油田水平井合金防垢器研制與效果評(píng)價(jià)

王明軍，李春福，胡文濤

（1.西南石油大學(xué)，成都 610500；2.中石化華北油氣分公司，鄭州 450000）

油田水平井合金防垢器研制與效果評(píng)價(jià)

王明軍1，李春福1，胡文濤2

（1.西南石油大學(xué)，成都 610500；2.中石化華北油氣分公司，鄭州 450000）

目的 探尋合金防垢在某油田的適用性。方法 利用設(shè)計(jì)的模擬試驗(yàn)裝置，以防垢效果為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)選出作為合金防垢器核心部件合金扇形片的元素配比，設(shè)計(jì)并研制扇形合金片螺旋排列結(jié)構(gòu)的串聯(lián)式合金防垢器，選擇油田的油井進(jìn)行5個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果 地層水中的鈣鎂離子質(zhì)量濃度提高了260%，防垢率較化學(xué)阻垢提高了76%。結(jié)論 該合金防垢器防垢效果較好。

管柱結(jié)垢；合金防垢；鈣鎂離子；防垢率

某油田為典型的低孔特低滲致密儲(chǔ)層，儲(chǔ)層油、水兩相區(qū)域較窄，隨含水飽和度的增加，油相滲透率快速下降，水相滲透率略呈直線上升[1]。由于水敏性較強(qiáng)，且地層水礦化度特別是鈣鎂離子含量較高，油井易在生產(chǎn)管柱內(nèi)結(jié)垢[2]。同時(shí)油井生產(chǎn)過(guò)程中因各種因素造成的偏磨損害嚴(yán)重，進(jìn)而造成產(chǎn)量下降，生產(chǎn)困難。

目前油田防垢技術(shù)主要包括化學(xué)法、物理法和工藝法[3—4]。針對(duì)越來(lái)越嚴(yán)重的井結(jié)垢問(wèn)題，油田自開采以來(lái)主要采用了向井內(nèi)加注防垢劑的方法來(lái)預(yù)防結(jié)垢[5]，防垢率僅80%。文中針對(duì)油田化學(xué)藥劑防垢率較低的現(xiàn)狀，對(duì)部分油井地層液進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)目前國(guó)內(nèi)物理防垢技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)選，確定采用合金防垢技術(shù)，進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 合金防垢原理

防垢合金主要由銅、鋅、錫、鎳、錳、銀等具有不同電負(fù)性的金屬元素構(gòu)成，這些元素之間存在電極電位差異，因此在加工制備的合金中會(huì)有電勢(shì)差存在，形成多個(gè)微小的原電池，構(gòu)成了特殊的電化學(xué)催化體，可以向流體介質(zhì)釋放自由電子，使流體介質(zhì)產(chǎn)生極化效應(yīng)[6]。其中電極電位較低的鋅首先被氧化為離子進(jìn)入水中，釋放出電子。相比CO32-和自由電子，Ca2+和帶正電的膠體更容易與電子結(jié)合，水偶極子與鈣鎂離子形成牢固的水合離子，使正負(fù)電荷重心偏離增大，增加了礦化物的溶解度，從而達(dá)到防垢目的[7]。

2 合金防垢配比

2.1 合金材料組成

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，合金材料不斷接觸高礦化度地層液，同時(shí)受到地層液的上升沖刷，所以選取的合金元素相互之間既要有較高電位差，又能保持化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定[6]。理論上合金元素種類越多，形成的微電池越多，防垢能力越強(qiáng)，但會(huì)產(chǎn)生諸如比例調(diào)整等冶煉工藝問(wèn)題?？紤]到以上及經(jīng)濟(jì)因素，初步選取銅、鋅、錫、鎳、錳、銀等，合金配比以銅為溶劑，以鋅為主要溶質(zhì)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)和文獻(xiàn)[7]等的報(bào)道，3個(gè)典型專利中合金成分列于表1。由表1可見，合金材料的各元素含量是一個(gè)范圍值，最佳防垢效果的元素配比也應(yīng)處于該范圍之內(nèi)。

試驗(yàn)中，在各元素最優(yōu)防垢范圍內(nèi)選取幾個(gè)配比，見表2。通過(guò)防垢動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)選取防垢效果較好的組合，為進(jìn)一步優(yōu)化合金組合打下基礎(chǔ)。

表1 各類合金組合元素含量Table 1 Combination of element contents in various alloys %

表2 實(shí)驗(yàn)合金組合元素含量Table 2 Composite element contents in the experimental alloy %

2.2 合金防垢室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

防垢實(shí)驗(yàn)裝置采用兩條平行管路系統(tǒng)，兩條管路所含部件及管線相同，具備加熱和流量控制功能。實(shí)驗(yàn)裝置主要由容器水箱、熱電偶、溫控調(diào)節(jié)器、加熱器、循環(huán)水泵、管道、調(diào)節(jié)閥門、流量計(jì)、臺(tái)架等組成。其中在平行管路1上連接合金防垢器（可更換不同合金），平行管路2作為參照。

加工制造時(shí)，容器水箱容積為80 L，由PVC 板材制作，其中間用 PVC 板間隔開而不會(huì)給循環(huán)水帶來(lái)干擾。管線選取有熱承載能力的 PPR 熱水管，選取增壓式循環(huán)水泵，泵體滿足耐腐蝕又可循環(huán)冷熱水的要求，其流速控制在 10 L/min以上。實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 合金防垢動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Dynamic experiment device for alloy antiscale

2.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

模擬油田油井井筒條件：取W2-44-2井管內(nèi)垢樣作為實(shí)驗(yàn)的防垢對(duì)象，容器水箱溫度控制在80～90 ℃之間，設(shè)定循環(huán)水泵工作參數(shù)及調(diào)節(jié)閥門，使得管線流量與該井現(xiàn)場(chǎng)流速接近。

1）合金材料配比實(shí)驗(yàn)。為減少因?qū)嶒?yàn)水樣差異而造成實(shí)驗(yàn)誤差，將實(shí)驗(yàn)容器1、容器2同時(shí)裝入根據(jù) W2-44-2井地層液成分含量配置的實(shí)驗(yàn)水樣。實(shí)驗(yàn)設(shè)置為5組，每組實(shí)驗(yàn)選用W2-44-2井相同垢樣各2份，垢樣按照組序進(jìn)行編號(hào)（1—10），并稱量初始質(zhì)量。每組實(shí)驗(yàn)開始前，將垢樣分別放置于2個(gè)垢樣夾持器，然后將夾持器分別固定于容器水箱1和容器水箱2中。5組實(shí)驗(yàn)依次進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為15天，每隔3天將容器水箱1、容器水箱2的垢樣取出，分別放入烘箱恒溫80 ℃下持續(xù) 30 min 后再稱量記錄，然后重新放入夾持器中繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，直至該組實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中考慮到水分蒸發(fā)，每天可向兩容器水箱添加蒸餾水至實(shí)驗(yàn)水樣的初始位置。通過(guò)該組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，優(yōu)選出防垢效果較好的合金材料配比組合。

2）合金防垢適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)裝置管路 2同樣串聯(lián)相同規(guī)格的合金防垢器，改裝后的防垢器內(nèi)安裝由配比實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出的合金材料，采用W2-43-5，W2-27-2，W2-46-2，W2-41-1井 4組不同礦化度的地層采出液進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，采取兩組地層液實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。選擇W2-44-2井管內(nèi)垢樣，編號(hào)依次為 11—14，過(guò)程中做好垢樣稱量，并記錄各垢樣質(zhì)量變化數(shù)據(jù)以及各地層液成分變化，后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程同上操作。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1）合金材料配比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)水樣組成：鈣離子為900 mg/L；鎂離子260 mg/L；礦化度為31 900 mg/L。每組第二個(gè)垢樣為空白對(duì)比樣。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，防垢率[9]（以第1組說(shuō)明）=（Δm2-Δm1）/Δm2[10]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，可以看出，第4組合金配比的防垢效果較好，防垢率可達(dá)90%以上。

2）合金防垢適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。合金防垢適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)各組垢樣的質(zhì)量增量趨勢(shì)如圖2所示，圖2中添加合金材料配比實(shí)驗(yàn)中最優(yōu)防垢效果對(duì)比，垢樣編號(hào)為7。W2-43-5，W2-27-2，W2-44-2，W2-46-2，W2-41-1井液礦化度分別為：10 450，23 700，42 000，47 300 mg/L。由圖 2可見，在 W2-43-5， W2-27-2，W2-44-2，W2-46-2，W2-41-1井液礦化度下，各垢樣的質(zhì)量增幅約為 0.52，1.26，2.37，3.7，5.9 g。說(shuō)明礦化度增加，合金防垢效果減弱，但對(duì)不同礦化度都有明顯防垢效果。

表3 合金材料配比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 The experimental data of different alloy material formula

圖2 合金防垢適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)各組垢樣增重趨勢(shì)Fig.2 Sample weight gain trends of different experimental groups in alloy antiscale adaptability test

2.3 合金防垢器研制

2.3.1 性能要求

結(jié)合油田生產(chǎn)條件，所研制合金防垢器應(yīng)滿足以下要求：防垢器安裝與管柱密封性能要好，不影響油井后期維護(hù)及檢測(cè)工作；適應(yīng)油井不同的生產(chǎn)工況，具有耐壓、耐溫、耐高礦化度水質(zhì)等性能；可實(shí)現(xiàn)流體與防垢器充分接觸，增加兩者接觸時(shí)間，充分發(fā)揮合金材料對(duì)流體的極化作用[11]；防垢器易于取出，且自去污能力強(qiáng)。

2.3.2防垢器設(shè)計(jì)

依據(jù)以上性能要求，防垢器設(shè)計(jì)總體思路是：流體從防垢器進(jìn)液端進(jìn)入內(nèi)筒，隨后通過(guò)由多個(gè)合金疊加形成的螺旋空腔，流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)橥牧?，可與合金材料充分接觸，最后從出液端流出。

防垢器分為支撐外殼和核心兩大部分。支撐外殼包括進(jìn)出液端連接器、保護(hù)套；核心部分則由合金連接管柱、內(nèi)筒保護(hù)罩和合金扇片組成。內(nèi)筒保護(hù)罩為圓筒結(jié)構(gòu)，底端封口，斷面及近底端筒面均勻布置多個(gè)進(jìn)液孔眼。防垢器內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面均作合金鍍層處理，具有耐酸堿、耐中性鹽性能以及較好的耐溫性。

圖3 防垢器核心部分分解Fig.3 Core parts of the antiscale device

防垢功效主要通過(guò)核心部分發(fā)揮作用，文獻(xiàn)[12—13]中合金防垢結(jié)構(gòu)形式較多，主要目的是增加流體與合金材料的接觸面積。以往防垢器的結(jié)構(gòu)往往存在合金材料利用率不高、加工工序復(fù)雜等弊端。研制的合金防垢器把合金片做成扇形，并螺旋排列，它具有加工簡(jiǎn)單、接觸面積大的特點(diǎn)[14]，如圖4所示。同時(shí)該防垢器具有在井下可快捷安裝、便捷打撈、精確固定的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 防垢器合金材料結(jié)構(gòu)Fig.4 Alloy material structure of the antiscale device

3 安裝形式

合金防垢器采取串聯(lián)式安裝，即油井作業(yè)時(shí)，將防垢器安裝于指定兩根油管之間，防垢器隨油管下放到井筒固定位置[15]。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

選取 W2-44-2井進(jìn)行合金防垢試驗(yàn)，該井于2014年5月16日下泵投產(chǎn)，初期日產(chǎn)液7.76 t，日產(chǎn)油2.06 t，含水73.5%，2014年8月15日日產(chǎn)液1.21 t，日產(chǎn)油0.8 t，含水33.8%。至2014年10月末出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，隨后加注阻垢劑，每天藥劑加注量為200 L。2015年1月21日對(duì)該井安裝合金防垢器，安裝位置如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)防垢器安裝位置Fig.5 Installation location of the antiscale device in field test

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分為兩個(gè)階段：第1階段為檢測(cè)合金防垢器安裝之前加注阻垢劑時(shí)的生產(chǎn)情況；第2階段為檢測(cè)合金防垢器運(yùn)行后油井的生產(chǎn)情況。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 W2-44-2井合金防垢試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 Alloy antiscale test data for W2-44-2 well

通過(guò)圖6可以看出，安裝合金阻垢儀后，抽油機(jī)最大載荷整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，而地層液鈣鎂離子的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說(shuō)明合金防垢措施起到了阻垢作用。通過(guò)兩階段地層液鈣鎂離子最高濃度對(duì)比，即合金防垢與化學(xué)阻垢相比較，采用合金防垢后，地層液鈣鎂離子的質(zhì)量濃度提高了 538 mg/L，防垢率提高了76%。

5 結(jié)論

1）針對(duì)油田油井垢質(zhì)特征及油井結(jié)垢現(xiàn)狀，利用設(shè)計(jì)出的室內(nèi)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，優(yōu)選出了合金防垢材料的最佳配比及制造工藝。

2）根據(jù)油管井下實(shí)際情況，研制了采用螺旋排列的扇形合金片結(jié)構(gòu)的串聯(lián)式合金防垢器，具有加工簡(jiǎn)單、接觸面積大的特點(diǎn)，同時(shí)密封可靠、快捷安裝、便捷打撈、精確固定。

3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，與化學(xué)防垢效果相比，合金防垢可明顯提高鈣鎂離子質(zhì)量濃度。

4）模擬試驗(yàn)還表明，地層水礦化度越低，合金防垢器的防垢效果將越好，說(shuō)明在地層水礦化度較低的情況下會(huì)起到良好防垢效果。

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Development and Performance Evaluation of Alloy Antiscale in Horizontal Wells Oil-field

WANG Ming-jun1,LI Chun-fu1,HU Wen-tao2

( 1.Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2.North China Branch of Sinopec, Zhengzhou 450000, China)

ObjectiveTo explore the applicability of alloy antiscale in certain oilfield.MethodsA simulation test device was designed, and the scale prevention effect was selected as the evaluation index, the ratio of elements as material for the alloy segment, which was the core component of alloy antiscale device, was optimized, and tandem alloy antiscale device with spiral arrangement structure of segments was designed and developed. Finally, a 5-month field test was conducted in wells of oilfield.ResultsThe calcium and magnesium ion mass concentrations in formation water were increased by 260%, and the anti-scaling efficiency was 76% higher than that of chemical anti-scaling.ConclusionThe alloy antiscale device showed relatively good antiscale effect.

string scale; alloy antiscale; calcium and magnesium ions. antiscaling efficiency

10.7643/ issn.1672-9242.2016.03.025

TE258

A

1672-9242(2016)03-0151-05

2016-02-18；

2016-04-05

Received：2016-02-18；Revised：2016-04-05

王明軍（1979—），男，河南太康人，博士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橛蜌馓锕艿腊踩斔图夹g(shù)。

Biography：WANG Ming-jun(1979—), Male, from Taikang, Henan, Ph.D. candidate, Senior engineer, Research focus: safety transportation technology for oil and gas pipeline.