玻璃鋼分層注水井管研發(fā)與應(yīng)用

陶佳棟，金立群，袁 偉，盧明昌

(勝利新大實業(yè)集團有限公司 山東 東營 257055)

0 引 言

油田注水是補充地層能量，減緩老油田產(chǎn)量遞減的重要手段。多油層注水要實現(xiàn)分層配注目標，分層注水開發(fā)，是一種必要且有效的開發(fā)手段[1]。改善水驅(qū)效果，提高開發(fā)質(zhì)量對注水技術(shù)提出了更高的要求。提高注水“三率”是改善水驅(qū)開發(fā)質(zhì)量的關(guān)鍵[2]，提高注水開發(fā)效益的重要措施。注入水源一般為油田采出水，由于注入水礦化度較高，具有明顯的腐蝕、結(jié)垢趨向，使金屬注水井管產(chǎn)生嚴重的腐蝕、結(jié)垢問題，導致金屬分層注水管柱平均使用壽命不足2年，造成了較大的經(jīng)濟損失，嚴重影響油田注水開發(fā)效果和效益。為此，近年來研發(fā)了玻璃鋼長效分層注水井管及配套管柱優(yōu)化設(shè)計，在玻璃鋼籠統(tǒng)注水井管試驗成功的基礎(chǔ)上，研制出玻璃鋼分層注水井管，并進行了分層注水現(xiàn)場試驗和規(guī)模化推廣。結(jié)果表明，玻璃鋼分層注水井管基本滿足分層注水工藝要求，防腐、防結(jié)垢效果明顯，可大幅延長分層注水管柱使用壽命，提高注水時率和經(jīng)濟效益。

1 注水井管腐蝕、結(jié)垢現(xiàn)狀及原因分析

1.1 注水井管腐蝕結(jié)垢現(xiàn)狀及水質(zhì)分析

由于油田注入水礦化度高，含有多種可引起腐蝕、結(jié)垢的介質(zhì)成分，金屬注水井管使用一定時間后會出現(xiàn)嚴重的腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象。由于腐蝕、結(jié)垢，注水井管每隔1～2 a就需要更換[3]，甚至2～3個月便出現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象，降低了注水管柱的使用壽命和系統(tǒng)注水效率，頻繁更換管柱，增加了作業(yè)次數(shù)和注水成本。經(jīng)統(tǒng)計勝利油田每年作業(yè)井次3 500口以上，其中更換注水井管柱超過700×104m，主要原因為腐蝕結(jié)垢嚴重。據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在分層注水井提出的封隔器中，有超過30%的封隔器膠筒存在損壞或破裂問題。由此可見，油管防腐結(jié)垢性能和井下工具的長效可靠性是制約注水有效性的主要影響因素。

針對腐蝕嚴重的問題，國內(nèi)各油田分別采取了一些防治措施，如采用滲氮油管、鈦納米油管、鎳磷鍍油管、環(huán)氧涂層防腐管等，但各種防腐油管均存在螺紋無法防腐、外壁不防腐、防腐層質(zhì)量不穩(wěn)定、局部缺陷的問題，另外部分油管還有涂層脫落、結(jié)垢的問題。受以上因素制約，通過防腐處理難以保證3年以上有效使用期。

勝利油田某注水井井下鋼油管腐蝕、結(jié)垢情況如圖1所示，勝利油田辛一管理區(qū)注入水pH值為6.5，蘇林分類水型為氯化鈣，水質(zhì)分析見表1。

圖1 油田注水井管腐蝕、結(jié)垢情況

表1 勝利油田辛一管理區(qū)注入水水質(zhì)成分表 mg·L-1

1.2 注水井管腐蝕、結(jié)垢原因分析

從表1中可見，注入水pH值5～6，水溫50～60 ℃，礦化度較高，含有高濃度易造成腐蝕、結(jié)垢的離子成分，如Cl-、HCO3-、H2S、O2、CO2、SRB、TG、Ca2+等。由此構(gòu)成金屬管道腐蝕、結(jié)垢的物質(zhì)因素。

油田污水的腐蝕性往往是多種因素共同作用的結(jié)果。對于油田采出水，影響腐蝕的重要因素是二氧化碳、溶解氧、硫化氫、污垢和細菌等，同時礦化度對腐蝕也產(chǎn)生促進作用。如CO2腐蝕穿孔率很高，腐蝕速率達3～7 mm/a，在厭氧條件下高達20 mm/a[4]。各種因素的交互影響，促進了金屬材料電化學腐蝕的發(fā)生。

影響油田注入水結(jié)垢的因素很多，其中最主要的是油田污水的成分及類型。當水中含有高濃度的碳酸鹽、硫酸鹽等時，就具備形成碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇、氧化鐵等的基本化學條件。在注水過程中，因壓力、溫度、流向、流速等變化改變了原先的離子化學平衡狀態(tài)而產(chǎn)生垢的分子，繼而產(chǎn)生微結(jié)晶體，在粗糙的金屬油管內(nèi)壁沉積、堆積，形成管內(nèi)壁結(jié)垢。另外，當2種不配伍的水混合時會反應(yīng)產(chǎn)生垢沉淀。如含鋇鍶離子的水與含硫酸根離子的水混合后會很快產(chǎn)生鋇鍶垢沉淀。

從垢樣的成分分析來看，一般由碳酸鈣、硫酸鈣、鋇鍶垢、泥垢及腐蝕產(chǎn)物等構(gòu)成。因此，油田注水系統(tǒng)的腐蝕與結(jié)垢一般會同時存在，腐蝕產(chǎn)物沉積成為垢的組成部分，垢下又會產(chǎn)生金屬腐蝕。因此，注水井管的腐蝕與結(jié)垢需要同時治理。

2 常用防腐、防結(jié)垢技術(shù)及存在的問題

2.1 防腐技術(shù)及存在的問題

目前國內(nèi)油田注水管道系統(tǒng)主要采取的防腐措施有：內(nèi)涂層防護、鍍層防護、不銹鋼襯里、氮化技術(shù)等。但是由于注入水腐蝕的復雜性，管柱特殊的螺紋連接結(jié)構(gòu)，造成目前采用的各種金屬管防護措施很難達到較好的效果，且?guī)缀跛型?、鍍方法都存在環(huán)境影響問題。

環(huán)氧粉末、鈦納米涂層防護，由于涂層易脫落并堵塞管柱，同時脫落處發(fā)生更加嚴重的腐蝕，螺紋得不到防護而發(fā)生局部腐蝕損壞。

鎳磷鍍防護管柱，因為鍍層的孔隙率較大，質(zhì)量難保證，鎳磷鍍層電位高于管體的電位，在有空隙的部位產(chǎn)生電化學腐蝕。其次是接箍螺紋的腐蝕問題不能解決，油管內(nèi)壁易結(jié)垢。

不銹鋼內(nèi)襯，由于內(nèi)襯層與管體內(nèi)壁結(jié)合力不夠，在注水工具的作業(yè)中易將不銹鋼大面積劃傷，同時，密封環(huán)的密封作用很難保證，接箍與管柱螺紋的腐蝕仍未得到根本解決。

氮化管柱，氮化處理使管柱的表面硬度高，塑性降低，以致油管公扣有斷裂現(xiàn)象和油管螺紋連接不到位，容易出現(xiàn)漏失現(xiàn)象。內(nèi)壁粗糙度變差，易出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。

目前采用的防護技術(shù)從理論上講，大多數(shù)技術(shù)都是成熟的工藝，但由于注水井管柱苛刻的腐蝕環(huán)境，每種技術(shù)都暴露出其使用條件的局限性[5]，常用的金屬防腐注水井管使用壽命不足3年。

2.2 防結(jié)垢除垢技術(shù)及存在的問題

傳統(tǒng)防結(jié)垢除垢技術(shù)從技術(shù)原理上可以分為物理除垢、化學防垢、機械除垢及工藝防垢[6]?；瘜W防垢法是用化學防垢劑來阻止垢物的生成，大多數(shù)防垢劑會腐蝕金屬設(shè)備，且污染環(huán)境，需要連續(xù)投加，防垢效果不理想，保護距離短；物理除垢主要是利用電、磁、聲波等物理現(xiàn)象與垢體相互作用防垢除垢，但設(shè)備裝置比較復雜，作用區(qū)域有限，對一些硬垢效果不明顯。

3 環(huán)氧玻璃鋼分層注水井管研發(fā)及現(xiàn)場試驗

3.1 研發(fā)內(nèi)容及主要成果

為有效解決注水井管的腐蝕結(jié)垢難題，針對分層注水管的性能要求，主要進行了環(huán)氧玻璃鋼管體性能、螺紋性能及成型制造工藝研究和玻璃鋼長效分層注水管柱配套技術(shù)研究,取得以下研究成果:1)設(shè)計研制了分層注水適用的新型高模量高強度注水玻璃鋼管。2)優(yōu)化了螺紋材料和結(jié)構(gòu)，提高了玻璃鋼螺紋的強度和耐磨性。3)優(yōu)化形成擴張式、丟手補償式2套玻璃鋼分注工藝管柱，并研制了長距丟手補償器等配套工具，提高分注管柱系統(tǒng)壽命。

3.2 玻璃鋼分層注水井管現(xiàn)場試驗

1)試驗井況條件 選擇結(jié)垢、腐蝕嚴重的勝利油田東辛采油廠營47x34注水井進行玻璃鋼分層注水井管防腐、防結(jié)垢試驗，該井最大井斜37.8°，注入水為油田采出水，注入水溫度60 ℃，水質(zhì)成分如表1所示。該井原注水井管為鋼油管，注水運行參數(shù)如表2所示。

表2 營47x34注水井防結(jié)垢試驗井管運行參數(shù)

該井鋼油管在井使用16個月后，于2017年2月6日因不能正常注水停注，作業(yè)提出井下鋼油管，檢管發(fā)現(xiàn)結(jié)垢、腐蝕嚴重，局部堵塞，外壁及垢下發(fā)生嚴重的局部腐蝕，已不能下井使用。

2)試驗管柱設(shè)計 采用勝利新大實業(yè)集團有限公司新研制生產(chǎn)的具有防腐、防結(jié)垢性能的環(huán)氧玻璃鋼長效分層注水管，管道斷裂強度432.64 MPa，彈性模量31.44 GPa，管道規(guī)格DN65mm，管道連接方式為新型“4牙”結(jié)構(gòu)玻璃鋼螺紋連接，采用液缸式擴張封隔器，配套測調(diào)一體化配水器。分層注水試驗管柱工藝設(shè)計如圖2所示。

圖2 分層注水試驗管柱結(jié)構(gòu)圖

3)現(xiàn)場試驗結(jié)果 2017年2月6日將結(jié)垢、腐蝕嚴重的營47x34井注水井管更換為環(huán)氧玻璃鋼油管。管道規(guī)格DN65 mm，長度2 245.8 m。2017年2月13日開井注水，分兩層配水，上層20 m3/d、下層160 m3/d。注水運行參數(shù)見表2。

2019年1月，起出玻璃鋼注水井管檢管，其內(nèi)外表面及管端螺紋完好，無腐蝕，結(jié)垢輕微，繼續(xù)下井使用。原注水井鋼管結(jié)垢腐蝕情況如圖3所示，玻璃鋼注水井管連續(xù)注水23個月使用情況如圖4所示。到2019年4月該井已正常運行26個月。

圖3 鋼制油管結(jié)垢腐蝕情況

圖4 玻璃鋼油管使用情況

3.3 防腐、防結(jié)垢效果分析

現(xiàn)場試驗表明，在同樣的工況及介質(zhì)條件下，環(huán)氧玻璃鋼管道與鋼管道相比，具有顯著的耐腐蝕、防結(jié)垢效果。玻璃鋼管之所以耐腐蝕，主要是因為油田注入水屬于高含鹽、弱酸或弱堿介質(zhì)，對金屬的腐蝕主要是電化學腐蝕，玻璃鋼管所用材料為有機高分子聚合物樹脂和玻璃纖維等非導電材料，不參與電化學反應(yīng)，對強氧化物及鹵素具有良好的阻抗力[7]，同時采用了防止復合材料物理、化學破壞的特殊設(shè)計，因此可抵抗一般酸、堿、鹽、油類及各種溶劑產(chǎn)生的電化學腐蝕，這已經(jīng)被使用者廣泛認可，并在本次試驗中得到進一步驗證。本次試驗同時驗證了管道結(jié)垢的原因除與介質(zhì)的物理化學性質(zhì)有關(guān)外，還與待結(jié)垢固體表面的粗糙程度和疏水性能有關(guān)。相關(guān)研究表明，材料表面能與結(jié)垢有著密切的關(guān)系，降低材料表面能有利于減輕垢的形成。

通常將表面張力在100×10-3N/m以上者稱為高能表面，100×10-3N/m以下者稱為低能表面，幾種常用管材的臨界表面張力見表3。

表3 幾種常用管材的臨界表面張力 mN·m-1

環(huán)氧玻璃鋼管道采用環(huán)氧樹脂基體與玻璃纖維增強材料復合制造，其管材臨界表面張力只有鋼的48%，表面能較低，屬于疏水性材料；其內(nèi)壁光滑，絕對粗糙度只有鋼管的2%～5%，不利于垢蠟沉積，同時在流體作用下結(jié)垢和結(jié)蠟容易脫附，使污垢和蠟質(zhì)在管道表面的沉積速率降低。因此具有良好的防結(jié)垢性能。

3.4 開發(fā)效果及效益分析

2015年6月，玻璃鋼長效分層注水管柱在勝利油田y12XN9井下井成功，該井采用DN65，PN20MPa規(guī)格注水井管2 094 m，現(xiàn)已持續(xù)正常運行3年6個月。這成為國內(nèi)玻璃鋼長效分層注水管柱應(yīng)用第一井，標志著玻璃鋼長效分層注水管產(chǎn)品應(yīng)用獲得成功。該項技術(shù)填補了玻璃鋼管應(yīng)用于分層注水領(lǐng)域的空白。

自2015年以來，勝利新大公司開發(fā)的玻璃鋼長效分層注水管產(chǎn)品，已用在東辛采油廠。統(tǒng)計注水層段合格率87%。目前在井27口，另5口由于設(shè)計變更等原因，改作其它用途。通過目前的試驗結(jié)果觀察，玻璃鋼長效分層注水管柱，真正達到了管柱長效運行的目的。

據(jù)計算，單井井深2 200 m的管柱使用普通鋼管費用為20.2萬元/a，使用防腐鋼管費用為16.1萬元/a，使玻璃鋼管費用為9.30萬元/a。相比普通鋼管，使用玻璃鋼管每口井可以節(jié)約直接成本10.9萬元/a，相比防腐鋼管，每口井可節(jié)約直接成本6.8萬元/a。同時因玻璃鋼管內(nèi)壁光滑，無腐蝕生銹和防結(jié)垢的特點，可防止二次污染，保護地層，增加有效注水量，提高注水層段合格率，改善原油開發(fā)效果，綜合效益顯著。

4 結(jié)論與展望

1)環(huán)氧玻璃鋼分層注水井管現(xiàn)場應(yīng)用，有顯著的防腐、防結(jié)垢效果，檢管周期大幅延長。預(yù)計使用壽命將比鋼管延長2～3倍，從而大幅提高注水油田的開發(fā)效益及經(jīng)濟環(huán)保效益。大規(guī)模推廣應(yīng)用，前景廣闊。據(jù)統(tǒng)計2016年底勝利油田共有水井10 135口，其中分層注水井4 670口。若采用玻璃鋼分層注水管柱，與防腐鋼管相比每年將為油田產(chǎn)生3.17億元的直接經(jīng)濟效益，注水層段合格率將由目前的層段合格率60～75%提高到80%以上，大幅提高油田的開發(fā)效果。

2)試驗證明，低表面能非金屬復合材料具有明顯的防結(jié)垢性能，運行成本低、經(jīng)濟環(huán)保，一次性投資，長期見效，為解決油氣田管道防結(jié)垢難題提供了一條新的途徑。

3)研究開發(fā)低表面能超疏水改性環(huán)氧玻璃鋼管材，經(jīng)過系列防腐、防結(jié)垢試驗研究，進一步提高材料對各種不同介質(zhì)條件的適應(yīng)性，對于工業(yè)防腐、防結(jié)垢領(lǐng)域具有較大的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟環(huán)保價值。