低黏損三元復(fù)合驅(qū)分注工具優(yōu)化設(shè)計(jì)

李志 馬珺喆 王晶 高啟明

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠；2.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院；3.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

1 現(xiàn)狀

三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)可以在含水98%的極限開采條件下，再提高采收率20個(gè)百分點(diǎn)以上，是油田特高含水期提高采收率的技術(shù)手段之一[1-2]。不過(guò)由于三元復(fù)合溶液注入過(guò)程中，管線沖洗不凈、溶液流速過(guò)快、溶液混合不均、分注工具剪切大等問(wèn)題均會(huì)影響三元復(fù)合溶液黏損，導(dǎo)致驅(qū)油效果不明顯，達(dá)不到預(yù)期驅(qū)油效果，并且由于溶液粘度的損失，聚合物干粉消耗增多，額外成本增加[3]。雖然經(jīng)過(guò)常規(guī)清洗作業(yè)、規(guī)范操作可減弱管線和溶液的影響，但通過(guò)對(duì)2016—2020年三元復(fù)合驅(qū)分層注入井測(cè)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)分析整理發(fā)現(xiàn)，在流量50m3/d情況下，三元復(fù)合溶液流經(jīng)井下分注工具后粘度損失為12.3%，而相同情況下，聚合物溶液粘度損失僅為5.5%，井下分注工具剪切大是造成黏損的主要因素[4-6]，因此，有必要進(jìn)行低黏損三元復(fù)合驅(qū)分注工具的研制。

2 原因分析

2.1 表面結(jié)垢

由于三元體系堿的存在，導(dǎo)致分注工具表面結(jié)垢，常規(guī)清洗作業(yè)對(duì)分注工具垢質(zhì)作用很小[7-8]。結(jié)垢后，會(huì)造成分注工具環(huán)空間隙變小，三元復(fù)合溶液流速增加，分子量遭到剪切破壞，導(dǎo)致三元體系黏損率增加，因此，分注工具表面結(jié)垢是造成溶液黏損增加的原因之一，某試驗(yàn)區(qū)塊35口井分注工具結(jié)垢情況見表1。

表1 某試驗(yàn)區(qū)塊35口井分注工具結(jié)垢情況

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

通過(guò)三元復(fù)合溶液流經(jīng)分注工具后的微觀分子結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)：三元液陽(yáng)離子移動(dòng)導(dǎo)致聚合物分子表面雙電層和水化層厚度變薄，分子鏈卷曲收縮，分子線團(tuán)尺寸變小，增粘特性變差，分子鏈更容易發(fā)生斷裂，造成粘度損失增大。聚合物溶液和三元復(fù)合溶液微觀結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 聚合物溶液和三元復(fù)合溶液微觀結(jié)構(gòu)

其次通過(guò)聚合物和三元液在分注工具中的流場(chǎng)數(shù)值模擬仿真，湍流區(qū)對(duì)比見圖2。結(jié)果表明：三元液湍流區(qū)域更大，流動(dòng)狀態(tài)更不穩(wěn)定，分子鏈更易被剪切，分子線團(tuán)更細(xì)，三元液的剪切程度更大，從而導(dǎo)致黏損率增加。

圖2 聚合物溶液和三元復(fù)合溶液湍流區(qū)對(duì)比

根據(jù)以上要因分析，最終確定造成分注工具黏損大的原因?yàn)椋悍肿⒐ぞ弑砻娼Y(jié)垢和分注工具設(shè)計(jì)不合理。

3 工具研制

針對(duì)影響分注工具黏損大的2項(xiàng)主要因素，根據(jù)“5W1H”研究方法，通過(guò)詳細(xì)的分析、制定出分注工具優(yōu)化方案見表2。

表2 分注工具優(yōu)化方案

3.1 分注工具抗垢材料選擇

針對(duì)分注表面結(jié)垢的問(wèn)題，根據(jù)材質(zhì)不同分別選擇了鎳磷鍍涂層、聚四氟乙烯涂層、新型聚酯類材料，通過(guò)加工試制及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)果表明鎳磷涂層表面自由能90~130mJ/m2，垢質(zhì)易吸附，防垢效果不理想，使用壽命為1~3個(gè)月；聚四氟乙烯涂層表面自由能22~30mJ/m2，防垢有效期可延長(zhǎng)到6個(gè)月，但現(xiàn)場(chǎng)投撈時(shí)，由于工具間磕碰，出現(xiàn)涂層磨損脫落，影響防垢效果；新型聚氨酯材質(zhì)自潤(rùn)滑性好、強(qiáng)度高，分注工具可一次成型加工，無(wú)需噴涂，不怕磕碰，工具使用壽命達(dá)到13個(gè)月，壽命顯著增加。因此優(yōu)選了聚酯類材質(zhì)作為分注工具加工材料。

3.2 分注工具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

三元復(fù)合驅(qū)井下分注工具結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要有4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)即：外徑d1、槽間距L、前槽間角α1、后槽間角α2，利用模擬軟件對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行仿真分析，正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

圖3 流線型降壓槽結(jié)構(gòu)

表3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)以上9組試驗(yàn)，綜合選擇最優(yōu)解，即外徑d1為18.0mm，槽間距L為13.0mm，前槽間角α1為45°，后槽間角α1為30°。

3.3 室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

對(duì)新型分注工具進(jìn)行加工制造，并做新型聚氨酯材質(zhì)防垢處理，進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三元復(fù)合溶液流經(jīng)新型分注工具時(shí)，在流量50m3/d范圍內(nèi)，黏損率由12.3%降至8.2%，新型降壓槽黏損變化情況見圖4。在大慶油田三元區(qū)塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，所選取的試驗(yàn)井內(nèi)原有工藝管柱未采用防垢工藝進(jìn)行處理，測(cè)調(diào)穩(wěn)定周期僅3周，采用優(yōu)選出的防垢工藝對(duì)工具進(jìn)行處理后，結(jié)垢情況得到明顯改善，最長(zhǎng)使用周期達(dá)到13個(gè)月以上[9-10]，完全滿足現(xiàn)有大慶油田三元復(fù)合驅(qū)注入井2個(gè)月測(cè)調(diào)周期的測(cè)試需求。

圖4 新型降壓槽黏損變化情況

4 節(jié)能效益分析

新型分注工具可有效降低三元復(fù)合驅(qū)溶液黏損率，節(jié)約了聚合物的使用量，并通過(guò)新型聚氨酯材質(zhì)防垢處理，延長(zhǎng)了工具使用時(shí)間，減少投勞次數(shù)，滿足了大慶油田三元復(fù)合驅(qū)注入井測(cè)試周期需求。按大慶油田1803口三元復(fù)合驅(qū)分注井計(jì)算，可取得985.51萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。

5 總結(jié)

1）新型聚酯類材質(zhì)有效增加了分注工具的使用壽命，最長(zhǎng)使用壽命可達(dá)13個(gè)月。

2）通過(guò)仿真模擬軟件分析，三元復(fù)合驅(qū)分注工具在外徑為18mm，槽間距為13mm，前槽間角為45°，后槽間角為30°時(shí)為最優(yōu)。

3）使用優(yōu)化后的分注工具有效的降低了三元復(fù)合溶液黏損率，三元復(fù)合溶液黏損率由工具優(yōu)化前的12.3%降到目前的8.2%。

4）新型分注工具可有效降低工藝成本，為三元復(fù)合驅(qū)采油技術(shù)的全面推廣提供了有力的技術(shù)保障。