第六章聚合物驱油地面工艺技术

第六章聚合物驱油地面工艺技术

第一节 聚合物驱油地面工艺流程及装置

聚合物注入工艺流程：聚合物干粉与低压水经混合头进入分散装置溶解罐，形成聚合物混合液。通过混输泵进入熟化罐经2小时熟化后，形成一定浓度的标准母液，最后进入储存罐。然后通过过滤器经螺杆泵升压后到达注聚泵入口。注聚泵根据单井配注方案，调整至一定流量，聚合物母液二次升压后，在静态混合器与注水站送来的高压污水配制成一定段塞浓度的聚合物溶液，经单井管线进入注聚井。即配比→分散→熟化→转输→过滤→储存罐→螺杆泵升压→过滤器→柱塞泵配比→混合器混合→注入。目前许多注聚流程中已经不存在储罐，配置好的母液在熟化罐中熟化好后，就等待外输，见图6-1。

图6-1 聚合物注入工艺流程

聚合物驱油地面工艺流程的关键环节是如何配制聚合物溶液。聚合物主要有3种物理形

态:即乳液聚合物、水溶液聚合物和固体粉状聚合物。使用乳液聚合物、水溶液聚合物进行驱油时，只需将其用注入泵点注到注入水中即可，而使用固体粉状聚合物进行驱油时，就要考虑聚合物的分散、溶解、熟化等溶液配制过程。需要特别指出的是，整

个配制及注人过程都要防止聚合物溶液产生降解。本节主要介绍固体粉状聚合物的配注工艺过程，包括目的液流程和在线混配流程。

一、聚合物溶液配制过程

聚合物溶液配制过程为：

聚合物干粉配比→分散→熟化→转输→过滤→储存，见图6-2

图6-2 聚合物溶液配制过程图

所谓“配比”

就是在水和聚合物干粉分散混合之前，对水和聚合物干粉分别进行计量，并使水和聚合物干粉按一定比例进入下一道“分散”工序。

所谓“分散”就是将聚合物干粉颗粒均匀地散步在一定量的水中，并使聚合物干粉颗粒充分润湿，为下一道工序“熟化”准备条件。

所谓“熟化”就是将聚合物干粉颗粒在水中分散体系

转变为溶液的过程。聚合物属高分子物质，其溶解与低分子物质的溶

解不同。首先聚合物分子与水分子的尺寸相差悬殊，两者的运动速度也相差很大，水分子能比较快地渗入聚合物分子，而聚合物向水中的扩散却非常缓慢。这样，聚合物溶解过程要经过两个阶段，首先是水分子渗入聚合物分子内部，使聚合物体积膨胀，这称为“溶胀”；

然后才是聚合物分子均匀分散在水分子中，形成完全溶解的分子分散体系，即溶液。

所谓“转输”

是利用螺杆泵为聚合物溶液的过滤和输送提供动力，由熟化罐到达储罐或由储罐进入注入站。采用螺杆泵主要是为了减少聚合物溶液的机械降解。

“过滤”是为了除去聚合物溶液中的机械杂质和没有充分溶解的结块和

“鱼眼”。具体配制步骤:

（1）聚合物干粉的添加。采用人工或天吊吊运聚合物干粉加入

料斗，料斗的添加口处应安装过滤筐，过滤干粉中的杂物。

（2）聚合物干粉的分散润湿。该过程是聚合物溶液配制的关键，主要是通过下料器频率来控制溶液的浓度，所以定期校验计量下料器频率和聚合物母液浓度的关系曲线至关重

要。在分散润湿过程中要及时在现场通过看窗检查计量下料器和水粉混合器的工作状态，发现问题及时处理。

（3）聚合物母液的熟化。熟化是聚合物在水中部分水解并充分溶解，以获得所要求粘度的化学变化和物理变化的综合过程。聚合物干粉经分散装置润湿后，仍需悬浮在水中一定时间，一般为2小时，才能充分溶解，若水温过低还需更长时间，工艺上把这段时间称为熟化。经分散装置配成的聚合物母液进入熟化罐后的熟化时间不低于2小时，在熟化时间内搅拌机应连续运转，母液在熟化罐内的停留时间不得超过24小时。

（4）聚合物母液的转输过滤。母液从熟化罐到储罐的转输是由螺杆泵来完成的。转输过程中同时进行的两级过滤，主要是严格控制两级过滤器的总压差，及时更换精滤器的滤袋。

图6-3 注聚站工艺流程

配制好的聚合物溶液，经高压往复泵（或计量）泵增压，按配制要求计量，进入到高压注水管线中，与注入水的低矿化度水、经静态混合器混合稀释注入井中，见图6-3。至此，配制过程和注入过程全部完毕。

二、已经形成的聚合物驱油地面工艺流程

经过多年的不断实践和试验研究，已经形成了几种聚合物驱油地面工艺流程。从大的范围看，这些流程可以分为配注合一流程和配注分开流程两大类。所谓配注合一流程，就是将聚合物溶液的配制过程和注入过程合二为一，统一建在一个站内的流程；

配注分开流程，就是集中建设大型聚合物配制站，分散建设注入站，一座配制站供给

多个注人站的流程。

配注合一流程主要适用于配制注入量较小的小规模聚合物驱油区块；

配注分开流程更适合于大规模进行聚合物驱油的区块。图6-4给出的是一个典型的聚合物溶液配制流程图。

图6-4聚合物溶液配制流程图

聚合物母液输送一般采用螺杆泵，远距离输送应使用二级或三级螺杆泵；输送管线的长度、内径及聚合物溶液在管线中的流速，对聚合物溶液的粘度损失都有影响，试验研究表明：聚合物配制站到最远注入站的母液输送管线不应大于6km，流速不应大于

0.6m/s，剪切速率不应大于90s-1。

目前我国聚合物注入流程主要有两种，一种是单泵单井流程，另一种是多井流程。单泵单井流程，就是由一台柱塞泵供给高压高浓度聚合物溶液，该溶液与高压离心泵供给的高压水混合，然后送给注入井，一台泵对一口井。这种流程的优点是每台泵与每口的压力、流量均互相对应，不需节流，能量利用充分，单井注入方案比较容易改变，缺点是设备多，投资高，维护量大。一泵多井流程，就是一台泵给多口注入井供液，注入井井口加流量调节器调控液量及压力。该流程的优点是柱塞泵、静态混合器等设备少，流程简化，投资少，维护工作量少，缺点是全系统为一个压力，注入井单井压力、流量调节损失能量，单井注入方案不好调整，增加了流量调节器的成本。

三、聚合物驱油地面工艺流程的特点

聚合物驱油地面工艺流程与水驱地面工艺流程相比，具有以下几个特点：

1、水驱地面工艺流程中，不存在聚合物的分散、熟化、储存等问题；而聚合物的分散、熟化、储存是聚合物驱油地面工艺流程中的重要内容。

2、水驱地面工艺流程中，水的输送、升压注人，均采用离心水泵；而聚合物驱油地面工艺流程中，聚合物溶液的输送、升压注入，均采用容积式泵，其中聚合物溶液的输送多采用螺杆泵，升压注入多采用高压往复泵。这一方面是由于离心泵输送粘稠液体时效率很低，另一方面是由于聚合物溶液经过离心泵高速剪切后，会造成降解。

3、水驱地面工艺流程中，水的计量多采用速度式流量计(如普通蜗轮流量计) ；而聚合物

驱油地面工艺流程中，聚合物溶液的计量不能采用速度式流量计，而是采用容积式流

量计

(如弹性刮板流量计或电磁流量计)。这是由于聚合物溶液是剪切稀化型非牛顿流体，

而增大

压降后，剪切稀化流体的流量增大的幅度比牛顿流体要大得多。由于牛顿流体与幂

律流体的

压降与流量的关系不同，因此，不能把以牛顿流体压降原理设计的流量计移用于幂

律流体。同时由于剪切稀化流体其压降对流量变化的反应是不灵敏的。对高度非牛顿

性流体也不宜采用压降原理设计流量计。

4、注入泵供液方式不同。水驱地面工艺流程中，注水泵多为高压离心泵，也有少量规模较小的注水站采用高压往复泵，注入泵供液方式大多是自吸式和离心泵喂液方式。而聚合物驱油地面工艺流程中，聚合物溶液的注入泵采用高压往复泵，而往复泵的入口，往往需0.03MPa左右的供液压力。为了满足这一条件，聚合物驱油地面工艺流程中，注入泵的供液采用了以下几种方式：

（1）

调速螺杆泵喂液方式。由于螺杆泵和注入泵都是容积式泵，所以为了供液和注入泵的

平稳，喂液用螺杆泵必须考虑能够调整排量；

（2）螺杆泵喂液加部分回流方式。这种方式是在螺杆泵选型时，使其排量稍大于注入泵的总注入量，在注入泵汇管上增加一根回流管道，将多余的聚合物回流到聚合物溶液的储存罐内，从而保证注入泵的平稳运行。这种供液方式的关键是，回流管在聚合物溶液储存罐内的出口一定要高于3.5m；

（3）高架储罐自然供液方式。这种方式是将聚合物储罐高架至3.5m以上，然后靠聚合物溶液的自然压头给注入泵供液。

这几种供液方式各有特点，在聚合物驱工程中均有应用。

第二节聚合物分散装置

一、概述

聚合物干粉分散装置是注聚合物工艺中的核心设备。这套装置的性能将直接影响整套注聚合物系统的运行和驱油效果的优劣。因此，选定聚合物干粉分散装置的性能参数时，要慎重考虑，制定出合理、可行的设计方案。分散装置的主要技术参数包括供水压力、额定配制溶液量、额定配液浓度、整机功率等。

聚合物干粉分散装置的作用，是把一定重量的聚合物干粉均匀的溶于一定重量的水中，配制成确定浓度的混合溶液，然后输送到熟化罐中熟化。这就决定了聚合物干粉分散装置的工作原理和基本结构大致上都是相同或相似，其差别只是规模的大小和自动化控制程度的高低。聚合物干粉分散装置都由以下五个基本部分组

成:1)加聚合物干粉部分；2)加清水部部分；3)混合、搅拌部分；4)混合溶液输送部分组成；5)自动控制部分。

聚合物是一种高分子化合物，溶于水后粘度很大，注入油层之后，可以增加波及体积，提高原油采收率。但是，聚合物(聚丙稀酰

胺)是一种化学结构性质不很稳定的物质，一些物理、

化学、温度、细菌微生物等因素都要破坏其分子结构，导致溶

液粘度的下降。因此，在设计

和选用聚合物干粉分散装置的零部件时，一定要充分考虑到这些因素，防止由于存在这些

素而使聚合物溶液的粘度下降。据美国《提高原油采收率》一文介绍，化学因素能使聚合物溶液的粘度下降90%以上。因此和选用聚合物干粉分散装置时，应把化学因素放在首位。聚合物溶液对铁离子十分敏感，首先要消除其对聚合物溶液的影响。所以在材质上要求:凡是和

聚合物溶液接触的管线、容器、泵和阀门等均应选用不锈钢或环氧树脂玻璃钢衬里结构，考虑

到我国材料的现状，若全都采用不锈钢材质其造价就会大幅度上升而影响装置经济性。所以尽

可能地应用环氧树脂玻璃钢衬里结构或其它新型结构，以降低其制造成本。其次还要引入一个

剪切速率的概念:即运动部件在聚合物溶液中做剪切方向运动时的速率。一般来说，在聚合物

溶液运动部件的剪切速率过大，则聚合物分子将受到不同程度的破坏，导致聚合物溶液粘

度的下降，所以在设计和选用聚合物干粉装置时也应充分注意到这一点，应尽可能降低部件的剪切速率来达到降低聚合物溶液粘度损失的目的。据对现有注聚合物装置的调查来看，泵类的剪切速率小于60s一1，搅拌器类的剪切速率小于500s-1，聚合物的粘度损失是较小的。溶液通过泵、管线、阀

门等设备，造成管径、磨擦阻力、流速的变化均能造成聚合物粘度的下降，这些也应给予充分的考虑。此外，温度、微生物等对聚合物粘度的影响，也应进行综合考虑。

二、聚合物分散装置的类型及其工作原理

关于聚合物分散装置的分类，现在还没有一个统一的方法，但人们习惯根据水粉的接触方式来分类，按照这种分类方法，现在使用的聚合物分散装置有以下几种类型:喷头型、水幔型、射流型和瀑布型。

所谓喷头型，是指水和聚合物干粉的解触，集中在一个所谓的喷头中进行，喷头需特殊设计制作，如图6-5示，水由入

口沿芯子切线方向进入水粉混合器，并在水粉混合器的下部形成一个封闭旋转的圆形水幔，聚合物干粉从入口进入，并迅速扩散，干粉遇水后迅速溶解，

制成混合溶液。封闭的有机玻璃外罩起到封闭溶液，便于观察和隔绝外部气流干扰，利于水幔形成的作用。这种形式的聚合物分散装置在大庆油田应用的比较多。

所谓水幔型，是指在聚合物干粉与水接触之前，水流先形成一个水

幔，水由四周向中间流，聚合物干粉撒落在水漫的旋涡中，然后由输送泵直接输送至聚合物熟化罐。这种类型的聚合物分散装置能否平稳运行，其关键在于是否能够形成稳定的水幔。

所谓射流型，是指用压力水经过水喷射器直接将聚合物干粉从水喷射器的进粉口吸入，然后水和聚合物干粉经水喷射器的喉管和扩散管进行混合，混合后进入混合罐。这种分散装置在孤岛采油厂应用比较广泛，这种类型的聚合物分散装置的一个弱点在于，水喷射器的进粉口，容易因受潮而粘结聚合物，每隔一段时间，就需要清理一次。

所谓瀑布型，是指在聚合物干粉与水接触之前，水流先从分散罐壁四周喷出，形成一个类似于瀑布的流态，聚合物干粉撒落在瀑布形成的旋涡中，然后由输送泵直接输送至聚合物熟化罐。

三、几种常见的聚合物分散装置简介

1、 Pfizer公司的聚合物分散装置

如图6-6所示，聚合物分散装置由料斗、计量下料器、水粉混合器、混配液输送泵、搅拌器、溶解罐、水管线、风力输送管线组成。其基本工作原理是：

聚合物粉剂装入料斗后，通过计量下料器把一定重量的聚合物粉剂均匀地加入到风力输送管线内；同时风力鼓风机开动，将聚合物

粉剂沿风力输送管线送入(吹入)水粉混合器内；同时水管线也将一定重量的清水选送入水粉混合器，并形成旋转的水

幔，使聚合物粉剂在水粉混合器内和水迅速溶解，配制成确定浓度的水粉混合溶液。混合溶液落入溶解罐内，搅拌器开始搅拌混合溶液，使溶液更加均匀，溶解更加完全、彻底。当溶解罐内的混合液在溶解罐内达到一定高度时，输送泵开始工作，将混合液输送到熟化罐中熟化。

图6-5典型喷头结构图6-6 聚合物分散装置原理流程2、JFS30-5000/0.6型聚合物分散装置

图6-7 JFS-5000/0.6型聚合物分散溶解装置工艺流程简图

该分散装置由胜利石油管理局总机械厂研制，图6-7为分散溶解装置工艺流程简图。聚合物干粉通过料斗及提升机被输送到料仓，经螺旋计量器进入由射流器和鼓风机组成的风送系统，输送到混配器中，与定量的水混配后，进入分散溶解罐，经初步的润湿和溶解后，由输送泵将溶液排入熟化罐进一步充分溶解，直至熟化。

分散装置的组成及工作原理：

（1）提供干粉及干粉计量部分

由料斗、提升机、料仓、螺旋计量器、闸板阀、射流器、鼓风机、振动器、料位计、干燥器等部件组成。其功能是输送、存储干粉并按设定的工艺参数通过气力输送提供定量干粉至混配器。

其加料方式采用人工将袋装干粉向料斗加料、经提升机将干粉输送到料仓，再由螺旋计量器将其干粉推入料斗、射流器及风输管线送至混配器。振动器使干粉料仓底部产生一定频率的振动，有助于干粉沿料仓壁面向下滑动，避免“膨料”现象的发生，并有助于提高螺旋计量器输送干粉的计量精度，送料量的大小与螺旋转速成正比，其转速的调整由变频器控制，达到调节送料量的目的。料位计可以防止料仓内缺料和裕料、控制供料过程。

（2）分散溶解部分

分散溶解部分由溶解罐、混配器、搅拌器、螺杆泵及由电动阀、调节阀、流量计构成的供水系统等部件组成，其功能是把干粉与水混合后，经初步搅拌，由螺杆泵输送至熟化罐。混配器的主要特点是利用该装置的喷嘴将水呈扇面状喷射，在混配罩内形成负压，提供干粉下粉的辅助动力，增大了干粉与水的接触面积，同时高速水流还提供了足够的能量打破干粉分子间的势垒，防止凝结和鱼眼的产生，清水管线中的流量计主要用于检测管线中的水流量，并把数据传给自动控制系统，从而调整调节阀的开度，同时通过变频器改变干粉的下料速度最终达到确定的配比液浓度。通过混配器进入溶解罐的混配液，还未完全溶解，只是处于润湿状态，采用搅拌器搅拌，促进其溶解。螺杆泵用于把罐内液体输送到熟化系统中去。在自动状态下，溶解罐内的液面高度达到一定数值时，螺杆泵才启动。由于该泵为容积泵，在泵出口处安装了安全阀。当输出管线压力过高时，安全阀自动开启泄压，液体回流罐内，这样使螺杆泵在工作时不过载，达到保护泵及电机的目的。静压式液位计对罐内的液位高度进行自动连续检测，从而确定各自控部件的开启与调节。当罐内液位过高时，控制系统自动调节进水量。当控制系统出现故障时，混配液可由溢流口排入站内排污系统。

图6-8水射流分散溶解装置工作流程简图

1.手动蝶阀

2.过滤器

3.电动调节阀

4.电磁流量计

5.压力表

6.喷射器总成

7.水射器

8.提升泵

9.止回阀

10.手动蝶阀 11.震动器 12.加料斗 13.储料斗

该分散装置由胜利石油勘探设计院和胜利石油管理局总机械厂共同研制的，图6-8为撬装水射流分散溶解装置工作流程简图，清水罐的水经过增压后(压力为0.8Mpa)，流经手动蝶阀、电动调节阀及电磁流量计计量后，再由水射器高速喷出，形成局部真空，携带经精确下料器计量的干粉，强制混合，再经提升泵提升并完成干粉和水的初步混合，依次流经电动阀、单向阀、手动蝶阀，再输送到熟化罐中进行熟化，完成聚合物的溶解输送过程。

该装置的主要特点：

（1）整机特点

结构撬装化，运输、安装方便，还可以移动，能再次整套利用。溶解采用水流喷射式结构，占地面积小，大大缩短了工艺流程，不仅减少了故障的发生，而且降低了聚合物的粘结及降解率。

浓度稳定性好，配水系统采用PID闭环控制，精确下料器采用变频调节，混配浓度精度高，误差小。

混配采用特殊结构设计，水射流携带干粉，强制混合，减少了“鱼眼”

和气泡现象的发生，能提高后续流程中注聚泵的容积效率。

为防止混合液从接料口溢出，在喷射器的后面配置一台提升泵，同时为防止输出

管线内的溶液回流，在提升泵前面增加止回阀，以保证回流溶液不会从接料口处溢出

，保证了装置运行环境的卫生。

整套装置采用PLC控制生产流程，自动化程度高，主要电器元件、控制件均采用国外技术成熟的优质产品，确保整套装置技术先进，性能稳定，运行可靠。

（2）装置的主要结构特点：

料仓：

采用筒形圆锥结构，集干储存、计量为一体，结构紧凑，额定储料量为0.3kg，每8小时加粉一次，干粉由人工直接倒入料仓，低料位由料位计控制，料位计采用进口元件，检测准确。