弱堿體系三元驅(qū)抽油機(jī)井防垢泵的研制與應(yīng)用

葛樂清

摘要：我們和大慶采油三廠合作研發(fā)并應(yīng)用了弱堿體系三元驅(qū)抽油機(jī)井防垢泵。該泵是在弱堿三元復(fù)合驅(qū)采出井結(jié)垢機(jī)理研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，以泵產(chǎn)量和泵效作為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化泵的結(jié)構(gòu)和材料，旨在降低檢泵率和生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：三元驅(qū);防垢;檢泵周期

大慶油田進(jìn)入中高含水開發(fā)后期，作為三次采油的接替技術(shù)——三元復(fù)合驅(qū)油成為提高采收率的一項(xiàng)重要技術(shù)措施，但隨著采出液中聚合物濃度、弱堿濃度和表活劑濃度的升高，造成三元復(fù)合驅(qū)抽油機(jī)井檢泵率升高，縮短了檢泵周期，增加了檢泵費(fèi)用，嚴(yán)重影響了三元復(fù)合驅(qū)的正常生產(chǎn)。2010年檢泵周期306天，2011年檢泵周期289天，2012年檢泵周期236天。因此，開展弱堿體系三元驅(qū)抽油機(jī)井防垢泵的研制、試驗(yàn)，以延長檢泵周期，采取針對(duì)性的防治措施，對(duì)于穩(wěn)定油田生產(chǎn)具有重要的意義。

1.弱堿體系三元復(fù)合驅(qū)采出井結(jié)垢機(jī)理研究

1.1試驗(yàn)區(qū)的基本概況

弱堿三元驅(qū)試驗(yàn)區(qū)位于大慶長垣薩北開發(fā)區(qū)的北三區(qū)西部，試驗(yàn)區(qū)面積3.58km2，注入井和采油井各30口。目前油井檢泵鑒定有6口井發(fā)現(xiàn)大量結(jié)垢現(xiàn)象，化驗(yàn)結(jié)果其垢樣主要成分為碳酸鹽。

1.2結(jié)垢機(jī)理

（1）垢樣的成分分析

垢樣為灰褐色松板片狀，2口井垢樣含碳酸鹽（碳酸鈣、碳酸鎂）含量80%，有機(jī)物（油及結(jié)合水）含量11.82%，說明該垢樣為油田典型碳酸鹽垢樣。

（2）理論研究

根據(jù)無機(jī)化學(xué)原理和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，溶液中存在平衡，碳酸鹽垢是油田生產(chǎn)過程中最為常見的一種沉積物。從熱力學(xué)、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)碳酸鹽結(jié)垢機(jī)理進(jìn)行分析，得到：

a.熱力學(xué)因素

碳酸鈣在水中的溶解度很低，弱堿三元垢的形成基本上是碳酸鈣的溶解和沉淀的平衡問題。

影響水中碳酸鈣沉淀、溶解平衡的主要因素有：二氧化碳含量、溫度、壓力、含鹽量、pH值等，這些都與熱力學(xué)因素有關(guān)。三廠屬于弱堿注入系統(tǒng)，體系中成垢陰離子以碳酸根為主。

b.結(jié)晶動(dòng)力學(xué)因素

垢沉積是溶質(zhì)從過飽和溶液中結(jié)晶析出、聚沉并沉淀的過程。開始為誘導(dǎo)期，因物質(zhì)種類、沉淀?xiàng)l件、溶液過飽和度不同而不同。在溶液體系中，當(dāng)成垢離子濃度低于其溶解度時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)晶體沉淀，溶液為穩(wěn)定態(tài)。當(dāng)濃度大于其溶解度而過飽和度較低時(shí)，結(jié)晶數(shù)目少，粒大，但析出很慢，溶液為亞穩(wěn)態(tài)。這時(shí)的結(jié)晶主要發(fā)生在容器壁上，因?yàn)橐汗探缑婺芙档统晒鸽x子結(jié)晶所需要的能量。在實(shí)際體系中，存在多固液界面，碳酸鈣晶體更易于形成垢。

c.流體動(dòng)力學(xué)因素

影響結(jié)垢的流體動(dòng)力學(xué)因素是液流形態(tài)（層流、紊流）、流速及其分布。在油田結(jié)垢環(huán)境中，管線內(nèi)不光滑表面、已腐蝕表面附近易出現(xiàn)紊流狀態(tài)，使局部過飽和度增大而產(chǎn)生結(jié)垢。

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)論——影響結(jié)垢的因素

（1）溫度、壓力、離子組成等熱力學(xué)條件改變導(dǎo)致垢的溶解度降低，造成水溶液過飽和而產(chǎn)生沉淀，形成垢;

（2）離子組成不相溶的水相互混合，引起水溶液過飽和而產(chǎn)生沉淀，形成垢;

（3）由于流體內(nèi)部、流體與管道內(nèi)壁摩擦，引起成垢。其次，根據(jù)吸附原理，當(dāng)管壁的金屬層一旦被垢覆蓋，垢的吸附速度加劇。

2.三元驅(qū)抽油機(jī)井防垢泵研制

防垢泵是在結(jié)合弱堿體系三元驅(qū)結(jié)垢機(jī)理、整筒抽油泵原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上研制的。柱塞中間由多個(gè)金屬彈性密封環(huán)和軟密封環(huán)組成密封段。金屬彈性密封環(huán)表面采用噴鎳合金，是非閉合的金屬環(huán)，徑向有一定的壓縮量，不會(huì)被卡死;金屬彈性密封環(huán)在運(yùn)動(dòng)過程中也能起到刮垢的作用;軟密封環(huán)為聚四氟乙烯材質(zhì)，與泵筒是非金屬與金屬的一對(duì)摩擦副，不易結(jié)垢，既保證了密封性，又提高了耐磨性;柱塞兩端裝有刮垢環(huán)，具有一定的彈性，當(dāng)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，刮垢環(huán)緊貼泵筒內(nèi)壁上下刮動(dòng)，刮下來的垢可隨螺旋槽被油流帶走。另外柱塞內(nèi)孔鍍硬鉻，閥罩、球座等關(guān)鍵零件部位均噴鎳。為充分發(fā)揮三元防垢泵其效能，研究應(yīng)用新材料、新技術(shù)，解決柱塞結(jié)垢、密封、壽命問題。

2.1研究?jī)?nèi)容：

2.1.1表面涂層防垢材料及涂層技術(shù)的優(yōu)選

2.1.2防垢泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括以下兩點(diǎn)：

第一：改進(jìn)泵的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到清垢的目的;

（1）柱塞整體應(yīng)用軟體密封，密封段采用高分子軟體聚織物材料?（或聚四氟改性材料）;

（2）應(yīng)用密封補(bǔ)償技術(shù);在密封段內(nèi)安裝密封補(bǔ)償器;

（3）扶正體采用高分子改性材料，扶正體具有扶正、密封、防垢三重功能;

（4）采用高分子改性材料直接加工柱塞，使柱塞不結(jié)垢。

第二：在泵筒上采用特殊材料涂層以防止結(jié)垢。

2.2預(yù)計(jì)技術(shù)指標(biāo)：

（1）平均單井檢泵周期達(dá)到370天;

（2）平均單井泵效達(dá)到50%以上。

（3）研究適合清垢的泵的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到清垢的目的。

3.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

在13年8月份下井應(yīng)用7井次，從生產(chǎn)情況看，該泵在結(jié)構(gòu)上改進(jìn)后增加的清防垢功能并不會(huì)影響泵的正常生產(chǎn)，排量能滿足生產(chǎn)需要，檢泵周期最長的已達(dá)620天，平均檢泵周期為426天，較原來延長120天。平均單井泵效達(dá)到66.2%。得出結(jié)論：

3.1北三西弱堿三元驅(qū)結(jié)垢的主要成分為CaCO3沉淀垢，成垢類型主要是混合型沉淀。遵循鈣鎂存在條件下成垢規(guī)律，體系pH等再升高對(duì)鈣鎂碳酸鹽的結(jié)垢無任何影響。

3.2三元復(fù)合驅(qū)防垢抽油泵的研制，從泵的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，增加了清防垢功能，為解決三元復(fù)合驅(qū)的抽油泵卡泵現(xiàn)象開拓了一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域。從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況看，三元復(fù)合驅(qū)防垢抽油泵排量能夠滿足生產(chǎn)需要。

3.3從大慶油田采油三廠的未結(jié)垢的采出井與結(jié)垢井對(duì)比看，三元驅(qū)防垢泵應(yīng)用效果較好。

4.應(yīng)用前景

抽油機(jī)井三元防垢泵研制成功，提高了采出井的生產(chǎn)效率和檢泵周期。平均檢泵周期達(dá)到426天。共取得經(jīng)濟(jì)效益262.60萬元。投入產(chǎn)出比為1：20.02。減少了因油井作業(yè)造成的能耗和產(chǎn)量損失，對(duì)于今后油田實(shí)施低成本戰(zhàn)略，提高油田開發(fā)效果，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡博仲.聚合物采油工程[M].北京：石油出版社.1997年第一版

[2]萬仁博.采油工程手冊(cè)[M].石油工業(yè)出版社.2002年第一版

[3]王建斌等.三元復(fù)合驅(qū)油井除、防垢[J].清洗世界.2013，7期.