渤海K油田電潛泵化學解卡技術研究與應用

張寧， 黃志明， 劉常清， 楊洪濤， 鄒德昊， 丁文剛

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司， 天津 300459； 2.中海油田服務股份有限公司油田生產事業(yè)部， 天津 300459)

電潛泵采油是渤海K油田目前最常用的機械舉升方式[1-2]，其數量約占總井數的96%以上，舉升產量約占到90%[3]。油井出砂、結蠟、結垢將導致電潛泵流道縮小、電潛泵葉輪堵塞，產液量下降，高危電潛泵面臨卡泵過載躺井的風險[4]。劉玉國[5]認為稠油沉積堵塞，加之原油與巖石反應結垢，導致電潛泵卡泵過載問題更加突出。

傳統(tǒng)電潛泵解卡工藝主要采用正/反循環(huán)洗井、工頻控制啟動、調相序反轉、變頻調參控制等物理方法[6-8]，但物理解卡存在清除堵塞物不徹底的問題，若解卡失敗則只能動管柱檢泵作業(yè)，極大影響油井生產時效。因此，亟需探索新型化學解卡工藝，克服現有問題。

目前電潛泵的化學解卡工藝鮮有報道，但在相關的化學除垢體系方面，李年銀等[9]利用螯合劑與添加劑的協(xié)同作用，研制了一種以螯合劑為主的堿性除垢劑SA-209，針對海上油田硫酸鋇垢樣的除垢率達到72.4%，且對設備和管柱的腐蝕率低。馬文娟[10]以氯乙酸、三乙烯四胺、氫氧化鈉為原料，制備了一種三乙烯四胺六乙酸(triethylenetetramine hexaacetic acid，TTHA)除垢劑，其除垢率達到90.54%。Adenuga等[11]報道了多元羧酸的螯合劑谷氨酸二乙酸(glutamate diacetic acid，GLDA)的酸液體系，GLDA比甲酸、乙酸具有更低的擴散系數，更能夠延緩與白云巖的反應速度，同時腐蝕速率低、減少油泥和酸渣的形成。Nasr-El-Din等[12]評估了谷氨酸二乙酸(glutamate diacetic acid，GLDA)在高溫氣井基質酸化中應用，腐蝕率低，酸化后返排樣中鐵、鉻、鎳和鉬的濃度可以忽略不計，增產效果顯著。

借鑒前人的經驗認識，現采用螯合劑為主的除垢體系，具有除垢率高、腐蝕率低等優(yōu)勢，因此針對渤海油田無機垢、有機垢多樣的特點，采用鈣鎂垢體系、鹽酸體系和多氫酸體系組成的多功能性化學段塞，并進行垢樣溶蝕驗證和各部件腐蝕性能評價，形成的配套技術在渤海油田應用16井次，增產效果顯著，能有效解決結垢導致的電潛泵泵卡難題，對中外類似舉升方式的油田提質增效提供參考。

1 渤海油田電潛泵泵卡原因分析

如表1所示，通過對渤海K油田故障電潛泵井拆檢發(fā)現，電潛泵結垢卡泵導致故障的井約占比40%。電潛泵結垢遇卡，是導致過載停機油井無法正常生產主要原因，也是影響電泵使用壽命和油井生產時率的重要因素。油井結垢后，使得原油的流動阻力增大，電潛泵運行所需要的電壓或電流也會隨之增大，當超出額定電壓或電流時，即會引起卡泵問題。同時，開采出的原油將帶出大量的污垢，污垢可能引起潛油電泵堵塞，從而產生卡泵問題。通過對渤海K油田近三年電泵故障井泵內垢樣進行機械雜質測定和X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)、X射線熒光光譜儀(X-ray fluorescence，XRF)分析發(fā)現，垢樣主要由膠質、瀝青質有機垢和碳酸鈣鎂、鐵垢以及鋇鍶垢組成復雜無機垢組成。

表1 K油田近三年電泵故障井泵內垢樣分析化驗情況統(tǒng)計Table 1 Statistics of analysis and testing of scale samples in pump faulty wells in K oilfield in the past three years

2 電潛泵解卡技術思路

渤海油田典型的電潛泵垢樣堵塞物主要為復雜的有機-無機垢，單一的酸液體系[13-16]很難有效地溶蝕垢樣，因此，對于垢樣中不同成分，需開展不同體系溶蝕性評價，進而設計多功能性的化學段塞進行解卡。

技術設計思路：首先，采用有機解堵劑對電潛泵流道中的有機物部分進行剝離，解除有機堵塞的同時讓無機垢部分直接暴露，從而更好地接觸酸液。再采用低濃度鹽酸溶液對垢樣堵塞物進行酸洗，破壞垢樣表層的致密結構，溶蝕大量的鈣鎂垢，同時規(guī)避鹽酸體系對電潛泵部件腐蝕的風險。最后用具有低腐蝕的多氫酸體系或以螯合劑為主的酸液對難溶的復雜無機垢進行徹底溶蝕。多氫酸體系具有多級電離、緩速性、低腐蝕特點，特別適應于溫度較高的電潛泵的解卡。以螯合劑為主的酸液主要通過化學配位鍵與金屬陽離子形成環(huán)狀鰲合物鰲合(圖1)，螯合增溶作用破壞垢樣溶解平衡，達到溶蝕難溶性無機垢的效果。

多氫酸多級電離方程式如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：pK1、pK2、pK3、pK4、pK5分別為H+電離常數；R為磷酸根基團。

多氫酸與鈣鎂垢反應方程式：

(6)

螯合劑與復雜垢反應方程式為

(7)

基于上述思路研發(fā)的化學解卡技術具有復合解堵高效、腐蝕率低等優(yōu)點，因此開展配套化學解卡體系的對電潛泵垢樣溶蝕性能評價實驗、對電潛泵部件的影響評價實驗以評估其性能。

3 化學解卡體系評價實驗

3.1 電潛泵垢樣溶蝕性能評價

實驗目的：評價三種化學解卡體系：鈣鎂垢體系(15%螯合劑酸液)、鹽酸體系(5%鹽酸HCl+緩蝕劑)、多氫酸體系(3%鹽酸HCl+多氫酸+緩蝕劑)對電潛泵垢樣溶蝕效果。

實驗方法：首先將濾紙放入烘箱至恒重，記錄質量m；再將垢樣置于105 ℃烘箱烘干至恒重，稱量1 g左右(m1)樣品放入聚四氟乙烯試劑瓶中，加入50 mL體系，置于90 ℃水浴中反應8～12 h；然后將過濾不溶物進行烘干稱重，記錄質量m2，并用式(8)計算溶蝕率：

(8)

實驗結果如表2所示，三種化學解卡體系均能有效溶蝕垢樣，其中多氫酸體系的溶蝕率最高達到90.9%，這主要是由于多氫酸在酸性環(huán)境下發(fā)生多級電離，具有緩速性和絡合能力強的特點。鹽酸體系和鈣鎂垢酸液體系的溶蝕率都達到74%以上。鹽酸體系中H+可以快速溶蝕垢樣中的大量碳酸鹽垢，而鈣鎂垢體系的主要原理是利用螯合劑對金屬離子的螯合增溶作用，將難溶的垢樣溶解成可溶的離子狀態(tài)，進而達到溶蝕效果。

表2 化學解卡體系對垢樣溶蝕結果Table 2 The corrosion results of scale samples by the chemical chemical stuck removal system

3.2 對電潛泵部件的影響

實驗目的：化學解卡體系需要對多級離心泵流道進行酸洗及浸泡，因此基于安全性考慮，有必要考慮其對電潛泵各部件的傷害，確保電潛泵機組可以正常運行。

電潛泵中較為重要的電纜部件如圖2所示，其中電纜鎧皮是電纜的保護層，解卡過程中鎧皮與化學解卡體系直接接觸，其安全性直接影響技術的成功；電纜保護套是電纜的核心部件，直接影響電纜的絕緣性；密封膠圈是電潛泵泵腔的關鍵密封部件，直接影響電潛泵機組的正常運轉；電潛泵保護器膠筒也是電潛泵機組的核心部件之一。因此分別需要開展體系對電纜鎧皮腐蝕性、體系對電纜保護套腐蝕性、體系對密封膠圈腐蝕性、體系對電潛泵保護器膠筒腐蝕性評價實驗。

1為銅導體；2為加強絕緣層；3為絕緣層；4為保護套； 5為耐油墊層；6為鎧皮層圖2 潛油泵電纜部件示意圖Fig.2 Schematic diagram of submersible submersible pump cable components

實驗方法：采用垢樣溶蝕性能評價實驗類似方法，將垢樣換成電潛泵部件。對于金屬部件采用酸液進行實驗，對于橡膠類部件還采用有機解堵劑和采油進行實驗。

3.2.1 體系對電纜鎧皮腐蝕性評價實驗

實驗結果如表3所示，圓形電纜鎧皮在鹽酸體系中的質量減少3.35%，反應初期產生大量氣泡，隨著H+離子消耗，反應逐漸減弱。扁形電纜凱皮與多氫酸體系反應較弱，反應后質量減少0.67%，腐蝕速率低。兩種電纜鎧皮在鈣鎂垢解卡體系中的質量分別減少0.25%、0.08%，無明顯反應現象。這主要是因為螯合劑容易與金屬離子形成聚羧酸鹽配離子，腐蝕率極低。如圖3所示，電纜凱皮在三種化學解卡體系中浸泡前后，外觀沒有腐蝕現象，仍然具有金屬光澤，說明施工過程中電纜安全可靠。

3.2.2 體系對電纜保護套腐蝕性評價實驗

實驗結果如表4所示，鹽酸和鈣鎂垢體系對電纜保護套的外觀和質量均無明顯影響；有機解堵劑對保護套有輕微的溶解作用，反應后質量減少2.8%；柴油對保護套有輕微的溶脹作用。如圖4所示，電纜保護套的外觀沒有明顯變化，保證了化學解卡過程中電纜保護套基本的功能不受影響。

表3 電纜鎧皮的腐蝕性能評價Table 3 Corrosion performance evaluation of cable armor

圖3 電纜鎧皮的外觀變化Fig.3 Appearance change of cable armor

表4 電纜保護套的腐蝕性能評價Table 4 Corrosion performance evaluation of cable protective sleeve

圖4 圓形電纜保護套的外觀變化Fig.4 Appearance changes of the round cable protective sleeve

3.2.3 體系對密封膠圈腐蝕性評價實驗

實驗結果如表5所示，在鹽酸體系和鈣鎂垢體系中，密封膠圈的質量基本無變化；有機解堵劑和柴油浸泡后膠圈質量增加2.21%和0.54%，主要是由于其對密封膠圈有一定的溶脹作用。如圖5所示，密封膠圈在化學解卡體系中外觀上無明顯變化，不影響密封膠圈基本的功能。

3.2.4 電潛泵保護器膠筒腐蝕性評價實驗

實驗結果如表6所示，保護器膠筒在鹽酸體系、鈣鎂垢體系和有機解堵劑中浸泡后質量變化較小，但經過柴油浸泡后質量增加6.5%。其原因主要是柴油對保護器膠筒的溶脹作用，現場使用時可通過減少關井反應時間加以控制。如圖6所示，解卡體系對電潛泵保護器膠筒的外觀沒有變化，其基本的功能不受影響。

表5 密封膠圈的腐蝕性能評價Table 5 Corrosion performance evaluation of sealing rubber ring

圖6 保護器膠筒的外觀變化Fig.6 Appearance change of the protector rubber cylinder

4 現場應用

4.1 總體應用效果

如表7所示，多功能段塞的化學解卡技術已經在渤海K油田應用16井次，解卡后啟泵成功率100%，啟泵后累產油7×104m3，增產效果顯著。措施后有效期平均145 d，其中K-B10井最長超486 d，復產后產油1.5×104m3，油井產能得到了徹底釋放，保障了油井的正常生產制度，減少了大量的修井檢泵作業(yè)成本，為無修井機作業(yè)平臺的檢泵作業(yè)提出了解決方案。

表7 2019—2020年渤海K油田電潛泵化學解卡技術應用效果統(tǒng)計Table 7 Statistics on the application effect of chemical jam release technology of electric submersible pumps in Bohai K oilfield in 2019—2020

續(xù)表7

4.2 典型井應用案例

K-B10是渤海油田深層沙河街組的一口定向生產井，2019年10月2日平臺失電關斷后啟泵過載停泵，電潛泵機組三項直阻平衡，絕緣30 MΩ，通過反洗、試啟、倒相序、調整參數試啟工作，再次過載。泵卡原因主要為電潛泵流道結垢以及有機重質沉積堵塞。因此選擇“鹽酸+清洗液+鈣鎂垢”化學段塞解卡體系進行化學解卡作業(yè)。

鹽酸體系對電潛泵內垢樣進行沖洗，壓力從14 MPa下降至10.34 MPa，說明沖洗過程中溶蝕了泵流道表面的部分無機垢堵塞物；再正替清洗液至電潛泵流道內，關井反應4 h；正替處理液時，提高排量的情況下壓力為0，說明清洗液解除了電潛泵中有機堵塞傷害；隨后繼續(xù)正替處理液(鈣鎂垢體系)至電潛泵內，關井反應22 h，徹底解除泵流道內鈣鎂等無機堵塞傷害。

B10井電潛泵化學解卡作業(yè)后順利啟泵恢復生產，油壓1.2 MPa，日產液103.9 m3/d，日產油60.60 m3/d，日產氣0.29×104m3/d，含水41.39%，措施后至今有效，電潛泵化學解卡效果顯著。

5 結論

(1)渤海油田的典型電潛泵垢樣主要為碳酸鈣鎂鐵等無機垢與原油重質組分形成的復雜有機-無機垢。

(2)以鹽酸體系、多氫酸體系和鈣鎂垢體系組成的化學段塞解卡技術，對泵流道中的復雜有機-無機垢具有效良好的溶蝕和分散作用，同時解卡過程中對主要電潛泵機組部件沒有影響，確保電潛泵的安全性。

(3)電潛泵化學解卡技術在渤海K油田應用16井次，成功率100%，啟泵后累產油7×104m3，增產效果顯著。