海上平台驱油聚合物加速溶解装置研究与性能评价

舒 政，王同旺，廖 东，齐 勇，陈佳钰，程飞豹，杨雅兰

1油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学 2 西南石油大学石油与天然气工程学院 3 中国石化西南油气分公司采气二厂

0 引言

聚合物驱作为目前国内外流行的提高原油采收率的三次采油技术，在陆上油田得到了广泛的应用并且其技术日趋成熟，主要机理是通过增加水相黏度，降低水油流度比，增大注入水在油层中的波及体积来提高采收率[1- 7]。我国海上油田聚合物驱油技术于2003年在渤海油田展开首次单井注入试验并取得了显著效果。随着海上油田的不断开发，聚合物驱油技术的应用规模逐渐扩大[8]。

海上平台的面积、空间和承重严重受限，单位面积造价昂贵，配制聚合物的面积只有陆地油田的5%～10%。现有的陆上油田成熟的聚合物配制系统无法在海上平台使用，再加上海上平台所使用的疏水缔合聚合物比常规线性聚合物溶解性能更差，导致海上平台使用聚合物驱的难度进一步增大。

目前海上平台聚合物驱目前面临的问题是聚合物溶解时间长，这势必会导致聚合物配制系统中的溶解罐和熟化罐的体积和重量大大增加[9- 10]，这与海上平台空间和承重有限相矛盾，针对此问题设计了海上平台聚合物分级强制拉伸装置。

1 结构设计

1.1 结构

海上平台聚合物分级强制拉伸装置采用两级机械拉伸结构，由一个动齿盘和两个定齿盘(上定齿盘和下定齿盘)组成，齿盘的核心结构是由若干条直径不相同的同心圆齿圈相互连接构成，上定齿盘和下定齿盘中的齿圈组合形成多个聚合物速溶通道，当聚合物通过此通道后被强制拉升，和配液水接触后可以快速溶解。其中，上定齿圈与动齿圈的配合形成一级速溶结构环，下定齿圈与动齿圈的配合形成二级速溶结构环，结构示意图见图1。

聚合物溶胀颗粒进入装置发生强制拉升后在高压力的作用下，少部分产物会吸附在上定齿盘表面，为了防止发生大面积堆积导致拉伸通道发生堵塞，影响聚合物溶解的现场工程作业，在装置的上定齿盘上安装了清洁器，见图2。具有以下三点作用：①加强聚合物溶胀颗粒与配液水的混合效果，避免聚合物溶胀颗粒在齿盘某部分大面积沉积停留；②清洁上定齿盘上吸附的聚合物溶胀颗粒，防止堵塞拉伸通道；③清洁器转动过程中会产生一定的推力，迫使溶液向前运动快速进入强制拉伸装置中。

图1 装置内部结构示意图

图2 聚合物快速溶解装置

1.2 工作原理

由于聚合物颗粒和水分子的尺寸相差悬殊，且两者的运动速度相差更大，聚合物颗粒向水中的扩散速度相较水分子向聚合物干粉颗粒中扩散速度非常缓慢。聚合物溶解要经过三个阶段：溶胀阶段、溶解阶段和熟化阶段。相关研究表明聚合物溶解速度正比于颗粒的比表面积[11]。

(1)

式中：G—单位时间聚合物的溶解量，g/s；S—单位表面积的溶解速度，g/(s·cm2)；A—颗粒比表面积，cm2/g；W—聚合物质量，g；ρ—聚合物密度，g/cm3；d—颗粒直径，cm。

因此，聚合物颗粒与水接触的比表面积成为影响聚合物溶解速度的关键因素，比表面积越大聚合物溶解速度越快。海上平台聚合物分级强制拉伸装置的动定齿盘相互啮合形成多个两级速溶环，聚合物干粉颗粒在溶解罐中分散混合形成溶胀颗粒后，经转液泵送至海上平台聚合物分级强制拉伸装置入口，在两级速溶环相对运动的剪切作用下，聚合物溶胀颗粒的表面溶胀层发生剥离，使内部未溶胀部分与能够快速与水接触，增加聚合物颗粒与水接触的比表面积，提高水聚双向渗透速度，从而缩短聚合物溶解时间。

2 流场数值模拟

2.1 流场模型

2.1.1 计算模型

模拟计算模型选择Realizable k- e，此模型的雷诺应力与真实湍流相同，可以精确地模拟平面和圆形射流的扩散速度，在旋流计算、带方向压强梯度的边界层计算以及分离流计算的问题中，计算结果更符合真实情况。

2.1.2 边界条件

模拟过程与实际生产相结合，排量为12 m3/h，进口质量流量为3.33 kg/s，给定质量边界后，每个流道自动分配流量。

边界条件设定：

(1)压力入口0.1 MPa。

(2)动齿转速24 r/s。

(3)外部环境压力0.1 MPa。

(4)压力出口为0。

(5)液体黏度10 mPa·s。

2.1.3 模型建立

为保证网格质量先建立流体区域1/11模型的一半，再得到整体计算区域。通过ICEM进行结构化网格划分，在主要压降的位置划分边界层，确保所有细小部分的网格都可以满足条件(见图3)。

图3 整体计算区域网格

2.2 结果分析与讨论

2.2.1 压损变化

模拟研究溶液黏度为10 mPa·s时速溶装置的静压分布情况和下定齿与动齿之间动压分布，模拟结果见图4、图5。

图4 黏度为10 mPa·s的静压分布

图5 装置局部动压分布

由图4可知，装置压损主要集中于下定齿与动齿之间，静压从左向右逐渐减小，说明溶液通过装置下部分即下定齿盘与动齿盘之间的活动间隙的能力逐渐减弱。中间空隙流体和上部分流体间的压力下降幅度较大，在动齿附近压力下降幅度较小，压力损失主要发生在下定齿与动齿盘之间，对聚合物溶胀颗粒强制拉伸作用明显。

由图5可知，在下定齿与动齿之间，由于齿轮之间缝隙减小，装置动压达到最大值，聚合物溶胀颗粒表层的溶胀层被剥离，未溶胀部分快速的与水接触，提高水聚双向渗透速度，在此处通过强制拉伸，加速其溶解过程。

2.2.2 速度矢量

分别对聚合物溶液在单一通道中的速度矢量、单一动齿两侧通道的速度矢量及在整个过流通道截面中的速度矢量进行数值模拟，结果见图6、图7。

图6 单一通道(左)及动齿两侧(右)通道速度矢量

图7 整个过流通道截面的速度矢量

由图6可知，在单一通道中，越贴近壁面，速度矢量就越大，此时切应力越强，有利于强制拉伸聚合物溶胀颗粒；在单一动齿两侧通道中，溶液在下定齿与动齿之间时，流速的突然上升，而后进入宽阔区域，冲击下方流体，形成较规则漩涡，流出拉伸缝的流体形成漩涡回流，经清洁器分散后与高压水混合备用。

由图7可知，在整个过流通道截面中，越靠近外侧的过流通道，溶液的速度矢量就越大，且轴向速度相比径向旋转速度较小，说明对聚合物溶胀颗粒的横向拉伸作用越强，可以有效的减小溶胀颗粒的粒径，加速聚合物的溶解。

在动齿盘中心位置对径向速度分布进行监测，并利用X-coordinate进行分析，模拟结果见图8。

图8 速度通道的径向速度分布

由图8可以看出，速溶环半径与溶液通过间隙的径向速度成正比。越靠近外侧，动齿盘带动的流动速度越大，聚合物溶液在外侧更容易溶解。

通过上述模拟研究发现动压分布主要集中在下定齿盘与动齿盘之间，下定齿盘与动齿盘之间的间隙大小决定了聚合物溶胀颗粒的溶解效率；速溶环半径与溶液通过间隙的径向速度成正比，速度的方向为切向。

3 速溶效果评价

结合模拟结构设计并加工出聚合物分级强制拉伸装置，装置占地面积仅为0.96 m2，是陆地油田聚合物溶解装置占地面积的5%～10%，为海上平台聚合物驱的应用提供了支持。渤海油田海上平台使用该装置对疏水缔合聚合物AP- P4的溶解进行了现场测试，其结果见图9。

图9 分级强制拉伸速溶装置前后聚合物AP- P4溶解时间与黏度变化曲线

由图9可知，经过聚合物分级强制拉伸装置后，聚合物AP- P4的基本溶解时间由80 min缩短至40 min左右，且基本溶解时溶液黏度相差不大，黏度保留率达90%以上。

4 结论

(1)海上平台聚合物分级强制拉伸装置的压损主要集中于下定齿盘与动齿盘之间，且此处装置动压达到最大值，说明此处强制拉伸作用明显，齿盘之间的间隙大小决定了聚合物溶胀颗粒的溶解效率。

(2)在单一过流通道中，速度矢量大小与流体和管壁间的距离成正相关，流体和管壁间的距离越近，其切应力越强，越有利于强制拉伸聚合物溶胀颗粒，越有利于强制拉伸。

(3)经过强制拉伸装置后，聚合物AP- P4的基本溶解时间缩短50%，该装置对聚合物快速溶解效果显著，且对溶液黏度无明显影响。