葛　丹，趙曉非，蔣昊琳，張震超

（東北石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 石油與天然氣化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318）

變徑尾管防止抽油機(jī)卡泵的可行性研究

葛丹，趙曉非，蔣昊琳，張震超

（東北石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 石油與天然氣化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318）

對(duì)于三元復(fù)合驅(qū)油井結(jié)垢造成抽油泵卡泵問題，實(shí)驗(yàn)采用在泵下預(yù)設(shè)一段尾管，并對(duì)尾管做變徑處理，預(yù)想通過紊流達(dá)到促垢，吸附的目的，進(jìn)而減緩抽油泵處垢的吸附與堆積。結(jié)果顯示，鑲嵌式連接尾管，使總成垢率大多在93%以上，兩寸半管∶三寸管=1∶3時(shí)最高，結(jié)垢率達(dá)96%，而全為二寸半管時(shí)，總結(jié)垢率為85.04%。隨管徑變換頻率的增高吸附垢的比重減少，而懸浮垢的比重增加。實(shí)驗(yàn)表明通過在稠油泵下增設(shè)一段尾管，用以促垢，吸垢的設(shè)計(jì)目的可行，在極大程度上降低了卡泵幾率。

三元復(fù)合驅(qū)；油井結(jié)垢；卡泵；變徑尾管

近年來，三元復(fù)合驅(qū)油井結(jié)垢造成的卡泵現(xiàn)象頻發(fā)，使得采油成本增加，嚴(yán)重影響采油作業(yè)［1-3］。以大慶油田為例，從常規(guī)水驅(qū)轉(zhuǎn)為三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)油后，堿性流體加劇了碳酸鹽的成垢，造成故障頻出，作業(yè)井次明顯增加，嚴(yán)重影響油井生產(chǎn)。在很多研究［4-8］中都提到了流速變化對(duì)成垢有一定影響。眾所周知，溫度對(duì)碳酸鹽結(jié)垢有著至關(guān)重要的作用，但當(dāng)溫度一定時(shí)，流速對(duì)結(jié)垢的影響作用變得尤為突出［9］。Mourad Hamachi和Martines mietton-peuchot利用污垢層厚度測量的方法［10］，對(duì)污垢沉積情況在流速分別為0.055，0.193，0.304m·s-1時(shí)進(jìn)行了詳細(xì)分析和研究，高流速增大質(zhì)量輸運(yùn)，而且強(qiáng)化剝蝕，起到較好的抑垢作用。

為解決三元復(fù)合驅(qū)油井結(jié)垢而造成卡泵的問題，本文提出在抽油泵下端增設(shè)一段變徑尾管，迫使鉆井液流速、靜壓力的改變，研究湍流效應(yīng)對(duì)促進(jìn)成垢的規(guī)律，以解決卡泵問題。現(xiàn)場作業(yè)油管多為內(nèi)徑為二寸半、三寸管，實(shí)驗(yàn)室預(yù)采取鑲嵌式串聯(lián)尾管（見圖1）達(dá)到促垢的目的，預(yù)通過人為改變采出液的流速、流體靜壓力，制造紊流狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)促進(jìn)結(jié)垢與提高垢吸附掛壁比重的目的。

圖1　鑲嵌式串聯(lián)尾管促垢的理論模型Fig.1　Theoretical model of mosaic tandem stern tube promoting scale

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要藥品與儀器

CaCl2、MgCl2、FeCl3、BaCl2、H2SO4、NaHCO3、Na2CO3、羧酸鈣指示劑、乙二胺四乙酸二鈉鹽（EDTA·2Na），均為市售分析純藥劑；N80鋼片（揚(yáng)州市正中不銹鋼有限公司）。

DK-98-Ⅱ型恒溫水浴鍋（天津市泰斯特儀器有限公司）；85-2型恒溫磁力攪拌器（江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司）；800型離心機(jī)（上海手術(shù)器械廠）。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

本文中采用旋轉(zhuǎn)掛片法（見圖2），考查流速對(duì)模擬結(jié)垢水成垢的影響，使用具有一定內(nèi)表面積的鋼質(zhì)容器，以某固定轉(zhuǎn)速使內(nèi)置溶液攪動(dòng)，在杯內(nèi)壁能達(dá)到所需考察的流動(dòng)速度，采用轉(zhuǎn)動(dòng)模擬流動(dòng)、時(shí)間替代長短的方法，控制轉(zhuǎn)數(shù)與時(shí)間段來研究尾管變徑對(duì)結(jié)垢的影響。實(shí)驗(yàn)?zāi)M尾管總長度為150m（10m·根-1），流量為40m3·d-1，以下實(shí)驗(yàn)時(shí)間均按此計(jì)算。

圖2　旋轉(zhuǎn)掛片結(jié)垢測定裝置Fig.2　Device of rotary hanging piece scaling test

2　結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)首先對(duì)大慶采油五廠采出液進(jìn)行水質(zhì)分析，結(jié)果見表1。實(shí)驗(yàn)室據(jù)此配置模擬液，在45℃恒溫水域中反應(yīng)。

表1　大慶采油五廠水質(zhì)分析表Tab.1

按照?qǐng)D2，連接好裝置，配制上述模擬液（除鈣鎂離子），待恒溫至45℃后，調(diào)劑攪拌速度，加入定量鈣鎂離子溶液，并開始計(jì)時(shí)。

2.1在恒定速度的結(jié)垢情況

全為加速段時(shí)，總反應(yīng)時(shí)間16min18s，反應(yīng)后結(jié)果見表2。

表2　全二寸半管成垢數(shù)據(jù)表Tab.2　Datas of 2.5 inch pipe scaling

全為吸附段時(shí)，總反應(yīng)時(shí)間24min29s，反應(yīng)結(jié)果見表3。

表3　全三寸管成垢數(shù)據(jù)表Tab.3　Datas of 3 inch pipe scaling

這說明，尾管全部采用二寸半管時(shí)，尾管截留的垢質(zhì)量較少，為57.04%，溶液中的懸浮垢及游離的成垢離子含量較多，則通過尾管后繼續(xù)成垢及吸附的可能性更大。全采用三寸管時(shí)，尾管截留的垢質(zhì)占初始鈣鎂總量的69.21%，未吸附的垢質(zhì)更少，尾管的促垢效果更明顯。下面考察三寸管與二寸半管銜接時(shí)的結(jié)垢規(guī)律。

2.2模擬不同鑲嵌比的流速變化

二寸半管為加速段，三寸管為吸附段，兩段式是指三寸管與兩寸半管前后搭配，鑲嵌式是指三寸管和兩寸半管按一定比例穿插銜接。

表4　二寸半管與三寸管長比1∶4Tab.4　2.5 inch：3 inch=1：4

表5　二寸半管與三寸管長比1∶3Tab.5　2.5 inch：3 inch=1：3

由表4、5結(jié)果表明：

（1）無論是兩段式還是鑲嵌式，隨著尾管中二寸半管數(shù)量的增加，管壁吸附的垢量逐漸降低。即三寸管越多，管壁上吸附截留的垢越多，經(jīng)過尾管后殘余的游離態(tài)鈣鎂及懸浮的垢量也越少。

（2）當(dāng)采用三寸管與二寸半管串聯(lián)時(shí)，同等長度下，鑲嵌式比兩段式管壁吸附的垢量更大，即流速的多次變化比單次變化更能促進(jìn)結(jié)垢與吸附，處理后溶液中懸浮的垢及游離的鈣鎂離子和更低。但是總量仍不如只有三寸管的情況。

（3）這表明，管路內(nèi)的速度變化的確會(huì)促進(jìn)成垢與吸附，但是這種促進(jìn)的影響，似乎并不如直接加大管徑從而延長反應(yīng)時(shí)間來的更加明顯。

2.3三寸管與二寸半管的銜接

按150m尾管（將單根管視為10m計(jì)算），均以鑲嵌式反應(yīng)操作，其中細(xì)管為2寸半管，粗管為3寸管，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6　二寸半管與三寸管在不同鑲嵌比下的結(jié)垢規(guī)律Tab.6　Scaling pattern of different mosaic ratio

由表6繪制規(guī)律曲線得圖3。

圖3　二寸半管與三寸管在不同鑲嵌比下的結(jié)垢規(guī)律Fig.3　Scaling pattern of different mosaic ratio

鑲嵌比為二寸半∶三寸1∶1時(shí)，流速變換（管徑交替）頻率最快，往兩端變換頻率降低，由圖3可看出：

（1）鑲嵌式連接，總成垢率大多在93%以上，最高為二寸半∶三寸=1∶3時(shí)結(jié)垢率為96%，而全為二寸半管時(shí)，總結(jié)垢率最低為85.04%。結(jié)垢率隨著兩種管交替頻率增多而增多，二寸半∶三寸=1∶1附近成垢率均在94%左右，而一種管徑占主導(dǎo)時(shí)，結(jié)垢率不足90%。

（2）掛片上的吸附垢隨流速變換頻率的增高而減少，而懸浮垢恰恰與此相反，鑲嵌比為二寸半∶三寸=1∶2時(shí)吸附垢僅占36.87%，懸浮垢57.79%；而全為三寸管時(shí)，吸附垢占69.21%，懸浮垢為21.31%。

（3）流速對(duì)結(jié)垢過程的影響表現(xiàn)在兩方面，一方面流速的增大能加快溶液中成垢離子向管壁表面的擴(kuò)散，使結(jié)垢加劇，但另一方面，垢層所受到的流體剪切力也在增大，剝蝕也在隨之加劇，所以說最終的沉積率要看兩個(gè)方面的共同作用。小流速時(shí)，擴(kuò)散控制占主要作用，當(dāng)增至一定程度后，流體對(duì)污垢的剝蝕影響加劇。也正是存在沉積和剝蝕兩個(gè)互相相互制約的因素存在，污垢過程的最終沉積量才會(huì)呈現(xiàn)漸進(jìn)的趨勢。

然而對(duì)于油井尾管結(jié)垢來說，流速與反應(yīng)時(shí)間是一對(duì)矛盾，在日采出量一定時(shí)，對(duì)于特定管徑，平均流速是定值，流速大會(huì)增加溶液中成垢組分的碰撞幾率，但是尾管停留時(shí)間將大大縮短。

綜上所述，尾管變徑對(duì)于促垢理論上不會(huì)有效果，但是增加尾管內(nèi)徑，增加尾管長度，增大尾管內(nèi)流通路徑，則會(huì)通過延長反應(yīng)時(shí)間、增大吸附面積與提高碰撞幾率等方面，有促進(jìn)結(jié)垢的效果。

3　結(jié)論

通過研究三寸管、兩寸半管以及兩種管徑的鑲嵌連接，再考慮到成本因素等，可得出結(jié)論：

（1）在現(xiàn)階段室內(nèi)考察方式及得到的結(jié)果來看，現(xiàn)場施工時(shí)全為三寸管比其他形式更好，總成垢量已達(dá)92.53%，并且其中69.21%的垢可由尾管吸附。此外在二寸半管。

（2）不同管徑尾管的鑲嵌串聯(lián)，對(duì)于采出液流壓的變化影響有限，但會(huì)使得采出液流速產(chǎn)生變動(dòng)，通過產(chǎn)生的紊流，實(shí)現(xiàn)促垢的目的。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過在稠油泵下增設(shè)一段尾管，用以促垢，吸垢的設(shè)計(jì)目的可行，在極大程度上降低了卡泵幾率。

［1］ 王玉普，程杰成.三元復(fù)合驅(qū)過程中的結(jié)垢特點(diǎn)和機(jī)采方式適應(yīng)性［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，27（2）：20-22.

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［9］ 張兵強(qiáng)，李云，徐志明.CaCO3析晶污垢成垢過程影響因素的實(shí)驗(yàn)研究［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（1）：52-53.

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Feasibility study of adjustable pump pumping card tailpipe prevent

GE Dan，ZHAO Xiao-fei，JIANG Hao-lin，ZHANG Zhen-chao
（Key Laboratory of Chemical Engineering，Oil and Gas，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

For the ASP flooding caused by scaling pump oil pump issue cards，we use a preset period of tailpipe at the pump，and do tailpipe adjustable handle，expected to achieve by promoting the turbulence scale，purpose adsorption，and thus slow down at the pump absorption and accumulation of dirt.The results showed that the mosaic connection tail pipe assembly dirt so that the rate of more than 93%in most，two inches and a half pipe∶silver tube=1∶3 the highest fouling rate of 96%，while full-time for two and a half inches pipe summary scale was 85.04%.Share with diameter scale frequency conversion increased adsorption decreases，while the proportion of suspended dirt increases.Experimental results show that by adding a period of heavy oil in the tail pipe to promote scale，designed to suck dirt feasible，to a large extent reduce the probability pump card.

ASP flooding；oil fouling；cards pump；adjustable tail pipe

O69

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20160769

2016-03-17

葛丹（1993-），女，遼寧省阜新市人，碩士研究生，研究方向：油田化學(xué)。