陶佳棟，金立群，袁 偉，盧明昌

(勝利新大實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 山東 東營(yíng) 257055)

0 引 言

油田注水是補(bǔ)充地層能量，減緩老油田產(chǎn)量遞減的重要手段。多油層注水要實(shí)現(xiàn)分層配注目標(biāo)，分層注水開發(fā)，是一種必要且有效的開發(fā)手段[1]。改善水驅(qū)效果，提高開發(fā)質(zhì)量對(duì)注水技術(shù)提出了更高的要求。提高注水“三率”是改善水驅(qū)開發(fā)質(zhì)量的關(guān)鍵[2]，提高注水開發(fā)效益的重要措施。注入水源一般為油田采出水，由于注入水礦化度較高，具有明顯的腐蝕、結(jié)垢趨向，使金屬注水井管產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕、結(jié)垢問題，導(dǎo)致金屬分層注水管柱平均使用壽命不足2年，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響油田注水開發(fā)效果和效益。為此，近年來研發(fā)了玻璃鋼長(zhǎng)效分層注水井管及配套管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)，在玻璃鋼籠統(tǒng)注水井管試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，研制出玻璃鋼分層注水井管，并進(jìn)行了分層注水現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和規(guī)?；茝V。結(jié)果表明，玻璃鋼分層注水井管基本滿足分層注水工藝要求，防腐、防結(jié)垢效果明顯，可大幅延長(zhǎng)分層注水管柱使用壽命，提高注水時(shí)率和經(jīng)濟(jì)效益。

1 注水井管腐蝕、結(jié)垢現(xiàn)狀及原因分析

1.1 注水井管腐蝕結(jié)垢現(xiàn)狀及水質(zhì)分析

由于油田注入水礦化度高，含有多種可引起腐蝕、結(jié)垢的介質(zhì)成分，金屬注水井管使用一定時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象。由于腐蝕、結(jié)垢，注水井管每隔1～2 a就需要更換[3]，甚至2～3個(gè)月便出現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象，降低了注水管柱的使用壽命和系統(tǒng)注水效率，頻繁更換管柱，增加了作業(yè)次數(shù)和注水成本。經(jīng)統(tǒng)計(jì)勝利油田每年作業(yè)井次3 500口以上，其中更換注水井管柱超過700×104m，主要原因?yàn)楦g結(jié)垢嚴(yán)重。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在分層注水井提出的封隔器中，有超過30%的封隔器膠筒存在損壞或破裂問題。由此可見，油管防腐結(jié)垢性能和井下工具的長(zhǎng)效可靠性是制約注水有效性的主要影響因素。

針對(duì)腐蝕嚴(yán)重的問題，國(guó)內(nèi)各油田分別采取了一些防治措施，如采用滲氮油管、鈦納米油管、鎳磷鍍油管、環(huán)氧涂層防腐管等，但各種防腐油管均存在螺紋無法防腐、外壁不防腐、防腐層質(zhì)量不穩(wěn)定、局部缺陷的問題，另外部分油管還有涂層脫落、結(jié)垢的問題。受以上因素制約，通過防腐處理難以保證3年以上有效使用期。

勝利油田某注水井井下鋼油管腐蝕、結(jié)垢情況如圖1所示，勝利油田辛一管理區(qū)注入水pH值為6.5，蘇林分類水型為氯化鈣，水質(zhì)分析見表1。

圖1 油田注水井管腐蝕、結(jié)垢情況

表1 勝利油田辛一管理區(qū)注入水水質(zhì)成分表 mg·L-1

1.2 注水井管腐蝕、結(jié)垢原因分析

從表1中可見，注入水pH值5～6，水溫50～60 ℃，礦化度較高，含有高濃度易造成腐蝕、結(jié)垢的離子成分，如Cl-、HCO3-、H2S、O2、CO2、SRB、TG、Ca2+等。由此構(gòu)成金屬管道腐蝕、結(jié)垢的物質(zhì)因素。

油田污水的腐蝕性往往是多種因素共同作用的結(jié)果。對(duì)于油田采出水，影響腐蝕的重要因素是二氧化碳、溶解氧、硫化氫、污垢和細(xì)菌等，同時(shí)礦化度對(duì)腐蝕也產(chǎn)生促進(jìn)作用。如CO2腐蝕穿孔率很高，腐蝕速率達(dá)3～7 mm/a，在厭氧條件下高達(dá)20 mm/a[4]。各種因素的交互影響，促進(jìn)了金屬材料電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。

影響油田注入水結(jié)垢的因素很多，其中最主要的是油田污水的成分及類型。當(dāng)水中含有高濃度的碳酸鹽、硫酸鹽等時(shí)，就具備形成碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇、氧化鐵等的基本化學(xué)條件。在注水過程中，因壓力、溫度、流向、流速等變化改變了原先的離子化學(xué)平衡狀態(tài)而產(chǎn)生垢的分子，繼而產(chǎn)生微結(jié)晶體，在粗糙的金屬油管內(nèi)壁沉積、堆積，形成管內(nèi)壁結(jié)垢。另外，當(dāng)2種不配伍的水混合時(shí)會(huì)反應(yīng)產(chǎn)生垢沉淀。如含鋇鍶離子的水與含硫酸根離子的水混合后會(huì)很快產(chǎn)生鋇鍶垢沉淀。

從垢樣的成分分析來看，一般由碳酸鈣、硫酸鈣、鋇鍶垢、泥垢及腐蝕產(chǎn)物等構(gòu)成。因此，油田注水系統(tǒng)的腐蝕與結(jié)垢一般會(huì)同時(shí)存在，腐蝕產(chǎn)物沉積成為垢的組成部分，垢下又會(huì)產(chǎn)生金屬腐蝕。因此，注水井管的腐蝕與結(jié)垢需要同時(shí)治理。

2 常用防腐、防結(jié)垢技術(shù)及存在的問題

2.1 防腐技術(shù)及存在的問題

目前國(guó)內(nèi)油田注水管道系統(tǒng)主要采取的防腐措施有：內(nèi)涂層防護(hù)、鍍層防護(hù)、不銹鋼襯里、氮化技術(shù)等。但是由于注入水腐蝕的復(fù)雜性，管柱特殊的螺紋連接結(jié)構(gòu)，造成目前采用的各種金屬管防護(hù)措施很難達(dá)到較好的效果，且?guī)缀跛型俊㈠兎椒ǘ即嬖诃h(huán)境影響問題。

環(huán)氧粉末、鈦納米涂層防護(hù)，由于涂層易脫落并堵塞管柱，同時(shí)脫落處發(fā)生更加嚴(yán)重的腐蝕，螺紋得不到防護(hù)而發(fā)生局部腐蝕損壞。

鎳磷鍍防護(hù)管柱，因?yàn)殄儗拥目紫堵瘦^大，質(zhì)量難保證，鎳磷鍍層電位高于管體的電位，在有空隙的部位產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。其次是接箍螺紋的腐蝕問題不能解決，油管內(nèi)壁易結(jié)垢。

不銹鋼內(nèi)襯，由于內(nèi)襯層與管體內(nèi)壁結(jié)合力不夠，在注水工具的作業(yè)中易將不銹鋼大面積劃傷，同時(shí)，密封環(huán)的密封作用很難保證，接箍與管柱螺紋的腐蝕仍未得到根本解決。

氮化管柱，氮化處理使管柱的表面硬度高，塑性降低，以致油管公扣有斷裂現(xiàn)象和油管螺紋連接不到位，容易出現(xiàn)漏失現(xiàn)象。內(nèi)壁粗糙度變差，易出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。

目前采用的防護(hù)技術(shù)從理論上講，大多數(shù)技術(shù)都是成熟的工藝，但由于注水井管柱苛刻的腐蝕環(huán)境，每種技術(shù)都暴露出其使用條件的局限性[5]，常用的金屬防腐注水井管使用壽命不足3年。

2.2 防結(jié)垢除垢技術(shù)及存在的問題

傳統(tǒng)防結(jié)垢除垢技術(shù)從技術(shù)原理上可以分為物理除垢、化學(xué)防垢、機(jī)械除垢及工藝防垢[6]?；瘜W(xué)防垢法是用化學(xué)防垢劑來阻止垢物的生成，大多數(shù)防垢劑會(huì)腐蝕金屬設(shè)備，且污染環(huán)境，需要連續(xù)投加，防垢效果不理想，保護(hù)距離短；物理除垢主要是利用電、磁、聲波等物理現(xiàn)象與垢體相互作用防垢除垢，但設(shè)備裝置比較復(fù)雜，作用區(qū)域有限，對(duì)一些硬垢效果不明顯。

3 環(huán)氧玻璃鋼分層注水井管研發(fā)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 研發(fā)內(nèi)容及主要成果

為有效解決注水井管的腐蝕結(jié)垢難題，針對(duì)分層注水管的性能要求，主要進(jìn)行了環(huán)氧玻璃鋼管體性能、螺紋性能及成型制造工藝研究和玻璃鋼長(zhǎng)效分層注水管柱配套技術(shù)研究,取得以下研究成果:1)設(shè)計(jì)研制了分層注水適用的新型高模量高強(qiáng)度注水玻璃鋼管。2)優(yōu)化了螺紋材料和結(jié)構(gòu)，提高了玻璃鋼螺紋的強(qiáng)度和耐磨性。3)優(yōu)化形成擴(kuò)張式、丟手補(bǔ)償式2套玻璃鋼分注工藝管柱，并研制了長(zhǎng)距丟手補(bǔ)償器等配套工具，提高分注管柱系統(tǒng)壽命。

3.2 玻璃鋼分層注水井管現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1)試驗(yàn)井況條件 選擇結(jié)垢、腐蝕嚴(yán)重的勝利油田東辛采油廠營(yíng)47x34注水井進(jìn)行玻璃鋼分層注水井管防腐、防結(jié)垢試驗(yàn)，該井最大井斜37.8°，注入水為油田采出水，注入水溫度60 ℃，水質(zhì)成分如表1所示。該井原注水井管為鋼油管，注水運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

表2 營(yíng)47x34注水井防結(jié)垢試驗(yàn)井管運(yùn)行參數(shù)

該井鋼油管在井使用16個(gè)月后，于2017年2月6日因不能正常注水停注，作業(yè)提出井下鋼油管，檢管發(fā)現(xiàn)結(jié)垢、腐蝕嚴(yán)重，局部堵塞，外壁及垢下發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕，已不能下井使用。

2)試驗(yàn)管柱設(shè)計(jì) 采用勝利新大實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司新研制生產(chǎn)的具有防腐、防結(jié)垢性能的環(huán)氧玻璃鋼長(zhǎng)效分層注水管，管道斷裂強(qiáng)度432.64 MPa，彈性模量31.44 GPa，管道規(guī)格DN65mm，管道連接方式為新型“4牙”結(jié)構(gòu)玻璃鋼螺紋連接，采用液缸式擴(kuò)張封隔器，配套測(cè)調(diào)一體化配水器。分層注水試驗(yàn)管柱工藝設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 分層注水試驗(yàn)管柱結(jié)構(gòu)圖

3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果 2017年2月6日將結(jié)垢、腐蝕嚴(yán)重的營(yíng)47x34井注水井管更換為環(huán)氧玻璃鋼油管。管道規(guī)格DN65 mm，長(zhǎng)度2 245.8 m。2017年2月13日開井注水，分兩層配水，上層20 m3/d、下層160 m3/d。注水運(yùn)行參數(shù)見表2。

2019年1月，起出玻璃鋼注水井管檢管，其內(nèi)外表面及管端螺紋完好，無腐蝕，結(jié)垢輕微，繼續(xù)下井使用。原注水井鋼管結(jié)垢腐蝕情況如圖3所示，玻璃鋼注水井管連續(xù)注水23個(gè)月使用情況如圖4所示。到2019年4月該井已正常運(yùn)行26個(gè)月。

圖3 鋼制油管結(jié)垢腐蝕情況

圖4 玻璃鋼油管使用情況

3.3 防腐、防結(jié)垢效果分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在同樣的工況及介質(zhì)條件下，環(huán)氧玻璃鋼管道與鋼管道相比，具有顯著的耐腐蝕、防結(jié)垢效果。玻璃鋼管之所以耐腐蝕，主要是因?yàn)橛吞镒⑷胨畬儆诟吆}、弱酸或弱堿介質(zhì)，對(duì)金屬的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，玻璃鋼管所用材料為有機(jī)高分子聚合物樹脂和玻璃纖維等非導(dǎo)電材料，不參與電化學(xué)反應(yīng)，對(duì)強(qiáng)氧化物及鹵素具有良好的阻抗力[7]，同時(shí)采用了防止復(fù)合材料物理、化學(xué)破壞的特殊設(shè)計(jì)，因此可抵抗一般酸、堿、鹽、油類及各種溶劑產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕，這已經(jīng)被使用者廣泛認(rèn)可，并在本次試驗(yàn)中得到進(jìn)一步驗(yàn)證。本次試驗(yàn)同時(shí)驗(yàn)證了管道結(jié)垢的原因除與介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)外，還與待結(jié)垢固體表面的粗糙程度和疏水性能有關(guān)。相關(guān)研究表明，材料表面能與結(jié)垢有著密切的關(guān)系，降低材料表面能有利于減輕垢的形成。

通常將表面張力在100×10-3N/m以上者稱為高能表面，100×10-3N/m以下者稱為低能表面，幾種常用管材的臨界表面張力見表3。

表3 幾種常用管材的臨界表面張力 mN·m-1

環(huán)氧玻璃鋼管道采用環(huán)氧樹脂基體與玻璃纖維增強(qiáng)材料復(fù)合制造，其管材臨界表面張力只有鋼的48%，表面能較低，屬于疏水性材料；其內(nèi)壁光滑，絕對(duì)粗糙度只有鋼管的2%～5%，不利于垢蠟沉積，同時(shí)在流體作用下結(jié)垢和結(jié)蠟容易脫附，使污垢和蠟質(zhì)在管道表面的沉積速率降低。因此具有良好的防結(jié)垢性能。

3.4 開發(fā)效果及效益分析

2015年6月，玻璃鋼長(zhǎng)效分層注水管柱在勝利油田y12XN9井下井成功，該井采用DN65，PN20MPa規(guī)格注水井管2 094 m，現(xiàn)已持續(xù)正常運(yùn)行3年6個(gè)月。這成為國(guó)內(nèi)玻璃鋼長(zhǎng)效分層注水管柱應(yīng)用第一井，標(biāo)志著玻璃鋼長(zhǎng)效分層注水管產(chǎn)品應(yīng)用獲得成功。該項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了玻璃鋼管應(yīng)用于分層注水領(lǐng)域的空白。

自2015年以來，勝利新大公司開發(fā)的玻璃鋼長(zhǎng)效分層注水管產(chǎn)品，已用在東辛采油廠。統(tǒng)計(jì)注水層段合格率87%。目前在井27口，另5口由于設(shè)計(jì)變更等原因，改作其它用途。通過目前的試驗(yàn)結(jié)果觀察，玻璃鋼長(zhǎng)效分層注水管柱，真正達(dá)到了管柱長(zhǎng)效運(yùn)行的目的。

據(jù)計(jì)算，單井井深2 200 m的管柱使用普通鋼管費(fèi)用為20.2萬元/a，使用防腐鋼管費(fèi)用為16.1萬元/a，使玻璃鋼管費(fèi)用為9.30萬元/a。相比普通鋼管，使用玻璃鋼管每口井可以節(jié)約直接成本10.9萬元/a，相比防腐鋼管，每口井可節(jié)約直接成本6.8萬元/a。同時(shí)因玻璃鋼管內(nèi)壁光滑，無腐蝕生銹和防結(jié)垢的特點(diǎn)，可防止二次污染，保護(hù)地層，增加有效注水量，提高注水層段合格率，改善原油開發(fā)效果，綜合效益顯著。

4 結(jié)論與展望

1)環(huán)氧玻璃鋼分層注水井管現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，有顯著的防腐、防結(jié)垢效果，檢管周期大幅延長(zhǎng)。預(yù)計(jì)使用壽命將比鋼管延長(zhǎng)2～3倍，從而大幅提高注水油田的開發(fā)效益及經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益。大規(guī)模推廣應(yīng)用，前景廣闊。據(jù)統(tǒng)計(jì)2016年底勝利油田共有水井10 135口，其中分層注水井4 670口。若采用玻璃鋼分層注水管柱，與防腐鋼管相比每年將為油田產(chǎn)生3.17億元的直接經(jīng)濟(jì)效益，注水層段合格率將由目前的層段合格率60～75%提高到80%以上，大幅提高油田的開發(fā)效果。

2)試驗(yàn)證明，低表面能非金屬?gòu)?fù)合材料具有明顯的防結(jié)垢性能，運(yùn)行成本低、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，一次性投資，長(zhǎng)期見效，為解決油氣田管道防結(jié)垢難題提供了一條新的途徑。

3)研究開發(fā)低表面能超疏水改性環(huán)氧玻璃鋼管材，經(jīng)過系列防腐、防結(jié)垢試驗(yàn)研究，進(jìn)一步提高材料對(duì)各種不同介質(zhì)條件的適應(yīng)性，對(duì)于工業(yè)防腐、防結(jié)垢領(lǐng)域具有較大的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)環(huán)保價(jià)值。