压裂液配制用高剪切搅拌装置的研制与应用

廖波兰　王小宝　卢亚平　潘社卫（北京矿冶研究总院）

压裂作业是油气田增产的重要措施。压裂液是压裂施工过程中造缝和携砂的介质。瓜尔胶是一种天然有机聚合物，是压裂液的主要组分。瓜尔胶溶液黏度完全释放需要很长一段时间，从瓜尔胶粉与水接触混合到完全溶解，大约需要2 h。水和胶粉形成的胶液黏度释放速度直接影响着配液速度和成本。在压裂液配制工艺中为了使瓜尔胶溶液黏度在短时间内充分释放，通常采用搅拌等方式促进黏度高效释放。但是，现在大规模压裂施工要求能够高效率快速配制符合黏度要求的压裂液，目前国内外配液设备主要采取叶轮搅拌结构的增黏方式。当叶轮转速较低时，远离叶轮的流体近似静止，随着转速提高，叶轮产生的离心力增大，角动量传递到远处的流体，胶液开始流动；但这种结构沿搅拌轴方向的流动弱，在靠近叶轮的下部分会出现环形的停滞流区。即使设置更多叶轮，其轴向流动依然很弱，因此，对于高黏胶液搅拌产生的胶液流态紊流效应较小（图1），难以达到快速混合的要求。

1　搅拌装置的研制

1.1　总体设计

在压裂液配制过程中，首先将瓜尔胶粉和水通过水粉混合器充分混合后，泵入储液池，在储液池上安装搅拌系统通过搅拌使胶粉充分溶胀，基液黏度释放到最大。

图1　常规搅拌流场示意图

为了实现压裂液的黏度在短时间内快速释放，消除储液池中的“死角”，实现最有效的混合，设计一种高剪切搅拌装置，其包含搅拌轴、上导流筒、转子、定子、下导流筒等部件（图2）。在搅拌器的转子外围增设1个筒形的挡板筒，其垂直挡板是为了抑制切向流，将切向流转移为径向流和轴向流，增大湍流和对流循环强度，从而提高搅拌效果。搅拌装置旋转所产生的排出流，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，其速度大小和方向均因搅拌器叶轮与挡板的相互作用而有所变化，由此压裂液的混合效果显著加强。在搅拌装置中设置上、下导流筒来包围浆叶，使浆叶排出的流体在导流筒内部与外部形成上下循环流动。导流筒可严格控制流体的流型，防止循环短路，获得高速湍流和高速循环。采用此搅拌装置可使压裂液在储液池内形成特殊的流场，消除旋涡，可将液体的旋转运动改为垂直翻转运动，提供高效的轴向循环流动，强迫更多的压裂液基液参与到循环当中，使基液搅拌更加充分均匀；同时还可改善所施加功率的有效利用率，使能耗降到最低。

图2　高剪切搅拌装置及流场示意图

1.2　搅拌装置的转子与定子的结构设计

在设计转子时综合考虑了搅拌叶轮、挡板结构、导流筒的相互作用。为使高剪切搅拌效果达到最大，消除储液池中的“死角”，实现最有效的混合，在转子外围增设了1个筒形垂直挡板。

为使液体充分循环流动起来，以达到高效搅拌增黏的效果，设计了合适的定子（图3）。在实验室中采用了两种形式的搅拌装置，对压裂液搅拌流态性能进行实验对比（表1）。

图3　转子与定子的结构

表1　无挡板与有挡板时搅拌流态性能比较

由表1可知，增设挡板，在同一搅拌速度条件下，循环量增加3倍，搅拌功率也随之增加；在同一搅拌功率条件下，循环量也能增加1倍左右。因此，本装置设置上、下导流筒来包围浆叶，使浆叶排出的流体在导流筒内部与外部形成上下循环流动。导流筒可严格控制流体的流型，防止循环短路，获得高速湍流和高速循环。图4示出在导流筒内部和外部形成上下循环流动情况。

图4　上下循环流动情况

1.3　搅拌器的功率计算

搅拌轴功率应满足克服搅拌器所承受负载的要求，可按下式计算：

式中：Ps——搅拌轴功率，kW；

MT——扭矩，N·m；

N——搅拌轴每分钟的转速，r/min。

搅拌轴功率取决于很多因素，如：搅拌器的形式；搅拌器的结构参数D/T；叶片安装角 β；桨叶相对宽度b/D；挡板数nB及相对宽度B/T，搅拌器层数及安装位置；搅拌雷诺准数Rea=；物性参数 ρ、μ；操作参数N，等等。D为搅拌器直径（桨径），m；T为槽径，m；b为桨叶宽度，m；B为挡板宽度，m； ρ为物料密度，kg/m3； μ为黏度，Pa·s；n为每秒钟的转速，s-1。

通常用功率准数NP将搅拌轴功率Ps和有关参数联系起来，功率准数NP的定义为

式中： Ps——搅拌轴功率，W；

NP——功率准数；

由公式（4）可知，在其他参数值不变的情况下，增大搅拌叶轮直径，搅拌功率增加幅度很大；而同等条件下，提高搅拌叶轮的转速，搅拌功率增大幅度相对较小。因此，在设计搅拌装置时，在满足相同线速度情况下，尽可能减小叶轮直径，提高叶轮转速。在实际设计过程中可以根据不同的工况条件选择不同功率大小的电动机匹配即可。

2　工业化应用

压裂液配制用高剪切搅拌装置现已广泛运用于北京矿冶研究总院承建的各个压裂液配液站中。应用高剪切搅拌装置的实际效果与传统搅拌装置的实际应用效果的对比情况如图5、图6所示。高剪切搅拌装置操作方便，使用安全可靠，性能稳定，其现场运用情况表明：

图5　传统搅拌装置的搅拌效果

1）由于采用了定、转子结构，该装置具有较高的剪切速率，它可消除“鱼眼”现象，缩短压裂液配制时间，可使150 m3瓜尔胶溶液充分溶胀时间从2 h降至1.25 h，节约配液时间37.5%，实现节能降耗。

2）由于采用了上、下导流筒及定子结构，此装置具有较高的搅拌效率，能使瓜尔胶溶液黏度充分释放，可减少胶粉的使用量，使胶粉节约率超过15%，降低产品成本。

3　结束语

压裂液配制用高剪切搅拌装置是压裂液生产的关键设备，能够提高压裂液的配液速度和质量，节约物料，降低耗电量，满足大规模工厂化压裂的配液需求，具有良好的推广应用前景，对提高我国油田压裂液生产技术水平和节能环保具有积极作用，社会效益显著。

参考文献：

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