趙云斌,王殿武,王鳳剛,王彥鵬 ,李瑞雪,王中華

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300459;2.中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

A油田為海上典型低滲油藏,儲層主要含油層系為沙二段和沙三段,平均孔隙度為15.2%,平均滲透率為35×10-3μm2,埋深3 500 m,原始地層壓力50 MPa,地層溫度139 ℃,沉積類型以辮狀河三角洲和扇三角洲為主,油藏類型以構(gòu)造、構(gòu)造-巖性、巖性-構(gòu)造油藏為主。原油含蠟量高(17%～40%)、凝固點高(30 ℃)、膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量高(7%),黏度低(1.25 mPa·s)、密度低(0.87 g/cm3)。該油田至今已開采16年,目前綜合含水62%,日產(chǎn)液2 230 m3,單井平均日產(chǎn)油25 m3,以潛油電泵為主要人工舉升方式開發(fā)。近幾年油田電泵井故障率逐年攀升,運轉(zhuǎn)時長明顯縮短,故障機(jī)組拆檢發(fā)現(xiàn)泵腔內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重(圖1),葉輪有裂痕,泵軸斷裂,加之井況復(fù)雜、修井難度大、作業(yè)周期長、投入成本高,嚴(yán)重制約了油田的高效開發(fā)。

圖1 潛油電泵泵腔葉導(dǎo)輪結(jié)垢情況

1 油井井筒垢樣和水質(zhì)分析

1.1 油井垢樣分析

取現(xiàn)場垢樣進(jìn)行實驗分析,用二氯甲烷充分洗脫垢樣,其中可溶油相質(zhì)量占2.2%,固相不可溶占97%,油相元素分析結(jié)果顯示為明顯的原油組成,固相不溶物中10%是泥沙和鐵粉末顆粒,90%是片狀物。片狀物中20%可被磁鐵吸附,對片狀物分別進(jìn)行X射線光電子能譜分析,結(jié)果顯示,可被磁鐵吸附片狀物含Mg、Fe、Na、O、Ca、C等元素,不可被磁鐵吸附物含C、Fe、O、S、N、Cl等元素(圖2)。

a.可被磁鐵吸附片狀物 b.不可被磁鐵吸附片狀物圖2 固相不溶片狀物X射線光電子能譜分析結(jié)果

考慮垢樣中含有硫元素,后期現(xiàn)場酸洗除垢可能存在H2S氣體溢出風(fēng)險。室內(nèi)進(jìn)行酸洗實驗驗證,取pH測定為1的溶液與垢樣反應(yīng),整體的溶解率為48%,剩余酸渣呈白色粉狀顆粒,硫化氫氣體檢測儀全程監(jiān)測,溶解過程中釋放大量的H2S氣體,反應(yīng)迅速。結(jié)合X射線光電子能譜分析結(jié)果,綜合判斷垢樣成份中含有大量的FeS,后期現(xiàn)場作業(yè)需做好硫化氫監(jiān)測和防護(hù)。

1.2 油井水質(zhì)分析

通常情況下,油田產(chǎn)出水礦化度較高,所含離子種類多樣,外界環(huán)境條件改變時,原來穩(wěn)定的體系失穩(wěn),易產(chǎn)生沉淀,從而結(jié)垢。文獻(xiàn)調(diào)研資料顯示,絕大多數(shù)油田產(chǎn)出水析出的垢為碳酸鈣垢[1-2]。對A油田某油井水樣開展室內(nèi)實驗研究,模擬研究地層壓力條件下不同溫度的結(jié)垢情況,結(jié)果顯示,結(jié)垢量隨溫度升高呈現(xiàn)快速上升趨勢,溫度大于60 ℃后上升趨勢變緩(圖3)。

圖3 不同溫度下結(jié)垢量的預(yù)測與實驗結(jié)果

掃描電鏡揭示了碳酸鈣垢的微觀形貌,主要是長粒方解石(圖4a),高能譜圖分析表明,物質(zhì)構(gòu)成主要是Ca、O、C三種元素(圖4b),判斷析出垢樣為碳酸鈣垢。

圖4 垢樣掃描電鏡分析和高能圖譜分析

2 結(jié)垢機(jī)理分析

2.1 油田碳酸鈣結(jié)垢機(jī)理分析

井筒內(nèi)泵掛垂深為2 500 m,對應(yīng)深度下環(huán)境溫度為125 ℃左右,井筒內(nèi)的高溫環(huán)境降低了CaCO3在水中的溶解速度,加之油井提液后,產(chǎn)液量從60m3/d提高至110 m3/d,井筒壓力進(jìn)一步下降,由14 MPa降低至8 MPa,加劇了CaCO3結(jié)晶沉淀。

2.2 油田硫化亞鐵結(jié)垢機(jī)理分析

硫化亞鐵垢主要是H2S與碳鋼反應(yīng)形成,井筒內(nèi)H2S成因主要分生物和非生物成因[3]。生物成因主要是硫酸鹽還原菌代謝過程中,分解有機(jī)酸和天然有機(jī)物得到分子氫,營養(yǎng)物質(zhì)被氧化,硫酸鹽被還原生成H2S[4]。海上生產(chǎn)流程檢測過程中,在監(jiān)測點均發(fā)現(xiàn)硫酸鹽還原菌,且個別監(jiān)測點具有逐年上升的趨勢。A油田Z1井組于2014年開始注水,注采井距420 m,日注水150 m3,注采比1.2,注水后受益油井地層壓力逐步回升,油井表現(xiàn)為液量充足,注采受效?？紤]生產(chǎn)流程中含有硫酸鹽還原菌,且井組注水受效明顯,分析是注入水?dāng)y帶硫酸鹽還原菌長期注入地層,后期油井見水后采出,在井筒中產(chǎn)生少量硫化氫,對碳鋼材質(zhì)電泵產(chǎn)生腐蝕所致。

3 防垢對策研究

目前國內(nèi)外常規(guī)的阻垢技術(shù)主要分物理阻垢、化學(xué)阻垢、工藝阻垢三類[5-6]。物理阻垢包括磁防垢、超聲波阻垢等技術(shù),其優(yōu)點是操作簡單方便,缺點是造價高,在油田應(yīng)用較少;化學(xué)阻垢主要是液體阻垢劑阻垢技術(shù),操作簡單,設(shè)備投資少,可通過改變防垢劑種類或濃度以適應(yīng)變化的環(huán)境,適用性強(qiáng),阻垢效果好且能夠長期使用。工藝阻垢包括延長沉降時間、凈水處理等技術(shù),該方法適用于油田水處理,不適用井筒除垢[7]。綜合分析,結(jié)合目前油田實際情況,采用化學(xué)阻垢方法。

油田使用防垢劑作用機(jī)理與結(jié)垢過程(晶核—晶體生長—晶體聚集)密切聯(lián)系。根據(jù)晶格畸變理論,防垢劑進(jìn)入到成垢環(huán)境后,藥劑分子迅速出現(xiàn)在晶體的活性增長點,吸附、包圍成垢離子,阻礙其在規(guī)則的晶格點陣上聚集排列,歪曲晶格,晶體變形,抑制晶體繼續(xù)生長,從而使所生成的污垢物理性質(zhì)發(fā)生變化,松軟且易被井液攜帶,以達(dá)到防垢目的[8]。

油田多年的開發(fā)效果表明:液體阻垢劑的選擇需要根據(jù)地層水樣(各項離子的含量、礦化度、pH值以及水型等)、油井生產(chǎn)方式和地質(zhì)條件,進(jìn)行針對性的實驗分析,采取合適的阻垢劑。常規(guī)的防垢劑種類包括無機(jī)磷酸鹽類、有機(jī)磷酸及鹽類或脂類、氨基多羥酸鹽、聚合物類、天然化合物類(表1),受本身特征的限制,其適用條件有所不同[9]。

表1 不同防垢劑種類對比

常規(guī)阻垢劑只能針對結(jié)垢的某一特定階段有效果[10],各類型的阻垢劑機(jī)理不同,且各有側(cè)重并且聯(lián)系緊密,因此采用復(fù)合阻垢劑,包含多種阻垢劑和緩蝕劑,能發(fā)揮較好的協(xié)同作用[11]。新型耐溫阻垢劑屬于聚合物類,成分中無磷且不含其他毒害有機(jī)物,對人體和環(huán)境危害較低,并且阻垢后的產(chǎn)物對地層傷害也較低。

該復(fù)合阻垢劑在A油田生產(chǎn)系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中廣泛使用。其作用機(jī)理是通過藥劑中的螯合酸緩慢釋放氫離子,與碳酸鈣、硫化亞鐵等無機(jī)垢中的陽離子進(jìn)行交換,降低了離子濃度,減少了沉淀生成,并與金屬成垢離子配位形成螯合物,避免再次結(jié)晶沉淀,溶垢的同時會產(chǎn)生少量H2S氣體,該氣體與藥劑中的相關(guān)成分反應(yīng)產(chǎn)生酸溶性化合物,從而可降低逸散危害。另外該復(fù)合阻垢劑中包含有部分緩蝕劑,同時也能夠起到降低對金屬管柱的腐蝕。

針對該防垢劑的效果,采用動態(tài)環(huán)道評價法和靜態(tài)結(jié)垢分析法進(jìn)行分析評價。動態(tài)環(huán)道評價法通過室內(nèi)對該復(fù)合阻垢劑進(jìn)行巖心驅(qū)替實驗,模擬注入后對巖心的傷害程度,實驗溫度130 ℃,實驗巖心為模擬人造巖心。結(jié)果表明添加阻垢劑后,對巖心的滲透率傷害程度(指驅(qū)替過程中的動態(tài)滲透率與巖心初始滲透率的比值)較低,并且隨著阻垢劑濃度增加,傷害程度進(jìn)一步降低(圖5)。靜態(tài)結(jié)垢分析法通過室內(nèi)實驗該復(fù)合阻垢劑在140 ℃環(huán)境條件下,對不同濃度的藥劑進(jìn)行橫向?qū)Ρ?發(fā)現(xiàn)300×10-4濃度以上即可達(dá)到很好的阻垢效果,即在較高的溫度條件下,通過提高藥劑濃度,可以達(dá)到較好的防垢作用。結(jié)合油井實際溫度環(huán)境條件,設(shè)定該濃度條件下,進(jìn)行縱向溫度梯度實驗分析,該復(fù)合阻垢劑在120 ℃以下阻垢率均達(dá)到95.0%以上,130 ℃阻垢率為92.7%,防垢效果顯著。

圖5 巖心驅(qū)替實驗?zāi)M阻垢劑的注入對巖心的傷害程度對比

此外,合適的復(fù)合阻垢劑必須選擇合理的加藥方式才能充分發(fā)揮防垢效果。常規(guī)的加藥方式包括地面間歇加藥、地面連續(xù)加藥和吞吐加藥等。地面間歇加藥方式適合結(jié)垢較輕的情況,投入少、效果好;地面連續(xù)加藥方式主要是利用藥劑自身重力和套壓作用,促使藥劑在井筒內(nèi)緩慢流動;吞吐加藥方式適用于結(jié)垢嚴(yán)重的情形,通過藥劑與地層的吸附作用,開采過程中伴隨井液流動,逐步釋放有效的化學(xué)組分,從而達(dá)到防垢效果。

根據(jù)現(xiàn)場油井生產(chǎn)實際情況和地面流程系統(tǒng),選取地面連續(xù)加藥方式,設(shè)置投藥點在電泵機(jī)組吸入口處,通過藥劑管線連接至地面,采用柱塞泵連續(xù)注入,使注入的復(fù)合阻垢劑與地層液體能夠充分混合,起到緩蝕阻垢作用,保障電泵機(jī)組正常運轉(zhuǎn)。

4 A油田現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

利用藥劑注入復(fù)合電纜連接井口柱塞泵和潛油電泵吸入口,通過柱塞泵提供動力源,新型耐溫阻垢劑流入藥劑注入復(fù)合電纜至電泵吸入口,再進(jìn)入泵腔、油管,返回至地面管線流程,促使新型耐溫阻垢劑與井液在井筒內(nèi)中充分混合,抑制垢體析出,保障油井正常生產(chǎn),電泵穩(wěn)定運轉(zhuǎn),有效延長了機(jī)組使用壽命,油田泵機(jī)組年故障率下降了4.3%。截至目前,已經(jīng)穩(wěn)定運行時長425 d,較近幾年下入泵機(jī)組的平均壽命294 d大幅提高。試驗油井目前產(chǎn)液178 m3/d,產(chǎn)油65 m3/d,藥劑管線井口注入壓力2.8 MPa,日注入量48 L,各項參數(shù)運行穩(wěn)定,取得了初步的成效,對于后期低滲油田電泵井的穩(wěn)定開發(fā)有一定的借鑒意義。

5 結(jié)論

1)海上A油田井筒結(jié)垢主要分為兩種,一種是由于環(huán)境溫度和提液后井筒壓力大幅下降,打破平衡,在井筒中易析出碳酸鈣垢;另一種是由于注入水?dāng)y帶硫酸鹽還原菌,長期注水,油井受效后,攜帶硫酸鹽還原菌產(chǎn)出,導(dǎo)致井筒電泵受到腐蝕,從而產(chǎn)生硫化亞鐵垢。

2)通過藥劑管線從地面向井下電泵吸入口連續(xù)注入復(fù)合阻垢劑,有效起到緩蝕阻垢作用,在A油田現(xiàn)場單井應(yīng)用中延長了電泵機(jī)組使用壽命,取得了初步的效果,對于油田中高含水后期高效開發(fā)有一定的借鑒意義。