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使用水溶性聚合物进行三次采油的设备及其实施方法
    本发明涉及使用水溶性聚合物进行三次采油的设备。本发明还涉及使用所述设备实施三次采油的方法。

    丙烯酰胺和/或甲基丙烯酰胺的聚合物(共聚物)占用于多种应用的石油工业中的水溶性聚合物的很大份额。这类聚合物尤其在通过注入溶液中而提高三次采油率方面非常有利。该方法包括：用其中溶有聚合物以使其变粘的或多或少咸的注入水(也称为“盐水”)灌满或掠过油田，从而迫使油离开岩石的孔隙。在此应用中，聚合物的用量可以非常大，超过50000吨/年，这是非常不寻常的。

    更确切的说，这种技术的有效性很大程度上依赖于油和盐水之间存在的粘度差。为了使其减小，有必要通过添加水溶性聚合物(其很多时候为分子量非常高的丙烯酰胺和/或甲基丙烯酰胺的聚合物或共聚物)来增稠注入水。这是三次采油(EOR，EnhancedOil Recovery)的方法之一。

    但是，这些聚合物相对容易降解。在这些降解形式中，三种类型最明显：水解反应、机械降解和自由基降解反应。第一种使聚合物的化学组成发生变化，而另外两种使链长度减少。

    因此，非常重要的是阻止聚合物链降解，从而在聚合物使用过程中保留聚合物的所有增粘特性。

    在本发明中，“降解”是指任何使大分子链断裂的过程。这种类型的降解意味着形成进攻大分子链的自由基，然后进行增长反应。这些作为降解引发剂的自由基尤其可以通过氧化部分(尤其是氧)和还原部分(氧抑制剂、硫化氢、Fe²⁺)之间的氧化还原反应形成。

    在实践中，丙烯酰胺聚合物(共聚物)通常是以粉末或乳液形式市售的。它们通常以稀水溶液用于工业应用中。由于其分子量高，因此所得溶液的粘度高。如果期望部分消除分散装置中聚集体的形成，则结果是限制了溶液中聚合物的浓度。对于分子量约为15000000的聚合物，该浓度一般不超过5g/l。高于此浓度，则观察到“鱼眼”的形成，这对应于聚合物粉末的实际聚集。然后有必要应用粗滤(100～200微米)和精滤(10～20微米)以在两个连续步骤中移除“鱼眼”。另外，在分散装置中的停留时间相对短，聚合物没有时间溶解，因此不可泵送或不可直接使用，必需进行后续的熟化或溶解步骤。

    溶解之后，通过用于油田的盐水来稀释聚合物，以获得所需的浓度(通常为500～3000ppm)和粘度(通常为5～50厘泊)。

    在实践中，采用下列方式之一进行分散：

    ●通过锥形物进料的喷水器，所述锥形物本身被润湿以防止粘附，

    ●空气输送粉末，然后用溶解罐上面的喷水嘴润湿，

    ●任何其他方法，其中粉末与水在搅拌下接触。

    关于溶解，其在溶解罐中在氧饱和度为4～7ppm的敞开气氛中进行，这即使在减氧剂(oxygen reducer)(亚硫酸氢铵)存在下也通过形成自由基使注入聚合物化学降解。显然，目标是能够注入具有精确浓度的溶液，从而得到所需的粘度。例如，在注入浓度为1000～2000ppm且流量为每小时500m³～2000m³时，必须溶解500～4000kg/h的聚合物，这比例如在污泥处理操作过程中絮凝时的常规用量大得多。

    本发明要解决的问题是开发直接将注入水/聚合物混合物注入井中而不经过在罐中的预先溶解步骤且不需要随后的过滤的设备。

    为此，申请人开发了湿磨装置，其用于使分散体中的高分子量聚合物的浓度为0.5～3重量％，由于分散聚合物在注入管线中的停留时间获得实际溶解。

    实际上，在EOR中，悬浮体或分散体通过管线输送相当长的距离(100～10000米)，然后注入至少400米的深度，泵送速率为2米/秒。对于1000米的管线或注入管，行程时间为8分钟，足以使聚合物完全溶解。

    更确切地，本发明的主题是三次采油设备，依次包括：

    ‑具有标准粒径分布的水溶性聚合物的储料斗，

    ‑用于分散所述聚合物的研磨装置，所述研磨装置包括：

    ‑润湿锥，其中通常用计量螺杆计量聚合物，所述锥与一次水入口线路连接；

    ‑在锥的底端：

    ○用于研磨和排出经分散的聚合物的室，所述室包括：

    ■转子，其通过发动机驱动并且装配有相对于转子半径任选倾斜的刀，

    ■固定的定子，其由相对于转子半径任选倾斜并且均匀隔开的刀片组成，

    ■转子/定子组件，其允许聚合物的湿磨，

    ○在室的全部或部分外周上的通过二次水线路进料的环，所述环与室连通用于将加压水喷到定子的刀片上，从而使磨碎且溶胀的聚合物释放到所述刀片的表面上，

    ○用于降低转速和增加离开研磨室的分散体的浓度的组件，

    ‑任选的低压泵，其为高压注射泵供料，使得在设备的压力不足时不会发生空蚀，

    ‑泵，其用于在压力下将聚合物悬浮体注入到输送注入水的管线中，以将混合物(聚合物+注入水)引入井中，

    ‑所述设备没有额外的溶解罐。

    在说明书的其余部分和权利要求书中，“具有标准粒径分布的聚合物”是指粒径分布为0.15～1mm的聚合物，尤其是分子量非常高(15000000～25000000)的丙烯酰胺和/或甲基丙烯酰胺共聚物。

    根据第一特征，聚合物通过溢流口在锥中润湿，在这种情况下锥装配有双夹套，其底部连接一次水入口线路。或者，也可以通过任何其他手段(如喷嘴或扁平射流)来进行该润湿。

    在实践中，转子装配有2～20个刀，有利地为4～12个刀。但是，刀的数目可以根据转子直径而变化。类似地，定子刀片的数目可根据其直径而变化。在实践中，对于200mm的转子直径，刀片为50～300个，有利地为90～200个。另外，根据另一个特征，刀任选相对于转子半径或多或少倾斜。有利的是，该倾斜为0～15°，优选2～10°。

    根据另一个特征，定子刀片之间的距离是50～800微米。对于有效研磨，转子刀与定子刀片之间的距离为50～300微米，有利地为10～200微米，实践中为约100微米。有利地，定子刀片相对于转子半径的倾斜角度小于10°。这些刀片组装在套中，或者在金属或高强度化合物块中切割。

    在一个有利的实施方案中，转子刀不倾斜，而定子刀片倾斜。

    另外，关于外周环，其通过孔、狭缝或等同物形式的穿孔与研磨和排出室连通，在环上所述穿孔的尺寸和分布使得二次水可以在一定压力下被推到定子刀片上，以防止胶状聚合物堵塞刀片之间的空间。因此，由转子泵作用施加的压力可以大幅下降而没有堵塞的风险。刀片的间距越小，连续操作所需的压力越高。显然，储料斗允许连续进料，并且接收散装(货车)或者各种容量的袋装聚合物。

    根据一个基本特征，设备没有溶解罐，实际溶解直接在管线中发生，经分散的聚合物注入所述管线中并且注入水在其中流动。可以增加隔膜式均压器以避免由于流量调整引起的系统波动。

    在一个具体实施方案中，当溶解/熟化罐远离研磨装置时，容积式泵(Moyno型)添加变速器，以在高压注射泵的入口处保持预定压力(1～3巴)。该压力可以为泵供料而无空蚀。

    注射泵是例如三螺杆泵或其他泵。

    本发明的另一个主题是采用上述设备进行三次采油的方法。

    根据本方法，以连续模式且在惰性气氛、有利地为氮气下：

    ‑向研磨装置供给具有标准粒径分布的聚合物，

    ‑在所述研磨装置中：

    ○在润湿锥中通过适于获得浓度为15～100g/l、有利地为20～80g/l的聚合物悬浮体的量的一次水预润湿聚合物，

    ○然后，立即在研磨和排出室中通过切碎转子刀和定子刀片之间的聚合物使经预润湿聚合物的尺寸减小到在实践中为50～200微米的尺寸，而未使聚合物分子量降解，

    ○然后，用来自外周环的加压二次水来清理其中易于固定溶胀聚合物的定子刀片之间的空隙，

    ‑然后，任选使用回抽泵在1～3巴的压力下，将实际上浓度为3～30g/l、有利地为10～25g/l的经分散的聚合物转移到加压注射泵，

    ‑用泵将经分散的聚合物注入到注入水在其中流动的管线中，以将混合物(聚合物+注入水)注入井中。

    有利地，一次水占全部水(一次水+二次水)的20～40重量％，而二次水占全部水(一次水+二次水)的60～80重量％。

    在实践中，根据本方法的一个特征，对于200mm的切割直径，转子转速为2000～5000rpm，平均为约3000rpm。对于100mm的切割直径，转子转速为3000～6000rpm，对于400mm的切割直径，转子转速为1500～3000rpm。更一般地，根据转子直径(也称为切割直径)，对于1500设备，转子圆周速度为20～40m/s，而不是90～120m/s。

    另外，为了避免磨碎的聚合物堵塞定子刀片之间的空间，以至少1巴的压力，通常以一次水的压力，或者3～6巴或更高，对于非常精细的间距，一般为1～10巴，将二次水推过环的穿孔。

    在实践中，注入水是来自采油水的盐水、海水或含水层水。同样地，聚合物是丙烯酰胺和/或甲基丙烯酰胺的聚合物(共聚物)。

    有利地，注入水的温度为20℃～80℃。但是，如果使用海水，其可以抽自中等深度(50～200米)，其温度可以低得多(4～10℃)。

    结合附图，由下述实施例本发明及其优点将变得明显。

    图1是本发明设备的示意图。

    图2是研磨装置的示意性侧视图。

    图3是沿图2的AA’的截面图。

     实施例1：设备

    图1示出实现本发明方法的设备。该设备包括用于粉末形式的聚合物的储料斗(1)，在其底部具有在氮气(4)下将所述聚合物转移到研磨装置(3)的计量螺杆(2)。

    在图2和3中更具体地示出了研磨装置。

    所述研磨装置包括：

    ‑润湿锥(11)，在顶部与通常通过计量螺杆计量标准粒径分布的聚合物的柱(12)相连，锥(11)在其底部与一次水入口线路(13)相连，其向溢流口(14，14’)供料，

    ‑在所述锥的底端，组件(15)包括：

    ○用于研磨和排出经分散聚合物的室(16)(图2)，所述室包括：

    ■通过发动机(18)驱动的装配有刀(19)的转子(17)，

    ■固定的定子(20)，其包括均匀隔开并且相对于转子半径稍微倾斜的刀片(21)，

    ○在所述室的全部或部分外周上的通过二次水线路(23)进料的环(22)，所述环(22)通过狭缝(24)与室(16)连通，以将加压水喷到定子(20)的刀片(21)上。

    在研磨装置中：

    ○在润湿锥中通过适于获得浓度为20～80g/l的聚合物悬浮体的量的一次水(全部水的20～40重量％)预润湿聚合物，

    ○然后，立即在研磨和排出室中通过切碎转子刀和定子刀片之间的聚合物，使经预润湿聚合物的尺寸减小至50～200微米的尺寸，

    ○然后，来自外周环的加压二次水(全部水的60～80重量％)用于清理其中易于固定溶胀聚合物的定子刀片之间的空隙。

    然后，聚合物用Moyno泵(5)从研磨和稀释装置抽出，通过管线(6)转移到T(7)，在此聚合物与盐水(8)混合，然后用注射泵(9)注入到延伸至井P的管线(10)中。

     实施例2：应用

     应用条件

    ‑具有6个注入井和12个生产井的油田。

    ‑每个井的压力为70～100巴。聚合物悬浮体点与这些井的注入头之间的距离为400～3600米。井的平均深度为700米。每个井的压力通过在与聚合物混合之前置于稀释水上的阻风门来保持，以避免聚合物机械降解。

    ‑每个井的注入水最大流量为40m³/h，6个井总计小于240m³/h。为了保持每个井头的压力，可以调节该量，以避免储槽碎裂。

    ‑处理过和再次注入的生产用水的温度为55℃，TDS(“总溶解固体”或盐度)为18000ppm。

    ‑井的渗透度为2000毫达西。

     聚合物：

    聚合物是30％阴离子聚丙酰烯胺，分子量为17000000。其在14cps粘度下以1200ppm的浓度注入。聚合物的用量为每小时288千克。

     设备：

    所用设备包括：

    1)容纳聚合物且通过散装货车供料的60m³料斗。

    2)根据本发明的研磨装置，其置于氮气毯(＜100ppm O₂)下以避免注入时聚合物化学降解，下表给出了技术特性和溶解条件。

       研磨装置的技术特征  测试1  “PSU 300”  切割直径(以mm计)(转子尺寸)  200  固定刀的数目  90  固定刀的高度(以mm计)  16.6  刀间距  300微米  固定/移动刀的间距  100微米  切割角  3°

       移动刀的数目(即在转子上)  6  转子速度  3000rpm  转子功率  7.5Kw

      分散特性 一次水的流量  10m³/h 阴离子聚丙烯酰胺的流量 (阴离子度30％；分子量19000000； 颗粒尺寸分布0～1000)  300kg/h 围绕定子的同心环中二次水的流量 (压力2巴)  20m³/h  25℃ 分散体的最终浓度  10g/l 最终压力  1.5巴

    3)具有变速器的Moyno型进料泵(单螺杆泵(progressivecavity pump))，40m³/h，3巴。

    4)六个三缸泵：120巴，输送量0.7～5m³/h。

    5)进入注入水管线的引入点，其后是静态混合器。

    通过调节回抽泵和调节研磨装置的二次水流量和粉末流量，一系列控制器可以使三缸泵的吸入口保持1巴的压力。

    该注入方法运行了几个月，显示不存在井堵塞或压力升高的问题。

    附注：

    本发明的设备尤其适用于注入明显具有发泡倾向的缔合聚合物、“梳状聚合物”和“星状聚合物”，发泡问题通过省去溶解罐而得到解决。但是，必须记住这类聚合物的溶解时间比标准聚合物的溶解时间(在20℃时一般为4～5小时)长。采用本发明的设备和高温(40～60℃)生产用水使得在大多数情况下能够直接注入。

    对本领域技术人员来说同时且明显的是，该设备适用于任何其他类型的可注入水溶性聚合物(细胞衍生物、黄原胶、聚乙烯吡咯烷酮等)。