三元復(fù)合驅(qū)螺桿泵井中性清垢劑的研究與應(yīng)用*

管公帥，王慶國(guó)，劉向斌，王 鑫

（中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶163453）

堿-表面活性劑-聚合物三元復(fù)合驅(qū)（以下簡(jiǎn)稱三元復(fù)合驅(qū)）的油井結(jié)垢嚴(yán)重，這些垢質(zhì)會(huì)附著在井下泵筒、轉(zhuǎn)子、抽油桿等部位，造成機(jī)采井頻繁出現(xiàn)卡泵、斷桿等問(wèn)題［1-7］，嚴(yán)重影響生產(chǎn)時(shí)率，并且增加了生產(chǎn)成本［8］。目前針對(duì)三元復(fù)合驅(qū)結(jié)垢的油井采取的酸洗除垢措施［9］，對(duì)油井具有較好的清垢效果，但清垢劑組分以鹽酸、氫氟酸及有機(jī)酸為主，藥劑中的H+與螺桿泵轉(zhuǎn)子鍍鉻涂層會(huì)發(fā)生快速反應(yīng)，造成螺桿泵轉(zhuǎn)子鍍鉻涂層脫落，定子、轉(zhuǎn)子之間空隙加大，導(dǎo)致酸洗清垢后螺桿泵井泵效下降，嚴(yán)重影響采出效率，甚至還會(huì)出現(xiàn)泵漏失作業(yè)的情況。因此，為確保三元復(fù)合驅(qū)螺桿泵井的正常生產(chǎn)，需有針對(duì)性的開展清垢技術(shù)研究。室內(nèi)制備了由有機(jī)磷酸酯、分散劑、pH值調(diào)節(jié)劑等組成的不含H+的中性清垢劑體系，研究了其對(duì)垢質(zhì)的清垢效果及對(duì)井下設(shè)備的腐蝕情況，并在大慶油田三元復(fù)合驅(qū)螺桿泵井開展了現(xiàn)場(chǎng)清垢試驗(yàn)，用以解決常規(guī)酸性藥劑腐蝕螺桿泵轉(zhuǎn)子鍍鉻涂層的問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

有機(jī)磷酸酯，工業(yè)級(jí)，華豐商貿(mào)化工有限公司；分散劑JBX-1、JML-3，工業(yè)級(jí)，方圓化工有限公司；pH值調(diào)節(jié)劑（碳酸鈉、氫氧化鈉），工業(yè)級(jí)，華啟化工有限公司；酸性清垢劑CYY-02，工業(yè)級(jí)，大慶油田采油研究院；標(biāo)準(zhǔn)N80 鋼片，尺寸50×25×2（mm），精度±0.1 mm，上海精密儀器儀表有限公司；螺桿泵轉(zhuǎn)子切片，大慶油田裝備制造集團(tuán)；大慶油田采油二廠南五區(qū)三元復(fù)合驅(qū)螺桿泵井垢樣。

∑IGMA300 型電子探針掃描電鏡，德國(guó)卡爾蔡司股份公司；EQUINOX 1000型X-射線衍射儀，美國(guó)賽默飛世爾科技公司；Optima8300DV型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，美國(guó)珀金埃爾默有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）中性清垢劑配制

向塑料燒杯中加入一定量的自來(lái)水，在中速攪拌下分別加入有機(jī)磷酸酯、分散劑、pH 值調(diào)節(jié)劑得到中性清垢劑溶液。

（2）清垢性能測(cè)定

稱取3 g 左右的三元復(fù)合驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)垢樣，按固液比1∶10 加入石油醚，密封后在室溫下放置24 h，將過(guò)濾出的垢樣置于溫度105℃的電熱恒溫干燥箱中恒溫8 h，冷卻后稱重。將垢樣放入帶刻度的比色管中，按照固液比1∶10 加入中性清垢劑溶液，密封后置于45℃水浴中浸泡，觀察比色管中垢塊溶脹分散后體積的變化情況。

（3）腐蝕性能測(cè)定

依據(jù)中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5405—1996《酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)》，在45℃條件下測(cè)定N80 鋼片在清垢劑溶液中浸泡不同時(shí)間后的腐蝕速率；將螺桿泵轉(zhuǎn)子切片放入燒杯中，加入清垢劑將其完全浸沒、密封，在45℃水浴中浸泡24 h，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀檢測(cè)溶液中鉻離子濃度的變化情況，并觀察螺桿泵轉(zhuǎn)子表面涂層的變化情況。

（4）掃描電鏡分析

用電子探針掃描電鏡分別對(duì)中性清垢劑浸泡前、浸泡24 h 后的碳酸鈣晶體進(jìn)行掃描，觀察浸泡前后碳酸鈣晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)。

（5）X-射線衍射分析

將中性清垢劑浸泡前、浸泡24 h后的碳酸鈣晶體分別用X-射線衍射儀進(jìn)行表征，將測(cè)得的吸收峰與標(biāo)準(zhǔn)礦物的特征峰進(jìn)行比對(duì)，研究浸泡前后碳酸鈣晶型的變化情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 中性清垢劑的清垢性能

三元復(fù)合驅(qū)油井現(xiàn)場(chǎng)垢樣經(jīng)4種不同的中性清垢劑浸泡后垢塊溶脹分散倍數(shù)及狀態(tài)見表1。由表1可見，中性清垢劑1#與垢塊反應(yīng)24 h后，垢塊膨脹倍數(shù)最大，約12.5倍，且垢塊均分散成細(xì)小顆粒，清垢效果較好。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察發(fā)現(xiàn)，從井下采出設(shè)備上取的垢樣初始狀態(tài)為致密的硬塊，利用中性清垢劑1#浸泡2 h 后，垢樣表層疏松、部分脫落；浸泡4 h 后，硬塊整體坍塌，表面脫落下更多的垢質(zhì)；浸泡6 h后，硬塊被完全軟化，垢樣全部處于分散狀態(tài)，分散體積增至原來(lái)的5 倍以上；浸泡8 h 后，垢樣分散倍數(shù)繼續(xù)增加；浸泡24 h 后，垢樣分散體積為未浸泡時(shí)的10倍以上，變?yōu)槭杷傻姆勰?，具體見圖1。由圖1可以看出，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，垢樣的分散效果越好，浸泡時(shí)間超過(guò)8 h后分散倍數(shù)增幅變緩。

表1 垢塊浸泡在不同中性清垢劑后體積及形態(tài)變化

圖1 中性清垢劑1#對(duì)垢樣的分散倍數(shù)隨浸泡時(shí)間變化曲線

為分析中性清垢劑1#的清垢機(jī)理，室內(nèi)用中性清垢劑1#對(duì)垢樣進(jìn)行了浸泡，并對(duì)其浸泡前后的垢樣分別進(jìn)行掃描電鏡觀察和X-射線衍射分析，結(jié)果見圖2、圖3。從圖2可以看出，未經(jīng)浸泡垢樣的結(jié)構(gòu)緊湊、堆積致密，而浸泡后的垢樣呈現(xiàn)為長(zhǎng)方形的條狀體，彼此之間空隙較大，堆積錯(cuò)落無(wú)序，為松散的粉末狀固體。從圖3可以看出，在未經(jīng)浸泡的垢樣的X-射線衍射譜圖上，在2θ=29.62o處有明顯的吸收峰，在 2θ=39.46o、43.53o、47.6o以及48.8o處均有中等強(qiáng)度吸收，判斷為方解石型的碳酸鈣；經(jīng)中性清垢劑浸泡后垢樣的X-射線衍射譜圖中2θ=29.62o、39.6o、47.6o及48.8o是方解石晶型碳酸鈣的吸收峰，而2θ=26.02o、26.52o、31.53o以及46.01o等處對(duì)應(yīng)的是文石晶型的碳酸鈣。因此可推測(cè)，中性清垢劑1#的清垢機(jī)理是通過(guò)誘導(dǎo)垢質(zhì)中的碳酸鹽結(jié)晶發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，使其由堆積致密的方解石晶型轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)疏松的文石晶型，由堅(jiān)硬致密的垢塊變?yōu)榉稚?、疏松的粉末，然后從井下設(shè)備表面脫落，達(dá)到清垢的目的。

圖2 浸泡前（上）、浸泡后（下）垢樣的掃描電鏡圖像

圖3 浸泡前（a）、浸泡后（b）垢樣的X-射線衍射譜圖

2.2 中性清垢劑的腐蝕性

中性清垢劑1#及酸性清垢劑CYY-02（三元復(fù)合驅(qū)抽油機(jī)井用清垢劑）對(duì)N80鋼片的腐蝕情況見表2?？梢钥闯觯S著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，平均腐蝕速率均先上升后逐步下降，浸泡4 h 中性清垢劑1#及酸性清垢劑CYY-02 的平均腐蝕速率最大，分別為0.46 g/m2·h和0.58 g/m2·h，對(duì)井下桿、管等設(shè)備的腐蝕達(dá)到要求。

表2 不同清垢劑對(duì)N80鋼片腐蝕性能測(cè)定結(jié)果

中性清垢劑1#及酸性清垢劑CYY-02對(duì)螺桿泵轉(zhuǎn)子切片鉻涂層的腐蝕情況見圖4。從圖4可以看出，酸性清垢劑CYY-02 與螺桿泵轉(zhuǎn)子鍍鉻涂層發(fā)生快速反應(yīng)，浸泡液中鉻離子濃度快速上升，24 h后達(dá)到74.69 mg/L，經(jīng)酸性清垢劑CYY-02溶液浸泡后轉(zhuǎn)子表面涂層完全脫落，轉(zhuǎn)子變黑。由于中性清垢劑1#中不含H+，對(duì)螺桿泵轉(zhuǎn)子鍍鉻涂層幾乎不腐蝕，24 h 后浸泡液中鉻離子濃度僅為6.92 mg/L，轉(zhuǎn)子仍然光亮，表面涂層完好無(wú)損。由此可見，中性清垢劑1#能有效解決常規(guī)酸性藥劑腐蝕螺桿泵轉(zhuǎn)子鍍鉻涂層的問(wèn)題。

圖4 不同清垢劑對(duì)螺桿泵轉(zhuǎn)子涂層的腐蝕性能

2.3 中性清垢劑的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

當(dāng)采出井井下泵、桿、管等機(jī)采設(shè)備結(jié)垢時(shí)，由于摩擦力的增加，采出井的生產(chǎn)電流會(huì)根據(jù)結(jié)垢程度相應(yīng)地上升，結(jié)垢越嚴(yán)重電流上升幅度越大。針對(duì)正常生產(chǎn)過(guò)程中電流上升幅度較大的螺桿泵井現(xiàn)場(chǎng)采用了中性清垢劑進(jìn)行處理，以大慶油田三元區(qū)塊中的1口螺桿泵井為例（見圖5），該井因垢沉積導(dǎo)致電流從39 A上升到49 A，2016年5月12日現(xiàn)場(chǎng)使用中性清垢劑進(jìn)行處理，措施后油井電流降至37 A，日產(chǎn)液由38.1 m3上升至67.4 m3，油井正常生產(chǎn)，無(wú)漏失情況發(fā)生。統(tǒng)計(jì)17 口螺桿泵井中性清垢效果，措施后生產(chǎn)電流平均下降9.5 A，措施后均無(wú)泵漏失情況，因此可見，中性清垢劑可滿足螺桿泵井現(xiàn)場(chǎng)清垢需要。

圖5 螺桿泵井中性清垢前后生產(chǎn)數(shù)據(jù)曲線

3 結(jié)論

由有機(jī)磷酸酯、分散劑、pH 值調(diào)節(jié)劑等組成的中性清垢劑，能夠在不腐蝕螺桿泵轉(zhuǎn)子鍍鉻涂層的情況下，使泵及桿管等部位的垢松軟脫落，達(dá)到清垢的目的。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用17口井，措施后油井生產(chǎn)電流下降至結(jié)垢前水平，且均正常生產(chǎn)。該技術(shù)解決了螺桿泵井無(wú)有效清垢方法的難題，可大幅提升機(jī)采井生產(chǎn)時(shí)率，還可適用于其他驅(qū)替環(huán)境下結(jié)垢螺桿泵井的清垢，具有廣闊的應(yīng)用前景。