南海西部油田井下除防垢工藝探索與實(shí)踐

程利民,梁玉凱,李彥闖,謝思宇,宋吉鋒

(中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司,廣東 湛江 524057)

0 引言

2009年1月至2017年12月底,南海西部油田總共發(fā)現(xiàn)近80井次存在結(jié)垢問(wèn)題,其中結(jié)垢井?dāng)?shù)約占注水開(kāi)發(fā)總井?dāng)?shù)的50%,結(jié)垢類(lèi)型以硫酸鋇鍶垢和碳酸鹽垢為主.結(jié)垢原因主要為地層水與注入水不配伍,同時(shí)還有熱力學(xué)平衡狀態(tài)遭到破壞及動(dòng)力學(xué)條件發(fā)生改變等因素[1-4].

結(jié)垢給油井生產(chǎn)及修井、測(cè)試作業(yè)帶來(lái)較大不利影響[5-6].井下機(jī)組結(jié)垢導(dǎo)致電泵頻繁卡泵直至躺井,套管及井下工具結(jié)垢導(dǎo)致打撈及起管柱等作業(yè)難度增大,油管內(nèi)結(jié)垢使得測(cè)試工具無(wú)法入井進(jìn)行測(cè)試作業(yè):結(jié)垢導(dǎo)致油井產(chǎn)液指數(shù)降低甚至停產(chǎn),每天制約原油產(chǎn)量約600 m3.為了消除結(jié)垢影響,前期針對(duì)地層結(jié)垢問(wèn)題,采取了在井下加裝藥劑管線,定期擠注藥劑進(jìn)入儲(chǔ)層及向注水井加化學(xué)防垢劑,使其隨注入水進(jìn)入目的產(chǎn)層等措施;針對(duì)井下管柱及電泵機(jī)組結(jié)垢問(wèn)題,進(jìn)行了超聲波物理防垢及機(jī)械刮管除垢,但效果均不夠理想[7-8].為此,開(kāi)展了多種除防垢工藝研究,并實(shí)施了4口井的化學(xué)除防垢作業(yè).

1 地層除防垢工藝

1.1 化學(xué)螯合除垢劑

室內(nèi)研究選取了3種除垢劑MC78,B1及CSD301,硫酸鋇垢的除垢率與油藏溫度、除垢劑質(zhì)量濃度的變化關(guān)系如表1所示.

表1 3種除垢劑在不同條件下的除垢率

從表1可以看出:相同質(zhì)量濃度下,同一種除垢劑溶液的除垢率隨溫度升高而增大;相同溫度下,同一種除垢劑的除垢率隨其質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)先增大后略微減小的趨勢(shì).由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,CSD301除垢效果最好,其最優(yōu)質(zhì)量濃度為400 g/L.

為考察除垢劑CSD301對(duì)目標(biāo)油田巖心的傷害程度,進(jìn)行巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示.

表2 除垢后水相滲透率恢復(fù)率

表3 除垢后油相滲透率恢復(fù)率

從表2和表3可以看出,除垢劑對(duì)巖心傷害較小,儲(chǔ)層保護(hù)效果良好,可以滿足地層除垢作業(yè)要求.

1.2 擠注緩釋防垢劑

實(shí)驗(yàn)選用地層水和注入水按體積比為1∶1配制的混合水,測(cè)定室內(nèi)選出的3種防垢劑SA308,SA701及CSN201的動(dòng)態(tài)有效性,結(jié)果如圖1所示.

圖1 動(dòng)態(tài)有效性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

防垢劑的最低有效質(zhì)量濃度(MIC值)為不加防垢劑時(shí),體系開(kāi)始結(jié)垢所需時(shí)間的3～5倍所對(duì)應(yīng)的防垢劑質(zhì)量濃度.從圖1可以看出,不加防垢劑時(shí),體系開(kāi)始結(jié)垢的時(shí)間為32 min.CSN201質(zhì)量濃度為5 mg/L時(shí),體系結(jié)垢時(shí)間為97 min,即該防垢劑MIC值為5 mg/L.防垢劑SA701和SA308隨各自質(zhì)量濃度的增加,防垢效果并不明顯.

為考察CSN201的吸附性能,進(jìn)行了巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖2所示.從圖2可以看出,當(dāng)驅(qū)替800 PV后,CSN201的質(zhì)量濃度仍可以達(dá)到MIC值,說(shuō)明該防垢劑具有較好的吸附性能,可用于長(zhǎng)期有效防垢.

圖2 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 井下管柱及機(jī)組除防垢工藝

2.1 連續(xù)油管水力沖洗/磨銑除垢

通過(guò)連續(xù)油管將旋轉(zhuǎn)射流工具下入井內(nèi),利用高壓將工作液升壓后,通過(guò)噴嘴形成高速射流,沖擊油管內(nèi)壁,使垢層破碎脫離.針對(duì)結(jié)垢較嚴(yán)重、水力沖洗除垢效果差的情況,可考慮磨銑除垢.通過(guò)連續(xù)油管工具串帶旋轉(zhuǎn)水力馬達(dá),底部為磨銑鉆頭,由水力驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)下部鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn),將大塊沉淀切碎后再循環(huán)出井筒.

2.1.1 連續(xù)油管及配套工具尺寸優(yōu)選

連續(xù)油管工具串需能通過(guò)井下管柱最小內(nèi)徑位置,同時(shí)對(duì)連續(xù)油管壓耗模擬計(jì)算,并參考酸化泵工作參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)的陸地壓耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),優(yōu)選出合適的連續(xù)油管尺寸.

2.1.2 連續(xù)油管入井力學(xué)模擬和水力計(jì)算

參考目標(biāo)井的井身結(jié)構(gòu)及管柱結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),對(duì)前面優(yōu)選出連續(xù)油管的上提下放懸重進(jìn)行軟件模擬計(jì)算,保證其在安全范圍內(nèi),滿足其能下至目的井段并上提至地面的作業(yè)要求.此外,還需計(jì)算循環(huán)排量與管柱下放速度、攜砂上返速度,以及其與管柱下放速度和全體沉降速度之間的關(guān)系,保證泵合理排量范圍內(nèi)攜砂上返速度大于全體沉降速度.

2.1.3 沖洗工作液

射流除垢主要運(yùn)用射流的水力破碎作用,所以噴嘴射流速度和壓力是關(guān)鍵要素.考慮到儲(chǔ)層保護(hù)問(wèn)題,射流液推薦采用修井常用的修井液,然后加上減阻劑(聚合物),能夠降低流動(dòng)阻力,同時(shí)可增大噴嘴射程.此外,為保證除垢后返排的攜帶效果,需要一定量的高黏稠塞.

2.1.4 吊機(jī)能力及平臺(tái)空間

一般連續(xù)油管設(shè)備中以帶盤(pán)滾筒最重,平臺(tái)上的吊機(jī)需滿足可以將帶盤(pán)滾筒吊上平臺(tái).為減輕吊機(jī)負(fù)荷,整套設(shè)備采用分體吊裝的形式.由于整個(gè)連續(xù)油管除垢作業(yè)涉及的設(shè)備較多,包括動(dòng)力撬、控制撬、帶盤(pán)滾筒、酸化泵、儲(chǔ)液罐及工具箱等,平臺(tái)閑置場(chǎng)地需滿足設(shè)備擺放要求.

2.2 涂層防垢

涂層防垢是通過(guò)在油管及井下工具表面進(jìn)行涂層處理,來(lái)降低其表面能或提高其表面的光滑度,從而降低垢在其表面的附著概率,以達(dá)到防垢的目的.一般防垢性能良好的涂層材料具有低表面能、表面光滑度高、良好的表面微細(xì)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn).

2.2.1 涂層防垢性能

所用涂層需具有較好的阻垢性能.采用高性能聚合物對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行涂層,實(shí)驗(yàn)?zāi)M管材現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的環(huán)境狀況及采出液流通狀態(tài),將鋼片掛入南海西部油田某油井地層水中,在60℃、泵排量6.3 m3/h、壓力1 MPa條件下,實(shí)驗(yàn)168 h,測(cè)試掛片形貌及質(zhì)量,表征防垢性能.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示.從表4可以看出,該涂層阻垢效果較好,阻垢率可達(dá)97.4%.

表4 阻垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 與井下工具或管柱的適應(yīng)性

為解決因分層滑套結(jié)硫酸鋇鍶垢導(dǎo)致油流通道堵塞,甚至油井無(wú)產(chǎn)出的問(wèn)題,將滑套進(jìn)行涂層處理,并進(jìn)行相關(guān)功能實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,滑套涂層前表面光滑,而涂層后其內(nèi)襯套表面較為粗糙,難以和膠圈形成良好的密封效果.用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量滑套內(nèi)襯管涂層前后的外徑,并計(jì)算得涂層厚度,為1.21 mm.由于涂層厚度較大,導(dǎo)致滑套涂層后其內(nèi)襯管可能無(wú)法進(jìn)入滑套本體.

針對(duì)滑套涂層防垢存在的不足,還需開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究.建議將涂層表面進(jìn)行打磨:一方面減小涂層厚度,便于滑套組裝及開(kāi)關(guān)工具通過(guò);另一方面提高涂層表面光滑度,從而實(shí)現(xiàn)與膠圈的良好密封.

2.3 貴金屬防垢

貴金屬防垢工具裝置內(nèi)芯的材質(zhì)含有銅、鋅、鎳等9種不同的金屬成分,這些金屬可以形成一種特殊的電化學(xué)催化體.由于合金所包含元素的電負(fù)性比液相中的離子要低,向溶液提供電子,使溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng),液相中各種粒子及雜質(zhì)不易相互結(jié)合形成垢,并能破壞垢的晶格鍵,使垢緩慢脫落,起到防垢效果.

2.3.1 防垢工具

常用的是油管短節(jié)式貴金屬井下防垢工具,需配合防垢芯片一起使用.先將數(shù)片防垢芯片用同一根軸串在一起,并安裝到油管短節(jié)內(nèi),再將內(nèi)置芯片的油管短節(jié)連接到防垢目的位置,當(dāng)流體通過(guò)短節(jié)內(nèi)的防垢芯片時(shí),方起到防垢作用.不同規(guī)格的防垢工具有不同的流體處理能力,需根據(jù)油井的產(chǎn)液能力選擇工具尺寸.較常用的防垢工具外徑分別為88.9,114.3 mm,其流體處理能力分別為648,888 m3/d.

2.3.2 管柱結(jié)構(gòu)

為解決因電泵結(jié)垢導(dǎo)致頻繁卡泵無(wú)產(chǎn)出的難題,可將貴金屬防垢器懸掛在電泵導(dǎo)流罩下面,保證流體在流經(jīng)電潛泵前經(jīng)過(guò)防垢工具處理,從而防止電泵本體結(jié)垢.因?yàn)閷?dǎo)流罩外徑相對(duì)較大,生產(chǎn)管柱入井過(guò)程中有遇阻風(fēng)險(xiǎn),建議選取不加厚油管作為支管.

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2014年以來(lái),南海西部油田已實(shí)施4口井的化學(xué)除防垢作業(yè),均取得了較好的穩(wěn)產(chǎn)增油效果.以W9井為例,該井自投產(chǎn)以來(lái),多次出現(xiàn)欠載及滑套無(wú)法正常開(kāi)關(guān)的現(xiàn)象,修井過(guò)程中發(fā)現(xiàn)油管、電泵及射孔槍等位置結(jié)垢,實(shí)驗(yàn)分析垢樣組分為100%硫酸鋇,分析該井不能連續(xù)生產(chǎn)的主要原因?yàn)榻Y(jié)垢導(dǎo)致電泵葉輪卡死、管柱及近井地帶油流通道堵塞.該井于2016年4月開(kāi)展除防垢,作業(yè)前后生產(chǎn)情況如圖3所示.

圖3 除防垢前后W9井生產(chǎn)情況

除垢作業(yè)后,硫酸根離子質(zhì)量濃度從作業(yè)前的42 mg/L增加到最大3 960 mg/L,鋇離子質(zhì)量濃度從14 mg/L增加到最大147 mg/L,鈣離子質(zhì)量濃度由281 mg/L增加到最大2 473 mg/L,預(yù)計(jì)溶解硫酸鹽垢約200 kg,取得了較好的除垢效果.

實(shí)施防垢作業(yè)后1周、1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月及12個(gè)月檢測(cè)防垢劑質(zhì)量濃度,分別為2700,540,333,101,35 mg/L,均大于實(shí)驗(yàn)所得防垢劑的最低有效質(zhì)量濃度5 mg/L.從圖3中可以看出,該井除防垢作業(yè)前受結(jié)垢影響,產(chǎn)液量逐漸下降,直至電泵結(jié)垢卡死無(wú)產(chǎn)出.措施作業(yè)后,該井連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)16個(gè)月,挽回原油損失2.2X104m3,達(dá)到了預(yù)期效果.

4 結(jié)論

1)化學(xué)螯合除垢+擠注緩釋防垢可有效解決儲(chǔ)層結(jié)垢問(wèn)題.實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出的除垢劑CSD301最優(yōu)質(zhì)量濃度為400 g/L,98℃下硫酸鋇垢除垢率可達(dá)65%;優(yōu)選出的防垢劑CSN201最低有效濃度為5 mg/L,當(dāng)驅(qū)替800 PV后,其質(zhì)量濃度仍為MIC值,可滿足長(zhǎng)期有效防垢的要求.

2)連續(xù)油管水力沖洗/磨銑除垢可有效解決管柱內(nèi)結(jié)硫酸鋇鍶垢導(dǎo)致油井產(chǎn)能降低的問(wèn)題;涂層防垢可有效解決分層開(kāi)采管柱因分層滑套或中心管結(jié)硫酸鋇鍶垢引起液流通道被堵塞甚至無(wú)產(chǎn)出的問(wèn)題;貴金屬防垢可有效解決電泵本體結(jié)垢引起頻繁卡泵導(dǎo)致無(wú)產(chǎn)出的問(wèn)題.