植物胶混配成套技术与装备的研制与工业应用

2018-09-19台广锋姜长辉潘社卫卢亚平

石油化工应用 2018年8期

卢毅，台广锋，姜长辉，潘社卫，李强，卢亚平

（北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160）

水基压裂是石油开采中最主要的开采手段，在原有开采作业中占据较大的比例[1，2]。近年来油田富集区块已基本开发完毕，下步主力开发层位将以深部油藏为主。深部油藏由于其油藏特性，均需开展大规模压裂。目前主要通过使用水泥车和储水罐露天配液，产量及质量存在较多的问题，容易产生的“水包粉”现象，且黏度达到使用要求需要较长的时间，这既影响了配液的质量又由于“水包粉”的形成而导致了胶粉用量的增加和对环境的污染。另外压裂配液生产调度存在一定时间差，管理难于协调统一。因此有必要开展石油压裂液配液设备研制与应用，以满足油田后续发展的需要。

1 植物胶高效混配装置总体方案设计

为了提升油田压裂液配液质量，降低生产成本和工人劳动强度，改善油井压裂效果，降低避免环境污染，提高生产安全性能，优化人力资源，本文研制了成套高效自动化配液设备。首先将工艺每个环节进行模块化，然后有针对性进行模块化设计。采用胶粉连续给料上料储供一体结构，保证了连续上料的同时也实现了有限空间大储料的能力，采用变频电机螺旋输出精确计量输粉量；采用高效混合射流器快速实现胶粉与水均匀混合；采用液气分离-静态增黏-动态增黏连续增黏环节保证配液黏度，解决现场配液黏度达不到生产要求问题。植物胶高效混配工艺流程图（见图1）。

图1 高效配液工艺流程图

2 核心装备研制

2.1 螺旋上料储存装置及精密给料装置的研制

瓜尔胶是一种油田压裂水基压裂液常用的主要增稠剂，遇水后形成胶状物质，能够提升增稠的效果，增加油气开采产量[3]。对于固体物料的输送通常可以采用螺旋给料上料机、皮带输送机、正负压气力输送、斗式提升机等多种形式的方法进行输送。对于不同形态的固体物料，应采用不同的输送方式[4]。

瓜尔胶粉是一种粉末状低密度的固体物料，可采用螺旋输送和皮带输送两种方式。由于与螺旋给料上料输送方式相比，皮带输送具有粉尘大、环境污染、输送能力小等不足，因此本文采用螺旋给料上料输送方式，整体装置外形图（见图2）。为了使胍胶粉在储罐内均匀存储，在罐上下端设置有上搅拌和下搅拌螺旋，并在管底出口处设置出料螺旋，能够实现胍胶粉出料均匀。上料螺旋与储罐间采用帆布套卡箍连接，可以保证上料的同时不影响粉罐的精确计量。在粉罐的底部分别设置有三个称重模块，电缆信号线在控制盒集中，实时质量值通过称重表头显示，采用进口的称重系统设备，具有计量精度高的优点。总配备功率为20.1 kW；储料罐最大容积3.5 m3；上料速度2 m3/h；上料螺旋倾斜角 60°。

图2 螺旋上料储存及精密给料装置

2.2 混配撬装置的研制

射流器是混配撬上实现水粉均匀混合的一套核心产品，它实现了瓜尔胶粉与水的均匀混合，其原理是通过高速水流经过射流器产生的压力能变化形成负压，从而抽吸胶粉，使胶粉与水流均匀混合。一直以来开展了对高效混合射流器理论研究[2]。根据长期的理论研究与实践发现，高效混合射流器吸料管内截面积与环形截面积（吸料管外圆面与射流器内孔形成的环形空间）的比值大小影响水与粉的混配质量。本文设计了一种新型高效混合射流器，吸料管下端为独特的八字形结构形式，根据工业生产需求的不同，已经研发出了最大配液速率为1.5 m3/min、2.5 m3/min、4 m3/min等多种规格型号固液混合射流器，满足现场不同的配液速度需求。

混配撬上的主要增黏设备包括液气分离装置、静态增黏、动态增黏设备，通过管道、水泵、橡胶补偿器进行串行连接，保证水粉均匀混合及黏度一步一步得到释放，射流泵、增黏泵、发液泵进出口分别设置橡胶补偿器，可以增加整体设备的柔性，降低设备运转时的振动影响。混配撬在冬休清洗设备时，清洗液可以通过罐底部和顶部的溢流管路排放到储液池/罐。而且整撬底最下部环绕布置余液管，当水泵运转损坏漏液时，余液可以通过撬底座下部的排水管排往储液池/罐。防止余液任意排放，造成安全隐患，具体设计图（见图3）。

2.3 液体添加剂添加系统的研制

液体添加剂的性质决定了压裂液的性能，对压裂处理的效果影响较大。根据不同的地质要求，液体添加剂的种类和添加量也会有所差异（见表1）。

液体添加剂大多具有腐蚀性，所以本文设计不锈钢罐结构进行储液，通过自吸泵进行抽吸，预先储存在不锈钢罐内，最大储存容量为2 m3～8 m3。抽吸管抽吸口设计有均匀排布的圆孔，防止管底残渣进入管道造成管路堵塞。抽吸管与水泵间设计成钢丝软管连接，增加了抽吸管移动距离，方便现场操作。考虑到液体添加剂使用频率，人工操作的便捷性，液体添加罐前端和后端分别采用电动开关阀控制进液和出液，并且罐底部增加了排液管，方便清洗，添加系统图（见图4）。

图3 混配撬装置

表1 常用液体添加剂种类及功能

2.4 自动控制系统的研制

在配液施工过程中，所有的配液、发液生产过程全部实现自动化控制，生产工艺过程及工艺设备集中由监控站统一进行控制和监控。所有自动化设备及仪表仪器包括混配撬及增稠剂储供控制柜、液体添加控制柜、搅拌机及固体加料控制柜、PLC控制柜、手动操作站等，其中PLC控制柜为整个配液系统的核心控制柜。

根据生产流程开发出：基液配制监控程序、压裂液配制监控程序、液体添加监控程序、固体添加监控程序、压裂液发放监控程序等。所有系统的控制指令都是PLC控制柜发出的，设计的PLC的指令有手动控制和自动控制两种。手动控制为直接点击控制室的触摸屏来人为控制某个电气控制点来执行相应的动作。自动控制是在压裂液配液自动生产过程中，操作人员在操作站触摸屏手动输入配液速度、配比、配液量、调整系数等工作参数后执行自动控制后PLC会自动运行内部程序对整个设备参与配液的各个电气控制点进行控制，使之协同工作完成配液任务。

所有配液数据均可在线显示、即时监控，如配液速度、配液量、下粉速度、下粉量、下料精度等，所有配液设备的工作状态，如电机启停状态、电动阀门的开关状态及计量仪表的测量数据均可实时显示。添加剂的添加过程可实现自动控制，添加种类、加入量和配比设定后，即可自动添加并计量。配液监控程序内设有报警急停程序，在设备出现故障或生产条件不能满足时及时将所有配液设备停机，并给出故障提示，以保护设备，方便故障查找及设备维修。

图4 液体添加剂添加系统

表2 采油厂新建配液站配液参数表

3 工业化现场运用

2010年5月，植物胶高效混配成套技术与装备首次在延长油田亮剑。目前，已在国内油田新建或改建共10余座压裂液配液站，占我国所用新采购配液设备的80%，其中部分采油厂新建配液站配液参数表（见表2）。该技术和装备在现场不断工业试验和应用，技术也逐渐完善，解决了传统的压裂液配液速度慢，人工劳动强度大及容易产生“水包粉”等问题，通过引入植物胶混配成套技术和装备，满足了油田大规模工厂化配液需求。