0 引言
聚合物驱作为三次采油技术的重要手段，已成为确保油田增产稳产的一种重要而有效的工艺措施[1-4]。聚合物注入一般采用地面往复式柱塞泵，对海上油田而言，其占用了平台宝贵的空间，同时运转噪声较大。
巴西P油田由于海上平台空间受限制，需要探寻一种新的井下注聚设备。井下增压泵作为一种新型增压增注设备，其不占用平台空间，注入流量和注入压力的范围较宽，可采用变频进行控制，且易于调节。笔者为了探寻井下增压泵进行井下注聚的可行性，采用一种井下增压泵进行了注聚合物陆地模拟试验研究。
1 井下增压泵井下增压泵系统如图 1所示，由上至下依次为带孔管、上保护器、电机、下保护器、液控吸入口、增压泵和弹簧式单向阀。上、下保护器共同为电机提供密封和压力平衡等功能；液控吸入口通过地面液压泵控制开启与关闭；增压泵实现对液体的增压；单向阀为弹簧式结构，泵工作时阀打开，泵停时阀关闭，防止地层液体“返吐”。当增压泵工作时，液体由带孔管进入油套管环空，环空内的液体由液控吸入口进入增压泵，经增压泵增压后进入封隔器以下的目标地层。
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| 图 1 井下增压泵 Fig.1 Downhole reversed ESP 1-带孔管；2-上保护器；3-电机；4-下保护器；5-倒置泵；6-单流阀；7-封隔器。 |
2 增压泵注聚合物试验原理和方法 2.1 试验原理
记录聚合物母液的黏度，母液经试验流程至井下增压泵入口，通过调节井下增压泵的压力和转速，检测不同压力和不同转速时增压泵出口的聚合物液黏度，计算聚合物液经过增压泵增压后的保黏率，研究增压泵对聚合物液黏度的影响规律，进而研究井下增压泵用于油田注聚合物的可行性。
2.2 聚合物母液配置本次试验的聚合物为聚丙烯酰胺AP-P4，为模拟巴西P油田的真实情况，聚合物母液用水根据油田现场水样配置，离子成分及水溶液矿化度见表 1。聚合物母液熟化温度为42 ℃，质量分数为2.0×10-3。
| 离 子 | 质量浓度/(mg·L-1) | 摩尔浓度/(mmol·L-1) |
| Na+ | 35 000.0 | 1 522.0 |
| K+ | 321.0 | 9.0 |
| Ca2+ | 2 720.0 | 68.0 |
| Mg2+ | 639.0 | 27.0 |
| Ba2+ | 60.5 | 0.0 |
| Sr2+ | 297.0 | 3.0 |
| HCO3- | 120.0 | 2.0 |
| Cl- | 57 600.0 | 1 623.0 |
| 矿化度 | 96 757.5 | 3 425.0 |
2.3 不同压力和不同转速时的增压泵注聚试验
井下增压泵注聚时，增压泵压力、转速直接影响聚合物的保黏率。试验时，转速和电源频率相关，因此可采用单因素变量法分别分析增压泵压力及输入电源频率与聚合物液保黏率之间的关系。
试验流程如图 2所示。聚合物母液于1#罐熟化完成后，经试验管汇进入增压泵，经增压泵增压后进入2#罐。试验用增压泵的型号：1#增压泵为200 m3/d-1 500 m；2#增压泵为500 m3/d-1 000 m；3#增压泵为1 000 m3/d-800 m。
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| 图 2 不同压力和不同转速时增压泵注聚试验流程 Fig.2 Flow diagram of polymer injection test by reversed ESP under different pressure and rotating speed 1-变频器；2-电机；3-倒置泵；4-1#罐；5、8-流量计；6-锥形阀；7-2#罐。 |
通过检测增压泵进口处及出口处的聚合物液黏度，利用公式(1) 计算增压泵注聚合物的保黏率。
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(1) |
式中:ε代表增压泵的保黏率，η1为泵入口的聚合物液黏度，η2为泵出口的聚合物液黏度。
2.4 模拟现场情况的增压泵注聚试验方法增压泵出口阀门开度固定，模拟油田地层渗透率，将3种型号增压泵的运转频率由30 Hz逐渐升高至50 Hz，检测增压泵进口和出口的聚合物液黏度，利用公式(1) 计算增压泵注聚合物的保黏率。
模拟现场的增压泵注聚试验流程如图 3所示。聚合物母液自1#罐经螺杆泵喂入中心管，由带孔管进入中心管与Φ244.5 mm套管的环空，然后由液控吸入口进入井下增压泵，经增压泵增压后流入Φ244.5 mm套管与Φ339.7 mm套管环空，最终流至井口，经管汇进入2#罐。
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| 图 3 模拟现场的增压泵注聚试验流程图 Fig.3 Flow diagram of field simulation test of polymerinjection by reversed ESP 1-2#罐；2-采油树；3-1#罐；4-带孔管；5-增压泵机组；6-压力计托筒；7-插入密封；8-Φ244.5 mm套管；9-Φ339.7 mm套管。 |
3 试验结果分析 3.1 不同压力时的增压泵注聚试验
图 4为1#增压泵在3种频率下保黏率与泵出口压力的关系曲线。当增压泵在3种频率下运行时，随着泵出口压力的升高，保黏率曲线整体呈下降趋势，且3条曲线趋势一致：在开始阶段，保黏率降幅较小，曲线较平缓，随着压力的升高，保黏率迅速下降，曲线斜率较大，当出口压力逐渐接近该频率下的最大压力时，保黏率趋于稳定。以40 Hz时的曲线为例，当泵出口压力小于4 MPa时，保黏率由41.7%缓慢降至39.2%，当压力升高到8 MPa时，保黏率下降至29.7%，压力进一步升高，保黏率变化不大，最终稳定在28.3%。
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| 图 4 1#增压泵在3种频率下不同压力时的保黏率 Fig.4 Viscosity retention rate of 1# reversed ESP at 3different frequencies under different pressures |
图 5和图 6分别为2#增压泵及3#增压泵的定频试验曲线。随着泵出口压力的升高，2种型号增压泵的保黏率在3种频率下均呈下降趋势，下降趋势与图 4保持一致。
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| 图 5 2#增压泵在3种频率下不同压力时的保黏率 Fig.5 Viscosity retention rate of 2# reversed ESP at 3different frequencies under different pressures |
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| 图 6 3#增压泵在3种频率下不同压力时的保黏率 Fig.6 Viscosity retention rate of 3# reversed ESP at 3different frequencies under different pressures |
综合图 4~图 6可以看出，同样的频率及泵出口压力下，增压泵排量越大，保黏率越高。例如，当频率为50 Hz、泵出口压力为4 MPa时，1#增压泵的保黏率为33.7%，2#增压泵的保黏率为36.1%，3#增压泵的保黏率最高，为39.8%。由此试验可知，当增压泵频率固定时，随着泵出口压力的升高，保黏率呈下降趋势，且增压泵排量越小，保黏率越低。
3.2 不同频率时的增压泵注聚试验图 7~图 9为3种型号增压泵在不同泵出口压力时保黏率与频率的关系曲线。频率升高，叶轮转速增高，聚合物柔顺的线性碳-碳高分子链在单位时间内受到的机械剪切次数升高[5-6]，3种型号增压泵在不同泵出口压力下的保黏率均呈现下降趋势。同时，1#增压泵的保黏率区间为16.3%~47.1%，曲线较为平缓；2#增压泵保黏率曲线斜率相对较大，保黏率变化范围为25.1%~65.7%；3#增压泵保黏率随着频率的升高下降幅度最大，保黏率最高为79.3%，最低为30.5%。由此可知，当频率及泵出口压力一定时，增压泵保黏率随排量的增大而增大。
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| 图 7 1#增压泵不同频率时的保黏率试验曲线 Fig.7 Viscosity retention rate curve of 1# reversed ESPunder different frequencies |
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| 图 8 2#增压泵不同频率时的保黏率试验曲线 Fig.8 Viscosity retention rate curve of 2# reversed ESPunder different frequencies |
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| 图 9 3#增压泵不同频率时的保黏率试验曲线 Fig.9 Viscosity retention rate curve of 3# reversed ESPunder different frequencies |
3.3 模拟现场的增压泵注聚试验
图 10为模拟现场3种型号增压泵保黏率曲线。由图可知，当频率由30 Hz升高至50 Hz时，3种型号增压泵的保黏率均呈现波浪形下降；当频率小于32 Hz时，保黏率变化幅度较小，曲线相对平缓；当频率由34 Hz升高至46 Hz时，曲线呈现波浪形下降，且下降幅度较大；当频率大于48 Hz后，保黏率下降速率变缓，逐渐趋于稳定。1#增压泵的保黏率区间为21.1%~45.3%，2#增压泵的保黏率区间为30.5%~68.1%，3#增压泵的保黏率区间为40.2%~82.3%。3种型号增压泵的保黏率关系为：1#增压泵＜2#增压泵＜3#增压泵。
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| 图 10 模拟现场的增压泵注聚试验保黏率曲线 Fig.10 Viscosity retention rate curve of field simulationtest of polymer injection by reversed ESP |
通过对增压泵模拟现场的注聚试验数据分析可知，随着频率的升高，聚合物保黏率受增压泵转速和压力的共同作用呈现波浪形下降，1#增压泵的最大保黏率为45.3%，2#增压泵的最大保黏率为68.1%，3#增压泵的最大保黏率为82.3%。因此，若油田注聚保黏率要求低于80.0%，则可以利用增压泵进行注聚；同时，为确保聚合物的高保黏率，应优先选用大排量的增压泵，并且低频运行。
4 结论(1) 不同压力下增压泵注聚试验时，随着泵出口压力的升高，3种型号增压泵保黏率曲线呈现相同下降趋势，且增压泵排量越小，保黏率越低。
(2) 不同频率下增压泵注聚试验时，随着频率的升高，3种型号增压泵在不同泵出口压力下的保黏率均呈下降趋势，且泵排量越小，保黏率越低。
(3)模拟现场的增压泵注聚试验，随着频率的升高，3种型号增压泵的出口压力随之升高，聚合物保黏率受增压泵频率和压力的共同作用呈现波浪形下降。相同频率下，增压泵排量增大，保黏率升高。3种型号增压泵的最大保黏率为82.3%，最小为21.1%。
(4)若油田注聚保黏率小于80.0%，则可以利用增压泵进行注聚，同时，为确保聚合物的高保黏率，应优先选用大排量的增压泵，并且低频运行。
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