張寧， 黃志明， 劉常清， 楊洪濤， 鄒德昊， 丁文剛

(1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司， 天津 300459； 2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部， 天津 300459)

電潛泵采油是渤海K油田目前最常用的機(jī)械舉升方式[1-2]，其數(shù)量約占總井?dāng)?shù)的96%以上，舉升產(chǎn)量約占到90%[3]。油井出砂、結(jié)蠟、結(jié)垢將導(dǎo)致電潛泵流道縮小、電潛泵葉輪堵塞，產(chǎn)液量下降，高危電潛泵面臨卡泵過(guò)載躺井的風(fēng)險(xiǎn)[4]。劉玉國(guó)[5]認(rèn)為稠油沉積堵塞，加之原油與巖石反應(yīng)結(jié)垢，導(dǎo)致電潛泵卡泵過(guò)載問(wèn)題更加突出。

傳統(tǒng)電潛泵解卡工藝主要采用正/反循環(huán)洗井、工頻控制啟動(dòng)、調(diào)相序反轉(zhuǎn)、變頻調(diào)參控制等物理方法[6-8]，但物理解卡存在清除堵塞物不徹底的問(wèn)題，若解卡失敗則只能動(dòng)管柱檢泵作業(yè)，極大影響油井生產(chǎn)時(shí)效。因此，亟需探索新型化學(xué)解卡工藝，克服現(xiàn)有問(wèn)題。

目前電潛泵的化學(xué)解卡工藝鮮有報(bào)道，但在相關(guān)的化學(xué)除垢體系方面，李年銀等[9]利用螯合劑與添加劑的協(xié)同作用，研制了一種以螯合劑為主的堿性除垢劑SA-209，針對(duì)海上油田硫酸鋇垢樣的除垢率達(dá)到72.4%，且對(duì)設(shè)備和管柱的腐蝕率低。馬文娟[10]以氯乙酸、三乙烯四胺、氫氧化鈉為原料，制備了一種三乙烯四胺六乙酸(triethylenetetramine hexaacetic acid，TTHA)除垢劑，其除垢率達(dá)到90.54%。Adenuga等[11]報(bào)道了多元羧酸的螯合劑谷氨酸二乙酸(glutamate diacetic acid，GLDA)的酸液體系，GLDA比甲酸、乙酸具有更低的擴(kuò)散系數(shù)，更能夠延緩與白云巖的反應(yīng)速度，同時(shí)腐蝕速率低、減少油泥和酸渣的形成。Nasr-El-Din等[12]評(píng)估了谷氨酸二乙酸(glutamate diacetic acid，GLDA)在高溫氣井基質(zhì)酸化中應(yīng)用，腐蝕率低，酸化后返排樣中鐵、鉻、鎳和鉬的濃度可以忽略不計(jì)，增產(chǎn)效果顯著。

借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)，現(xiàn)采用螯合劑為主的除垢體系，具有除垢率高、腐蝕率低等優(yōu)勢(shì)，因此針對(duì)渤海油田無(wú)機(jī)垢、有機(jī)垢多樣的特點(diǎn)，采用鈣鎂垢體系、鹽酸體系和多氫酸體系組成的多功能性化學(xué)段塞，并進(jìn)行垢樣溶蝕驗(yàn)證和各部件腐蝕性能評(píng)價(jià)，形成的配套技術(shù)在渤海油田應(yīng)用16井次，增產(chǎn)效果顯著，能有效解決結(jié)垢導(dǎo)致的電潛泵泵卡難題，對(duì)中外類似舉升方式的油田提質(zhì)增效提供參考。

1 渤海油田電潛泵泵卡原因分析

如表1所示，通過(guò)對(duì)渤海K油田故障電潛泵井拆檢發(fā)現(xiàn)，電潛泵結(jié)垢卡泵導(dǎo)致故障的井約占比40%。電潛泵結(jié)垢遇卡，是導(dǎo)致過(guò)載停機(jī)油井無(wú)法正常生產(chǎn)主要原因，也是影響電泵使用壽命和油井生產(chǎn)時(shí)率的重要因素。油井結(jié)垢后，使得原油的流動(dòng)阻力增大，電潛泵運(yùn)行所需要的電壓或電流也會(huì)隨之增大，當(dāng)超出額定電壓或電流時(shí)，即會(huì)引起卡泵問(wèn)題。同時(shí)，開(kāi)采出的原油將帶出大量的污垢，污垢可能引起潛油電泵堵塞，從而產(chǎn)生卡泵問(wèn)題。通過(guò)對(duì)渤海K油田近三年電泵故障井泵內(nèi)垢樣進(jìn)行機(jī)械雜質(zhì)測(cè)定和X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)、X射線熒光光譜儀(X-ray fluorescence，XRF)分析發(fā)現(xiàn)，垢樣主要由膠質(zhì)、瀝青質(zhì)有機(jī)垢和碳酸鈣鎂、鐵垢以及鋇鍶垢組成復(fù)雜無(wú)機(jī)垢組成。

表1 K油田近三年電泵故障井泵內(nèi)垢樣分析化驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of analysis and testing of scale samples in pump faulty wells in K oilfield in the past three years

2 電潛泵解卡技術(shù)思路

渤海油田典型的電潛泵垢樣堵塞物主要為復(fù)雜的有機(jī)-無(wú)機(jī)垢，單一的酸液體系[13-16]很難有效地溶蝕垢樣，因此，對(duì)于垢樣中不同成分，需開(kāi)展不同體系溶蝕性評(píng)價(jià)，進(jìn)而設(shè)計(jì)多功能性的化學(xué)段塞進(jìn)行解卡。

技術(shù)設(shè)計(jì)思路：首先，采用有機(jī)解堵劑對(duì)電潛泵流道中的有機(jī)物部分進(jìn)行剝離，解除有機(jī)堵塞的同時(shí)讓無(wú)機(jī)垢部分直接暴露，從而更好地接觸酸液。再采用低濃度鹽酸溶液對(duì)垢樣堵塞物進(jìn)行酸洗，破壞垢樣表層的致密結(jié)構(gòu)，溶蝕大量的鈣鎂垢，同時(shí)規(guī)避鹽酸體系對(duì)電潛泵部件腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。最后用具有低腐蝕的多氫酸體系或以螯合劑為主的酸液對(duì)難溶的復(fù)雜無(wú)機(jī)垢進(jìn)行徹底溶蝕。多氫酸體系具有多級(jí)電離、緩速性、低腐蝕特點(diǎn)，特別適應(yīng)于溫度較高的電潛泵的解卡。以螯合劑為主的酸液主要通過(guò)化學(xué)配位鍵與金屬陽(yáng)離子形成環(huán)狀鰲合物鰲合(圖1)，螯合增溶作用破壞垢樣溶解平衡，達(dá)到溶蝕難溶性無(wú)機(jī)垢的效果。

多氫酸多級(jí)電離方程式如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：pK1、pK2、pK3、pK4、pK5分別為H+電離常數(shù)；R為磷酸根基團(tuán)。

多氫酸與鈣鎂垢反應(yīng)方程式：

(6)

螯合劑與復(fù)雜垢反應(yīng)方程式為

(7)

基于上述思路研發(fā)的化學(xué)解卡技術(shù)具有復(fù)合解堵高效、腐蝕率低等優(yōu)點(diǎn)，因此開(kāi)展配套化學(xué)解卡體系的對(duì)電潛泵垢樣溶蝕性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)、對(duì)電潛泵部件的影響評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)以評(píng)估其性能。

3 化學(xué)解卡體系評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

3.1 電潛泵垢樣溶蝕性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模涸u(píng)價(jià)三種化學(xué)解卡體系：鈣鎂垢體系(15%螯合劑酸液)、鹽酸體系(5%鹽酸HCl+緩蝕劑)、多氫酸體系(3%鹽酸HCl+多氫酸+緩蝕劑)對(duì)電潛泵垢樣溶蝕效果。

實(shí)驗(yàn)方法：首先將濾紙放入烘箱至恒重，記錄質(zhì)量m；再將垢樣置于105 ℃烘箱烘干至恒重，稱量1 g左右(m1)樣品放入聚四氟乙烯試劑瓶中，加入50 mL體系，置于90 ℃水浴中反應(yīng)8～12 h；然后將過(guò)濾不溶物進(jìn)行烘干稱重，記錄質(zhì)量m2，并用式(8)計(jì)算溶蝕率：

(8)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，三種化學(xué)解卡體系均能有效溶蝕垢樣，其中多氫酸體系的溶蝕率最高達(dá)到90.9%，這主要是由于多氫酸在酸性環(huán)境下發(fā)生多級(jí)電離，具有緩速性和絡(luò)合能力強(qiáng)的特點(diǎn)。鹽酸體系和鈣鎂垢酸液體系的溶蝕率都達(dá)到74%以上。鹽酸體系中H+可以快速溶蝕垢樣中的大量碳酸鹽垢，而鈣鎂垢體系的主要原理是利用螯合劑對(duì)金屬離子的螯合增溶作用，將難溶的垢樣溶解成可溶的離子狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到溶蝕效果。

表2 化學(xué)解卡體系對(duì)垢樣溶蝕結(jié)果Table 2 The corrosion results of scale samples by the chemical chemical stuck removal system

3.2 對(duì)電潛泵部件的影響

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模夯瘜W(xué)解卡體系需要對(duì)多級(jí)離心泵流道進(jìn)行酸洗及浸泡，因此基于安全性考慮，有必要考慮其對(duì)電潛泵各部件的傷害，確保電潛泵機(jī)組可以正常運(yùn)行。

電潛泵中較為重要的電纜部件如圖2所示，其中電纜鎧皮是電纜的保護(hù)層，解卡過(guò)程中鎧皮與化學(xué)解卡體系直接接觸，其安全性直接影響技術(shù)的成功；電纜保護(hù)套是電纜的核心部件，直接影響電纜的絕緣性；密封膠圈是電潛泵泵腔的關(guān)鍵密封部件，直接影響電潛泵機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；電潛泵保護(hù)器膠筒也是電潛泵機(jī)組的核心部件之一。因此分別需要開(kāi)展體系對(duì)電纜鎧皮腐蝕性、體系對(duì)電纜保護(hù)套腐蝕性、體系對(duì)密封膠圈腐蝕性、體系對(duì)電潛泵保護(hù)器膠筒腐蝕性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。

1為銅導(dǎo)體；2為加強(qiáng)絕緣層；3為絕緣層；4為保護(hù)套； 5為耐油墊層；6為鎧皮層圖2 潛油泵電纜部件示意圖Fig.2 Schematic diagram of submersible submersible pump cable components

實(shí)驗(yàn)方法：采用垢樣溶蝕性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)類似方法，將垢樣換成電潛泵部件。對(duì)于金屬部件采用酸液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)于橡膠類部件還采用有機(jī)解堵劑和采油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.2.1 體系對(duì)電纜鎧皮腐蝕性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，圓形電纜鎧皮在鹽酸體系中的質(zhì)量減少3.35%，反應(yīng)初期產(chǎn)生大量氣泡，隨著H+離子消耗，反應(yīng)逐漸減弱。扁形電纜凱皮與多氫酸體系反應(yīng)較弱，反應(yīng)后質(zhì)量減少0.67%，腐蝕速率低。兩種電纜鎧皮在鈣鎂垢解卡體系中的質(zhì)量分別減少0.25%、0.08%，無(wú)明顯反應(yīng)現(xiàn)象。這主要是因?yàn)轵蟿┤菀着c金屬離子形成聚羧酸鹽配離子，腐蝕率極低。如圖3所示，電纜凱皮在三種化學(xué)解卡體系中浸泡前后，外觀沒(méi)有腐蝕現(xiàn)象，仍然具有金屬光澤，說(shuō)明施工過(guò)程中電纜安全可靠。

3.2.2 體系對(duì)電纜保護(hù)套腐蝕性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，鹽酸和鈣鎂垢體系對(duì)電纜保護(hù)套的外觀和質(zhì)量均無(wú)明顯影響；有機(jī)解堵劑對(duì)保護(hù)套有輕微的溶解作用，反應(yīng)后質(zhì)量減少2.8%；柴油對(duì)保護(hù)套有輕微的溶脹作用。如圖4所示，電纜保護(hù)套的外觀沒(méi)有明顯變化，保證了化學(xué)解卡過(guò)程中電纜保護(hù)套基本的功能不受影響。

表3 電纜鎧皮的腐蝕性能評(píng)價(jià)Table 3 Corrosion performance evaluation of cable armor

圖3 電纜鎧皮的外觀變化Fig.3 Appearance change of cable armor

表4 電纜保護(hù)套的腐蝕性能評(píng)價(jià)Table 4 Corrosion performance evaluation of cable protective sleeve

圖4 圓形電纜保護(hù)套的外觀變化Fig.4 Appearance changes of the round cable protective sleeve

3.2.3 體系對(duì)密封膠圈腐蝕性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示，在鹽酸體系和鈣鎂垢體系中，密封膠圈的質(zhì)量基本無(wú)變化；有機(jī)解堵劑和柴油浸泡后膠圈質(zhì)量增加2.21%和0.54%，主要是由于其對(duì)密封膠圈有一定的溶脹作用。如圖5所示，密封膠圈在化學(xué)解卡體系中外觀上無(wú)明顯變化，不影響密封膠圈基本的功能。

3.2.4 電潛泵保護(hù)器膠筒腐蝕性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示，保護(hù)器膠筒在鹽酸體系、鈣鎂垢體系和有機(jī)解堵劑中浸泡后質(zhì)量變化較小，但經(jīng)過(guò)柴油浸泡后質(zhì)量增加6.5%。其原因主要是柴油對(duì)保護(hù)器膠筒的溶脹作用，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)可通過(guò)減少關(guān)井反應(yīng)時(shí)間加以控制。如圖6所示，解卡體系對(duì)電潛泵保護(hù)器膠筒的外觀沒(méi)有變化，其基本的功能不受影響。

表5 密封膠圈的腐蝕性能評(píng)價(jià)Table 5 Corrosion performance evaluation of sealing rubber ring

圖6 保護(hù)器膠筒的外觀變化Fig.6 Appearance change of the protector rubber cylinder

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 總體應(yīng)用效果

如表7所示，多功能段塞的化學(xué)解卡技術(shù)已經(jīng)在渤海K油田應(yīng)用16井次，解卡后啟泵成功率100%，啟泵后累產(chǎn)油7×104m3，增產(chǎn)效果顯著。措施后有效期平均145 d，其中K-B10井最長(zhǎng)超486 d，復(fù)產(chǎn)后產(chǎn)油1.5×104m3，油井產(chǎn)能得到了徹底釋放，保障了油井的正常生產(chǎn)制度，減少了大量的修井檢泵作業(yè)成本，為無(wú)修井機(jī)作業(yè)平臺(tái)的檢泵作業(yè)提出了解決方案。

表7 2019—2020年渤海K油田電潛泵化學(xué)解卡技術(shù)應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)Table 7 Statistics on the application effect of chemical jam release technology of electric submersible pumps in Bohai K oilfield in 2019—2020

續(xù)表7

4.2 典型井應(yīng)用案例

K-B10是渤海油田深層沙河街組的一口定向生產(chǎn)井，2019年10月2日平臺(tái)失電關(guān)斷后啟泵過(guò)載停泵，電潛泵機(jī)組三項(xiàng)直阻平衡，絕緣30 MΩ，通過(guò)反洗、試啟、倒相序、調(diào)整參數(shù)試啟工作，再次過(guò)載。泵卡原因主要為電潛泵流道結(jié)垢以及有機(jī)重質(zhì)沉積堵塞。因此選擇“鹽酸+清洗液+鈣鎂垢”化學(xué)段塞解卡體系進(jìn)行化學(xué)解卡作業(yè)。

鹽酸體系對(duì)電潛泵內(nèi)垢樣進(jìn)行沖洗，壓力從14 MPa下降至10.34 MPa，說(shuō)明沖洗過(guò)程中溶蝕了泵流道表面的部分無(wú)機(jī)垢堵塞物；再正替清洗液至電潛泵流道內(nèi)，關(guān)井反應(yīng)4 h；正替處理液時(shí)，提高排量的情況下壓力為0，說(shuō)明清洗液解除了電潛泵中有機(jī)堵塞傷害；隨后繼續(xù)正替處理液(鈣鎂垢體系)至電潛泵內(nèi)，關(guān)井反應(yīng)22 h，徹底解除泵流道內(nèi)鈣鎂等無(wú)機(jī)堵塞傷害。

B10井電潛泵化學(xué)解卡作業(yè)后順利啟泵恢復(fù)生產(chǎn)，油壓1.2 MPa，日產(chǎn)液103.9 m3/d，日產(chǎn)油60.60 m3/d，日產(chǎn)氣0.29×104m3/d，含水41.39%，措施后至今有效，電潛泵化學(xué)解卡效果顯著。

5 結(jié)論

(1)渤海油田的典型電潛泵垢樣主要為碳酸鈣鎂鐵等無(wú)機(jī)垢與原油重質(zhì)組分形成的復(fù)雜有機(jī)-無(wú)機(jī)垢。

(2)以鹽酸體系、多氫酸體系和鈣鎂垢體系組成的化學(xué)段塞解卡技術(shù)，對(duì)泵流道中的復(fù)雜有機(jī)-無(wú)機(jī)垢具有效良好的溶蝕和分散作用，同時(shí)解卡過(guò)程中對(duì)主要電潛泵機(jī)組部件沒(méi)有影響，確保電潛泵的安全性。

(3)電潛泵化學(xué)解卡技術(shù)在渤海K油田應(yīng)用16井次，成功率100%，啟泵后累產(chǎn)油7×104m3，增產(chǎn)效果顯著。