石油压裂用交联液配制装置的研制与应用廖波兰1刘新力2宁国忠2

石油压裂用交联液配制装置的研制与应用

廖波兰1刘新力2宁国忠2卢亚平1王小宝1

（1.北京矿冶研究总院，北京100160；2.中石油西部钻探工程有限公司井下作业

公司克拉玛依838600）

摘要：介绍了一种石油压裂用交联液配制工艺及装置，通过采用高剪切搅拌及高效混合等方式，解决了目前交联液配制工艺流程落后、配液质量差的问题。本装置已成功在西部钻探工程公司配液站中实现工程化应用，投产运行一个月内配制交联液700余立方米，交联液挑挂性能良好，指标稳定。

关键词：压裂；交联液；高剪切搅拌；高效混合

DEVELOPMENT AND APPLICATION OF THE PREPARATION DEVICE OF CROSS LINKING FLUID FOR OIL FRACTURING

Liao Bo-lan 1Liu Xin-li 2Ning Guo-zhong 2 Lu Ya-ping 1Wang Xiao-bao 1（Beijing General Research Institute of mining and metallurgy, Beijing 100160; 2. Petro China western drilling engineering Co., Ltd.，downhole operation company;

Karamay 838600）

ABSTRACT: This paper introduces the cross-linking preparation process and device for oil fracturing, by using high shear mixing and high mixing, etc. to solve the current cross-linking solution preparation process backward, poor quality of liquid distribution problems. This device has been successfully applied in the liquid station project of western drilling company; put into operation within a month of preparation of cross-linking liquid more than 700 cubic meters, the index is stable.

KEY WORDS: Fracturing; Cross linking; High shear mixing; High efficiency mixing

0前言

压裂作业是国内外油气田增产的重要措施。压裂液是压裂施工中重要的作业液体，其质量好坏是压裂施工成败的关键因素[1]。交联液是水基冻胶压裂液的主要添加剂，它能够与高聚物形成高黏度凝胶体，使压裂液具有良好的造缝和携砂能力。目前常用的压裂用交联剂为硼砂，硼砂是白色粉末状结晶体，溶于水。在

压裂施工中普遍采用大罐水中直接加入规定量的硼砂，自然静置溶解的方法配制交联液，存在大量硼砂沉积导致溶液局部浓度过高，交联液溶液浓度与理论值相比偏差值非常大，达不到工厂化大规模压裂施工工艺要求的问题[2]。本文介绍一种交联剂配制工艺及装置，很好地解决了目前交联液配制中存在硼砂溶液指标稳定性差的问题，并成功在西部钻探配液站中实现工业化应用。

1交联剂配制工艺流程

交联液是由硼砂和清水按一定比例混配而成。在交联液配制过程中首先通过管道向交联液储液池中注入适量的清水，注入的水量通过流量计精确计量。为了避免硼砂原料中存在遇潮结块体，无法通过螺旋输送的问题，首先在精密给料装置中加入少量水，通过螺旋搅拌将其溶解成易于流动的浆状物料，由给料螺旋输送至抽吸管路处，由高效混合器产生的负压与水一起吸入，进入交联液搅拌池内，启动搅拌装置进行搅拌并且通过泵打循环，使硼砂充分溶解在水中，直到交联液性能参数达到设计要求时，利用发液泵将交联液发液至需要处。具体工艺流程如图1。

图1、交联液配制工艺流程图

Fig.1 Process flow of preparation of cross-linking fluid

2 主要设备的研制

2.1高效混合装置

本文提出利用清水泵入高效混合装置产生负压来抽吸交联剂，从而实现交联剂与水的混合。高效混合装置是一种“文丘里”原理负压抽吸装置[5]，

由工作流体管路、进料管路、壳体、进料口、喉管组成。高压水由环形喷嘴外围进入混合室，交联剂由喷嘴吸入，在混合室内水、交联剂充分混合。压裂作业中的交联剂通常为硼砂，属于溶于水的粉末状物质，由于常规固液混合装置产生的真空度小，抽吸能力差，容易导致硼砂在给料管线和混合装置中堆积，此外，随着配液工作时间的延长，传统固液混合装置内部逐渐粘附堆积，当粘附量增多到一定量形成大块时，降低了抽吸真空度，造成了硼砂抽吸困难。

本项目开发的无漩流、高真空度固液混合装置，如图2，从混合装置原理和结构入手。在深入分析固液混合形式的基础上，摒弃了传统中央进水、周向进料的混合方式，提出了中央进料、周向进水的混合方式，有效地解决了真空度小，抽吸能力差的问题。

图2、高效混合装置

Fig. 2 Efficient mixing device

2.2高剪切搅拌装置

原始的交联液配制，主要根据硼砂溶于水的原理，将规定量的硼砂原料与定量水混合静置使其溶解，通常存在溶解时间长、溶解不充分的问题，造成溶液浓度参数达不到规定指标要求，溶液质量波动大。为了提高交联液质量，拟采用机

械搅拌的方式使硼砂充分溶解，但是目前常用的叶轮式搅拌装置其原理是：当搅拌叶轮转速提高时，叶轮推动周围液体向远处扩散，带动远处的液体旋转；随着旋转速度的提高，其扩散影响的范围越大。叶轮结构在搅拌器的轴线方向流动弱，存在环形停滞区，而且上下叶轮胶液层之间没有相互流动，容易在交联液池各角落形成“死角”，造成硼砂沉积。

为了充分利用机械搅拌，使硼砂快速溶解，同时又避免在交联液储液池各角落形成“死角”和硼砂沉积。本项目提出了三维搅拌思想，通过开发一种后掠式高剪切搅拌装置，实现搅拌能量在液体中充分传递，从而达到快速充分搅拌的目的。本文研制的机械搅拌装置（如图3）只设置一层叶轮和定子，叶轮旋转时将在叶轮层面产生液体的旋转运动，由于在结构上控制了旋转液体的甩出方式，加上挡板的存在，使得外围液体流动转变为沿挡板的轴向运动，以及从挡板间高速流出的径向流动，构成了具有周向、轴向和径向的立体循环流态，在叶轮上、下两面将形成流动漩涡，而上下两个方向的胶液就会自动补充到漩涡中，结果在搅拌装置周围既有周向环流、又有沿搅拌轴方向的轴向涡流，形成了三维立体循环[3]，因受旋转叶片和挡板的作用, 在搅拌槽内形成复杂的流场,流型、速度大小和方向等均因搅拌器叶轮与挡板的相互作用而有所变化，混合效果会显著加强。显著强化了搅拌效果，有效促进了硼砂的溶解。

1、搅拌轴

2、上导流筒

3、转子

4、定子

5、下导流筒

图3、高剪切搅拌装置