控温耐压分槽式搅拌装置研制及实验

彭昊 邱伊婕 张俊成

摘      要：聚合物驱油是一种提高采收率的三次采油技术，但存在聚合物大分子悬浮颗粒难以聚沉以及温度对聚合物驱油效果影响较大等问题。鉴于此，设计了可分槽式搅拌中间容器，阐述了该装置的结构组成和工作机理以及主要部件的设计，该装置可实现控温、控压，并可实时测定聚合物黏度。利用该装置，进行了多元复合驱实验，验证了该装置在聚合物黏度测量的可靠性，证实了该装置可用于探究分注或者合注，从而实现不同聚合物的驱油效果，优化层系开发方案，对油气田开发中具有深远意义。

关  键  词：聚合物驱油;搅拌中间容器;控温;耐压;黏度

中图分类号：TQ 027.3+5      文献标识码： A          文章编号： 1671-0460（2019）03-0597-05

Abstract： Polymer flooding is a tertiary oil recovery for enhancing oil recovery， but it is difficult to sink polymer suspension particles， and the effect of temperature on polymer flooding is obvious. In view of these， a slot-type stirring tundish was designed， the structure and working mechanism of the device were elaborated as well as the design of the main components， the device can realize temperature control and pressure control， and can measure the viscosity of polymer in real time. By using the device， the multiplex flooding experiments were carried out， the reliability of the device in the polymer viscosity measurement was verified， the device can be used to explore the separated injection or the combined injection， so as to realize the oil displacement effect of different polymers and optimize the development of the layer system， which has far-reaching significance in the development of oil and gas.

Key words： Polymer oil flooding;Stirring tundish ; Temperature control; Pressure resistance;Viscosity

当前国内大量水驱油田已进入年产量下降的高或特高含水期[1]，由于储层的非均质性及不同流度比使得油田仍残余大量油，具体表现在产量低，含水率高且经济效益较低[2，3]。为了使油田能保持较长的稳产时间及较高的产油能力。许多油田普遍开始采用二次或三次采油技术提高原油采收率[4]，聚合物驱油是最常见的技术手段之一[5]。聚合物驱油是向地层中注入聚合物进行驱油的一种增产措施，在宏观上，它主要靠增加驱替液黏度，降低驱替液和被驱替液的流度比，从而扩大波及体积;在微观上，聚合物由于其固有的粘弹性，在流动过程中产生对油膜或油滴的拉伸作用，增加了携带力，提高了微观洗油效率[6，7]，同时还可以逐步稳定开采指数和溶液量。

中间容器是聚合物驱的必要设备，传统的中间容器采用的单溶液驱替，对于复杂的混合驱替需要多组中间容器混合使用，由于不同温度以及黏度的聚合物对探究驱油效率实验数据具有影响，使得多个中间容器使用无法保证多种聚合物的温度条件以及搅拌条件相同，对数据的准确性造成影响。

针对上述问题，笔者设计了控温耐压可测黏度的分槽式搅拌中间容器，以降低外界因素对实验影响的，并探究了黏度的精度，同时采用实验的方法来评价了该装置的实际效果，以期为后续的聚合物驱油实验的相关研究提供参考。

1  室内驱油实验装置及过程

1.1  实验装置流程

整套室内驱油实验包括6个结构分别为岩心驱替装置、六通阀、搅拌中间容器、压力表、岩心夹持器、手摇泵、回压阀。系统组成见图1。

本套实验首先通过岩心驱替装置将地层水注入到搅拌中间容器中然后通过预先设置的温度和转速，将筒内的聚合物搅拌均匀达到要求黏度后注入到岩心夹持器中，根据量筒中的产液量计算采收率。

1.2  控温耐压可测黏度的搅拌中间容器装置构造

1.2.1  装置设计图详细说明参见图2-4。

1.2.2  装置原理

本装置包括支架1、压力筒2、搅拌筒3以及搅拌机构4，其中搅拌筒3的两侧固定设置在支架1上，压力筒2的腔体与搅拌筒3的腔體连通，搅拌筒3的腔体内设有可滑动的活塞5，活塞5的侧面与搅拌筒的壁面贴合，搅拌腔由隔离组件隔离呈两个单元腔6，隔离组件包括上隔离板8和下隔离板9，设置的滑槽7用于容纳隔离组件，使上隔离板8的下端能上下滑动。隔离板8的上端面与活塞5的下端面贴合固定，下隔离板9的底部端面与搅拌筒3的底部贴合固定，下隔离板8和9的侧边壁面与搅拌筒3侧边壁面贴合固定。搅拌机构4包括两组搅拌桨10、若干从动齿轮11、主动齿轮12以及驱动电机13，两组搅拌桨10分别设置在对应的单元腔6的底部，搅拌桨10的转动轴14的一端套设并固定在对应的从动齿轮11的轴孔内，从动齿轮11与驱动齿轮啮合，驱动电机13的连接轴套设在主动齿轮12的轴孔内并固定，压力筒2设置有连接驱替装置的注入口17，单元腔6分别设置出液口18，并且驱动电机13为变速电机，单元腔6内设置有黏度传感器，黏度传感器与控制面板的数显屏（LED屏）连接数字显示，使得通过黏度传感器掌握每个单元腔6内的聚合物的黏度数据，并与控制面板的数显屏连接，使得黏度数值数显。搅拌筒3的外侧套设有外套筒15，其外壁面与外套筒15的内壁面件设置有间隙构成加热腔，加热腔内设置有电加热丝组16，电加热丝组16与电加热控制器连接，用于调节电加热丝的发热功率。电加热腔内设置有温度传感器，通过温度传感器掌握每个单元腔6内的聚合物的温度数据，通过控制面板19的数显屏连接，显示其温度值。驱动电机13连接转速传感器，该传感器与控制面板19的数显屏连接，通过对电机的转速进行掌握从而数显，注入口17以及出液口18均设置有阀体。并且因O形圈结构简单，装配方便[8]等优点故该装置采用橡胶O形密封圈密封，既能不漏液又能节约成本。

本装置在使用时：注入口17连接驱替设备，出液口18连接岩心加持装置，驱替相进入压力筒2的腔体，推动活塞5向下运动，聚合物被排入岩心加持装置进行驱动，在实际实验中，可自由选用需要数量的单元腔6进行聚合物搅拌以及驱替，即可完成单相驱替或者多元复合驱替实验。

2  主要部件设计

2.1  中间容器设计

2.1.1  技术参数

① 容积： （500±20）mL;

② 工作压力： 20 MPa，容器试压值为50 MPa;

③ 搅拌介质： 聚合物颗粒，机械杂质浓度≤1%， 颗粒最大直径≤ 30μm， 颗粒中值直径≤ 25μm; 搅拌要求： 保证颗粒不下沉， 保证不改变聚合物的物理性质;

④ 要求容器具有耐腐蚀能力[9]。

2.1.2  容器的强度设计

经计算δ=13.39 mm， 腐蚀裕量C1=0 0Cr18Ni9 按GB4237取负偏差增加0.8 mm， 其设计厚度δd=δ+ C1= 13.39 mm， 名义厚度δn为14.19 mm， 考虑实验操作过程中安全问题和压力欠稳定等问题， 实际取壁厚T=15 mm， 容器的主要尺寸采用类比法， 参见图5， D3=170 mm， D1=190 mm， D2=125 mm， h1=120 mm， h3=100 mm; h2=300 mm（图5）。

2.4  控温原理分析

2.4.1  电加热丝

设计一种新型的安全且加热效率高的螺旋式碳纤维电加热丝，这种的碳纤维材料的电加热丝可多根串联组成，因此使用寿命长。在其两端设有与其紧密接触的第一插头和第二插头，并且表面附着定型涂层防止加热时回弹和变形。将该加热丝装入加热腔中，两个插头分别连接在加热腔上下两端，并充填导热粉后密封加热腔。该电加热丝安装简单，安装效率相比传统技术提高4～6倍，如图6。

2.4.2  温度传感器

本装置采用热电偶温度传感器[12]，该传感器基于热电效应原理的测温传感器，当两个电极组合一个闭合回路时，只要两节点温度不同，回路中就有热电动势产生。将该传感器与显示屏连接，根据热电动势显示相应数值。

2.5  搅拌装置设计

2.5.1  搅拌装置

采用德国“欧洲之星”系列的 IKA EUROSTAR 搅拌装置，其组成为：支架、机头和搅拌桨[13]。

2.5.2  IKA 软件

IKA 系列搅拌器可通过 Labword soft 软件与电脑相连，实现参数的调整、输入与数据的测量、输出。Labword soft 软件不仅可以适用于搅拌器系列，而且可以和很多实验设备相连，进行大型实验的总体控制与测量。可通过此软件读出扭矩和转速等值[13]， 如图7。

2.5.3  搅拌桨设计

2.5.4  转速传感器

采用一种智能传感器通过变速电动机的高压转子传动齿轮、中心传动组件上的齿轮及发电机传动齿轮以相同的传动比将扭矩从高压涡轮转子传递到发电机上，带动发电机工作。发电机输出电压信号特征与发电机的转子转速有直接关系[14]，故发电机转子转速可通过分析发电机输出信号特征就可以知道，同时在显示屏显示出搅拌器转速。并且该变速电动机设有紧急制动装置，安全高效。

2.5.5  黏度傳感器

采用在线黏度传感器，通过电动机的转子转速算出流体的瞬时剪切速率和粘性力，即时温度值通过在线黏度测量系统软件[15]，以及在参数设置区所确定的参数计算出黏度值转换为电信号在显示屏显示出流体的黏度。

3  实验检测

3.1  驱油准备方案

（1）实验原油：采用胜利油田原油，配置煤油使黏度至17.2 mPa·s;

（2）实验用水：胜利油田注入水;

（3）实验用岩心：均质岩心（渗透率758 mD），规格：5 cm×5 cm×24.3 cm，岩心饱和油61.8%;

（4）实验驱油剂：聚合物SNF 3640D;表面活性剂HDS;

（5）岩心数据采集点不少于10个点，包括启动压力、围压、温度、产液量、含水率。

3.2  实验驱替方案

实验驱替方案见表2。

3.3  实验数据绘图

均质岩心经过抽真空、饱和地层水、油驱水建立束缚水饱和度、老化48 h后开始地层水驱，水驱至含水率到65%后，注入聚合物及表面活性剂，直至含水率达到98%结束。得到注入PV数与含水率和采出程度的变化规律。如图8。

3.4  黏度精度分析

以不同黏度的聚丙烯酰胺水溶液作为对象，将溶液黏度配置在预定范围内，测量多种不同数据，如表3。

表中的测量数据和实际数据皆以多次测量取得平均值。如表可见，对于不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液，测量值与实际值之间存在误差且黏度越高测量值愈接近实际值。

4  结 语

（1）设计了一种控温耐压可测黏度的分槽式搅拌中间容器，该装置功能齐全，实现了控制温度、耐高压、可测黏度、控制转速等多功能。

（2）该装置探究聚合物（试剂）驱油时，使得多种聚合物（试剂）在对应的单元腔内在根据实验要求设置相同的温度以及转速下搅拌转动，测其黏度并将搅拌后的多种试剂通过各自的出液口排入岩心加持装置中，完成多元复合驱实验，同时可根据实验需要打开一个或两个出液口进行分注或者合注从而探究不同聚合物的驱油效果。

（3）该装置可以根据设置不同温度不同转速探究聚合物（试剂）在黏着程度、注入速度、浓度等因素影响下的驱油效果。

（4）该装置的数显屏为LED屏在光线较暗的环境下也可以正常读数，在现场开发也有重大意义;在支架底部设置四组万向轮便于移动。

参考文献：

[1]冷俊，潘一，李东胜，李晓鸥.油田化学驱油技术的应用[J].当代化工，2014，43（08）：1495-1497+1501.

[2]张斌. 非均相复合体系PPG驱替残余油机理研究[D].中国石油大学（华东），2015.

[3]张传河，李建红.储层非均质性研究现状与展望[J].煤炭技术，2011，30（09）：232-233.

[4]程杰成，吴军政，胡俊卿.三元复合驱提高原油采收率关键理论与技术[J].石油学报，2014，35（02）：310-318.

[5]王凤刚，侯吉瑞，赵凤兰，郝宏达，娄志浩.高温油藏中梳形聚合物驱油技术可行性研究[J].油田化学，2014，31（04）：559-563.

[6]郑波，侯吉瑞，张蔓，宋兆杰，王楠.应用CT技术研究交联聚合物驱油机理[J].新疆石油地质，2016，37（01）：97-101.

[7]龙永福，徐艳丽，王伟华，胡志杰，王涛，薛静.五里湾长6油藏表面活性剂复合调驱技术研究及试验[J].石油化工应用，2011，30（02）：31-35.

[8]莫丽，王军，管西旗.石油机械中O形密封圈的动密封特性分析[J].石油機械，2014，42（01）：103-107.

[9]邓茂云，伍开松，熊汉桥.油田注入水中机械杂质悬浮装置的研制[J].西南石油学院学报，2000（01）：84-86+0.

[10]濮良贵， 陈国定， 吴立言. 机械设计[M]. 第9版.北京：高等教育出版社， 2013.

[11]朱开源. 液压与气动传动控制[M]. 北京： 中国劳动社会保障出版社， 2014.

[12]朱晓旭，周修文.温度传感器[J].电子测试， 2013 （5）： 1000-8519.

[13]秦学民. 筒式搅拌器的研制及其搅拌性能研究[D].大庆石油学院，2008.

[14]张世英，于玺兴，朱杰堂，胡宇.智能转速传感器设计[J].传感技术学报，2011，24（02）：313-316.

[15]赵梦军. 基于旋转式的液体流变特性检测装置软件设计[D].南京邮电大学，2016.