一种应用于石油工业的低密度颗粒的加注装置

江文博　何锛丞　都旭　孙荣

【摘 要】针对油气藏开采过程中低密度颗粒封堵洞空隙时注入效率较低、混入效果较差的问题，研制了一种低密度颗粒的加注装置。低密度颗粒加注装置主要是由分支管、固液混合装置、主水管、加压泵等组成。低密度颗粒加注装置具有结构简单、实用性强、效率高、安全性高等特点。

【关键词】油气藏开采；封堵孔隙；低密度颗粒；加注装置

0 引言

在碳酸盐岩油气储层开采过程中常使用水驱采油技术，但在工程注水作业中水流往往会向非期望的缝洞渗透。用低密度颗粒（密度略小于水）封堵缝洞空隙是工程中解决上述问题的一种常见方案。目前，市场上现有加注装置虽能够将部分低密度颗粒混入水中，但注入效率较低，且会出现低密度颗粒漂浮在水面上的问题，混入效果较差，远不能满足工程上作业的需求。因此设计能够解决该问题的一种低密度颗粒的加注装置成为一个亟待解决的问题。到目前为止，市场上尚未出现结构简单，实用性强，效率高，安全性高的一种低密度颗粒的加注装置。我们的团队在现有技术的基础上，基于工程上的实际需要设计了一种可应用于石油工业的低密度颗粒的加注装置。

1 装置设计

1.1 装置构造

如图1所示，该装置包括分支管、固液混合装置、主水管、加压泵。其中，如图2所示，固液混合装置包括颗粒入口、外壳、带滑片叶轮、旋转轮轴、注水口、混合液体出口。

1.分支管；2.固液混合装置；3.主水管；4.加压泵

图1 系统总体结构图

2-1—加料口；2-2a —柱面外壳；2-2b—固定后底面外壳；2-2c—可旋转前底面外壳；2-3—叶轮；2-4—可伸缩滑片；2-5—带孔外圈；2-6—轨道；2-7—排水口；2-8—滚柱轴承；2-9—注水口；2-10—固液混合物出口；2-11—内圈

图2 固液混合装置左剖视图及主视图

（1）轮盘。轮盘分为前轮盘和后轮盘，其中后轮盘固定，前轮盘可旋转。工作时，叶轮（其上装有滑片）固定在前轮盘上，驱动装置带动前轮盘和叶轮一起转动。

（2）叶轮。叶轮前端有可自由伸缩的滑片，叶轮旋转时，前端的滑片在固定轨道上运动。

（3）主水管和分支管。主水管与分支水管连通，分支管内的水流流经固液混合装置后与主水管中的水流汇合。

（4）喉管。分支管道与主水管相连处的管径突缩，文丘里管式的设计，收缩段锥角20°，扩散段锥角8°，用以提高固液二相的混入效率。

（5）加压水泵。将管道内液体的压强由1MPa左右加压到10MPa以上。

（6）偏心轴的外壳。圆柱形外壳，驱动轴的安装位置采用偏心设计，以便于腔体内多余水分的排出。

（注：各零件采用可拆卸设计，如出现磨损可以单独更换）

1.2 工作原理

轻质颗粒通过装置上方的颗粒入口进入固液混合装置的腔体内，装置启动后，由动力装置带动固定在前轮盘上的叶轮逆时针旋转，从而携带颗粒随叶轮一起向下运动。当颗粒随叶轮到达分支管在固液混合装置的入口处时，在竖直向下的水流冲刷下，固体颗粒与管道内的液体混合，汇入下方主水管。固液混合流出口处的分支管道与下方主管道的喉管相连，利用文丘里效应，固液混合流由此迅速向下流动汇入下方主管道内，在主管道内单向水流的作用下，颗粒随水流向右流动。叶轮继续旋转，到达固液混合装置腔体的右侧时，滑片收缩，腔体的体积变小，利用偏心的设计，使得从固液混合处进入右侧腔体中多余的水从右侧的排水口被顺利排出，而后叶轮继续旋转，到达颗粒入口处，进行下一轮运送。该过程如此循环往复，可实现低密度颗粒的连续加注。

其中，装置喷出的水流来源于主水管分出的一条分支路管。滑片滑动过程中始终受到外侧轨道的约束。

2 装置优势与预期效果

2.1 预期效果

（1）该装置可应用于石油工业中碳酸盐岩储层封堵裂缝过程中钻井液管道内超轻封堵颗粒的注入。

（2）该装置可应用于石油工业对井下作业液成分进行必要的添加。

（3）该装置可扩展到其他领域应用于管道内固液二相的混合，且对低密度颗粒低压混流时有较好表现。（ρ颗粒/ρ液体≈1.0，P<=1.5MPa）

2.2 装置优点

本装置主要有以下几个方面的优点：

（1）与传统的工艺相比，本装置较好的解决了轻质颗粒无法下沉的问题。注入固体颗粒后，固体颗粒在旋转叶片的带动下与管道内的水流汇合，与本装置相连的管道内的水流具有较大的流速，且只能单向向下流动，可有效的携带颗粒进入管道内部。固液混合处的下方的主水管的管径较细，降低了汇流处的压强，给流体提供一个外在吸力，喉管处水流速较快，便于颗粒被水流迅速冲走，有利于提高液体携带颗粒的效率。

（2）本装置可实现向中高压的管道内注入颗粒且具有良好的密封性能。葉轮只能单向旋转（逆时针），有效的避免了管道内的液体通过装置而喷出的问题，该装置可在中高压管道的条件下工作；此外，叶轮旋转产生的离心力以及装置的偏心设计，都更加有利于该装置中由出水口进入右侧腔体内的多余液体的排出。

（3）装置结构简单，所需驱动的泵装置较少，造价低。装置的构成部件简单且方便加工，同时，装置内的所有部件都可拆卸。滑片用铸铁材料制成，有效地增强了该装置的密闭性能。如有损坏磨损（特别是滑片），可及时拆卸更换。

（4）颗粒的混入速度可调节。装置叶轮的转速可通过调节驱动装置来进行调节，进而达到控制加入轻质颗粒速度的目的，以满足不同工程条件下的生产需要。endprint