

2.1 流場模型

2.1.1 計算模型

模擬計算模型選擇Realizable k- e，此模型的雷諾應(yīng)力與真實湍流相同，可以精確地模擬平面和圓形射流的擴散速度，在旋流計算、帶方向壓強梯度的邊界層計算以及分離流計算的問題中，計算結(jié)果更符合真實情況。

2.1.2 邊界條件

模擬過程與實際生產(chǎn)相結(jié)合，排量為12 m3/h，進口質(zhì)量流量為3.33 kg/s，給定質(zhì)量邊界后，每個流道自動分配流量。

邊界條件設(shè)定：

(1)壓力入口0.1 MPa。

(2)動齒轉(zhuǎn)速24 r/s。

(3)外部環(huán)境壓力0.1 MPa。

(4)壓力出口為0。

(5)液體黏度10 mPa·s。

2.1.3 模型建立

為保證網(wǎng)格質(zhì)量先建立流體區(qū)域1/11模型的一半，再得到整體計算區(qū)域。通過ICEM進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在主要壓降的位置劃分邊界層，確保所有細小部分的網(wǎng)格都可以滿足條件(見圖3)。

圖3 整體計算區(qū)域網(wǎng)格

2.2 結(jié)果分析與討論

2.2.1 壓損變化

模擬研究溶液黏度為10 mPa·s時速溶裝置的靜壓分布情況和下定齒與動齒之間動壓分布，模擬結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 黏度為10 mPa·s的靜壓分布

圖5 裝置局部動壓分布

由圖4可知，裝置壓損主要集中于下定齒與動齒之間，靜壓從左向右逐漸減小，說明溶液通過裝置下部分即下定齒盤與動齒盤之間的活動間隙的能力逐漸減弱。中間空隙流體和上部分流體間的壓力下降幅度較大，在動齒附近壓力下降幅度較小，壓力損失主要發(fā)生在下定齒與動齒盤之間，對聚合物溶脹顆粒強制拉伸作用明顯。

由圖5可知，在下定齒與動齒之間，由于齒輪之間縫隙減小，裝置動壓達到最大值，聚合物溶脹顆粒表層的溶脹層被剝離，未溶脹部分快速的與水接觸，提高水聚雙向滲透速度，在此處通過強制拉伸，加速其溶解過程。

2.2.2 速度矢量

分別對聚合物溶液在單一通道中的速度矢量、單一動齒兩側(cè)通道的速度矢量及在整個過流通道截面中的速度矢量進行數(shù)值模擬，結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 單一通道(左)及動齒兩側(cè)(右)通道速度矢量

圖7 整個過流通道截面的速度矢量

由圖6可知，在單一通道中，越貼近壁面，速度矢量就越大，此時切應(yīng)力越強，有利于強制拉伸聚合物溶脹顆粒；在單一動齒兩側(cè)通道中，溶液在下定齒與動齒之間時，流速的突然上升，而后進入寬闊區(qū)域，沖擊下方流體，形成較規(guī)則漩渦，流出拉伸縫的流體形成漩渦回流，經(jīng)清潔器分散后與高壓水混合備用。

由圖7可知，在整個過流通道截面中，越靠近外側(cè)的過流通道，溶液的速度矢量就越大，且軸向速度相比徑向旋轉(zhuǎn)速度較小，說明對聚合物溶脹顆粒的橫向拉伸作用越強，可以有效的減小溶脹顆粒的粒徑，加速聚合物的溶解。

在動齒盤中心位置對徑向速度分布進行監(jiān)測，并利用X-coordinate進行分析，模擬結(jié)果見圖8。

圖8 速度通道的徑向速度分布

由圖8可以看出，速溶環(huán)半徑與溶液通過間隙的徑向速度成正比。越靠近外側(cè)，動齒盤帶動的流動速度越大，聚合物溶液在外側(cè)更容易溶解。

通過上述模擬研究發(fā)現(xiàn)動壓分布主要集中在下定齒盤與動齒盤之間，下定齒盤與動齒盤之間的間隙大小決定了聚合物溶脹顆粒的溶解效率；速溶環(huán)半徑與溶液通過間隙的徑向速度成正比，速度的方向為切向。

3 速溶效果評價

結(jié)合模擬結(jié)構(gòu)設(shè)計并加工出聚合物分級強制拉伸裝置，裝置占地面積僅為0.96 m2，是陸地油田聚合物溶解裝置占地面積的5%～10%，為海上平臺聚合物驅(qū)的應(yīng)用提供了支持。渤海油田海上平臺使用該裝置對疏水締合聚合物AP- P4的溶解進行了現(xiàn)場測試，其結(jié)果見圖9。

圖9 分級強制拉伸速溶裝置前后聚合物AP- P4溶解時間與黏度變化曲線

由圖9可知，經(jīng)過聚合物分級強制拉伸裝置后，聚合物AP- P4的基本溶解時間由80 min縮短至40 min左右，且基本溶解時溶液黏度相差不大，黏度保留率達90%以上。

4 結(jié)論

(1)海上平臺聚合物分級強制拉伸裝置的壓損主要集中于下定齒盤與動齒盤之間，且此處裝置動壓達到最大值，說明此處強制拉伸作用明顯，齒盤之間的間隙大小決定了聚合物溶脹顆粒的溶解效率。

(2)在單一過流通道中，速度矢量大小與流體和管壁間的距離成正相關(guān)，流體和管壁間的距離越近，其切應(yīng)力越強，越有利于強制拉伸聚合物溶脹顆粒，越有利于強制拉伸。

(3)經(jīng)過強制拉伸裝置后，聚合物AP- P4的基本溶解時間縮短50%，該裝置對聚合物快速溶解效果顯著，且對溶液黏度無明顯影響。