王明軍，李春福，胡文濤

（1.西南石油大學，成都 610500；2.中石化華北油氣分公司，鄭州 450000）

油田水平井合金防垢器研制與效果評價

王明軍1，李春福1，胡文濤2

（1.西南石油大學，成都 610500；2.中石化華北油氣分公司，鄭州 450000）

目的 探尋合金防垢在某油田的適用性。方法 利用設計的模擬試驗裝置，以防垢效果為評價指標，優(yōu)選出作為合金防垢器核心部件合金扇形片的元素配比，設計并研制扇形合金片螺旋排列結(jié)構(gòu)的串聯(lián)式合金防垢器，選擇油田的油井進行5個月的現(xiàn)場試驗。結(jié)果 地層水中的鈣鎂離子質(zhì)量濃度提高了260%，防垢率較化學阻垢提高了76%。結(jié)論 該合金防垢器防垢效果較好。

管柱結(jié)垢；合金防垢；鈣鎂離子；防垢率

某油田為典型的低孔特低滲致密儲層，儲層油、水兩相區(qū)域較窄，隨含水飽和度的增加，油相滲透率快速下降，水相滲透率略呈直線上升[1]。由于水敏性較強，且地層水礦化度特別是鈣鎂離子含量較高，油井易在生產(chǎn)管柱內(nèi)結(jié)垢[2]。同時油井生產(chǎn)過程中因各種因素造成的偏磨損害嚴重，進而造成產(chǎn)量下降，生產(chǎn)困難。

目前油田防垢技術(shù)主要包括化學法、物理法和工藝法[3—4]。針對越來越嚴重的井結(jié)垢問題，油田自開采以來主要采用了向井內(nèi)加注防垢劑的方法來預防結(jié)垢[5]，防垢率僅80%。文中針對油田化學藥劑防垢率較低的現(xiàn)狀，對部分油井地層液進行檢測，根據(jù)分析結(jié)果，對目前國內(nèi)物理防垢技術(shù)進行了優(yōu)選，確定采用合金防垢技術(shù)，進行試驗研究。

1 合金防垢原理

防垢合金主要由銅、鋅、錫、鎳、錳、銀等具有不同電負性的金屬元素構(gòu)成，這些元素之間存在電極電位差異，因此在加工制備的合金中會有電勢差存在，形成多個微小的原電池，構(gòu)成了特殊的電化學催化體，可以向流體介質(zhì)釋放自由電子，使流體介質(zhì)產(chǎn)生極化效應[6]。其中電極電位較低的鋅首先被氧化為離子進入水中，釋放出電子。相比CO32-和自由電子，Ca2+和帶正電的膠體更容易與電子結(jié)合，水偶極子與鈣鎂離子形成牢固的水合離子，使正負電荷重心偏離增大，增加了礦化物的溶解度，從而達到防垢目的[7]。

2 合金防垢配比

2.1 合金材料組成

在現(xiàn)場應用中，合金材料不斷接觸高礦化度地層液，同時受到地層液的上升沖刷，所以選取的合金元素相互之間既要有較高電位差，又能保持化學性質(zhì)穩(wěn)定[6]。理論上合金元素種類越多，形成的微電池越多，防垢能力越強，但會產(chǎn)生諸如比例調(diào)整等冶煉工藝問題?？紤]到以上及經(jīng)濟因素，初步選取銅、鋅、錫、鎳、錳、銀等，合金配比以銅為溶劑，以鋅為主要溶質(zhì)。

根據(jù)國內(nèi)外文獻和文獻[7]等的報道，3個典型專利中合金成分列于表1。由表1可見，合金材料的各元素含量是一個范圍值，最佳防垢效果的元素配比也應處于該范圍之內(nèi)。

試驗中，在各元素最優(yōu)防垢范圍內(nèi)選取幾個配比，見表2。通過防垢動態(tài)評價選取防垢效果較好的組合，為進一步優(yōu)化合金組合打下基礎。

表1 各類合金組合元素含量Table 1 Combination of element contents in various alloys %

表2 實驗合金組合元素含量Table 2 Composite element contents in the experimental alloy %

2.2 合金防垢室內(nèi)實驗

2.2.1 實驗裝置設計

防垢實驗裝置采用兩條平行管路系統(tǒng)，兩條管路所含部件及管線相同，具備加熱和流量控制功能。實驗裝置主要由容器水箱、熱電偶、溫控調(diào)節(jié)器、加熱器、循環(huán)水泵、管道、調(diào)節(jié)閥門、流量計、臺架等組成。其中在平行管路1上連接合金防垢器（可更換不同合金），平行管路2作為參照。

加工制造時，容器水箱容積為80 L，由PVC 板材制作，其中間用 PVC 板間隔開而不會給循環(huán)水帶來干擾。管線選取有熱承載能力的 PPR 熱水管，選取增壓式循環(huán)水泵，泵體滿足耐腐蝕又可循環(huán)冷熱水的要求，其流速控制在 10 L/min以上。實驗裝置設計如圖1所示。

圖1 合金防垢動態(tài)實驗裝置Fig.1 Dynamic experiment device for alloy antiscale

2.2.2 實驗設計

模擬油田油井井筒條件：取W2-44-2井管內(nèi)垢樣作為實驗的防垢對象，容器水箱溫度控制在80～90 ℃之間，設定循環(huán)水泵工作參數(shù)及調(diào)節(jié)閥門，使得管線流量與該井現(xiàn)場流速接近。

1）合金材料配比實驗。為減少因?qū)嶒炈畼硬町惗斐蓪嶒炚`差，將實驗容器1、容器2同時裝入根據(jù) W2-44-2井地層液成分含量配置的實驗水樣。實驗設置為5組，每組實驗選用W2-44-2井相同垢樣各2份，垢樣按照組序進行編號（1—10），并稱量初始質(zhì)量。每組實驗開始前，將垢樣分別放置于2個垢樣夾持器，然后將夾持器分別固定于容器水箱1和容器水箱2中。5組實驗依次進行，實驗時間設置為15天，每隔3天將容器水箱1、容器水箱2的垢樣取出，分別放入烘箱恒溫80 ℃下持續(xù) 30 min 后再稱量記錄，然后重新放入夾持器中繼續(xù)實驗，直至該組實驗結(jié)束。實驗過程中考慮到水分蒸發(fā)，每天可向兩容器水箱添加蒸餾水至實驗水樣的初始位置。通過該組實驗數(shù)據(jù)對比，優(yōu)選出防垢效果較好的合金材料配比組合。

2）合金防垢適應性實驗。將實驗裝置管路 2同樣串聯(lián)相同規(guī)格的合金防垢器，改裝后的防垢器內(nèi)安裝由配比實驗優(yōu)選出的合金材料，采用W2-43-5，W2-27-2，W2-46-2，W2-41-1井 4組不同礦化度的地層采出液進行對比實驗，采取兩組地層液實驗同時進行。選擇W2-44-2井管內(nèi)垢樣，編號依次為 11—14，過程中做好垢樣稱量，并記錄各垢樣質(zhì)量變化數(shù)據(jù)以及各地層液成分變化，后續(xù)實驗過程同上操作。

2.2.3 實驗結(jié)果與分析

1）合金材料配比實驗數(shù)據(jù)。實驗水樣組成：鈣離子為900 mg/L；鎂離子260 mg/L；礦化度為31 900 mg/L。每組第二個垢樣為空白對比樣。實驗過程中，防垢率[9]（以第1組說明）=（Δm2-Δm1）/Δm2[10]。試驗數(shù)據(jù)見表3，可以看出，第4組合金配比的防垢效果較好，防垢率可達90%以上。

2）合金防垢適應性實驗數(shù)據(jù)。合金防垢適應性實驗各組垢樣的質(zhì)量增量趨勢如圖2所示，圖2中添加合金材料配比實驗中最優(yōu)防垢效果對比，垢樣編號為7。W2-43-5，W2-27-2，W2-44-2，W2-46-2，W2-41-1井液礦化度分別為：10 450，23 700，42 000，47 300 mg/L。由圖 2可見，在 W2-43-5， W2-27-2，W2-44-2，W2-46-2，W2-41-1井液礦化度下，各垢樣的質(zhì)量增幅約為 0.52，1.26，2.37，3.7，5.9 g。說明礦化度增加，合金防垢效果減弱，但對不同礦化度都有明顯防垢效果。

表3 合金材料配比實驗數(shù)據(jù)Table 3 The experimental data of different alloy material formula

圖2 合金防垢適應性實驗各組垢樣增重趨勢Fig.2 Sample weight gain trends of different experimental groups in alloy antiscale adaptability test

2.3 合金防垢器研制

2.3.1 性能要求

結(jié)合油田生產(chǎn)條件，所研制合金防垢器應滿足以下要求：防垢器安裝與管柱密封性能要好，不影響油井后期維護及檢測工作；適應油井不同的生產(chǎn)工況，具有耐壓、耐溫、耐高礦化度水質(zhì)等性能；可實現(xiàn)流體與防垢器充分接觸，增加兩者接觸時間，充分發(fā)揮合金材料對流體的極化作用[11]；防垢器易于取出，且自去污能力強。

2.3.2防垢器設計

依據(jù)以上性能要求，防垢器設計總體思路是：流體從防垢器進液端進入內(nèi)筒，隨后通過由多個合金疊加形成的螺旋空腔，流動狀態(tài)變?yōu)橥牧?，可與合金材料充分接觸，最后從出液端流出。

防垢器分為支撐外殼和核心兩大部分。支撐外殼包括進出液端連接器、保護套；核心部分則由合金連接管柱、內(nèi)筒保護罩和合金扇片組成。內(nèi)筒保護罩為圓筒結(jié)構(gòu)，底端封口，斷面及近底端筒面均勻布置多個進液孔眼。防垢器內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面均作合金鍍層處理，具有耐酸堿、耐中性鹽性能以及較好的耐溫性。

圖3 防垢器核心部分分解Fig.3 Core parts of the antiscale device

防垢功效主要通過核心部分發(fā)揮作用，文獻[12—13]中合金防垢結(jié)構(gòu)形式較多，主要目的是增加流體與合金材料的接觸面積。以往防垢器的結(jié)構(gòu)往往存在合金材料利用率不高、加工工序復雜等弊端。研制的合金防垢器把合金片做成扇形，并螺旋排列，它具有加工簡單、接觸面積大的特點[14]，如圖4所示。同時該防垢器具有在井下可快捷安裝、便捷打撈、精確固定的優(yōu)點。

圖4 防垢器合金材料結(jié)構(gòu)Fig.4 Alloy material structure of the antiscale device

3 安裝形式

合金防垢器采取串聯(lián)式安裝，即油井作業(yè)時，將防垢器安裝于指定兩根油管之間，防垢器隨油管下放到井筒固定位置[15]。

4 現(xiàn)場試驗

選取 W2-44-2井進行合金防垢試驗，該井于2014年5月16日下泵投產(chǎn)，初期日產(chǎn)液7.76 t，日產(chǎn)油2.06 t，含水73.5%，2014年8月15日日產(chǎn)液1.21 t，日產(chǎn)油0.8 t，含水33.8%。至2014年10月末出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，隨后加注阻垢劑，每天藥劑加注量為200 L。2015年1月21日對該井安裝合金防垢器，安裝位置如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場試驗防垢器安裝位置Fig.5 Installation location of the antiscale device in field test

現(xiàn)場試驗分為兩個階段：第1階段為檢測合金防垢器安裝之前加注阻垢劑時的生產(chǎn)情況；第2階段為檢測合金防垢器運行后油井的生產(chǎn)情況。試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 W2-44-2井合金防垢試驗數(shù)據(jù)對比Fig.6 Alloy antiscale test data for W2-44-2 well

通過圖6可以看出，安裝合金阻垢儀后，抽油機最大載荷整體呈現(xiàn)降低趨勢，而地層液鈣鎂離子的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)上升趨勢，說明合金防垢措施起到了阻垢作用。通過兩階段地層液鈣鎂離子最高濃度對比，即合金防垢與化學阻垢相比較，采用合金防垢后，地層液鈣鎂離子的質(zhì)量濃度提高了 538 mg/L，防垢率提高了76%。

5 結(jié)論

1）針對油田油井垢質(zhì)特征及油井結(jié)垢現(xiàn)狀，利用設計出的室內(nèi)動態(tài)模擬實驗平臺，優(yōu)選出了合金防垢材料的最佳配比及制造工藝。

2）根據(jù)油管井下實際情況，研制了采用螺旋排列的扇形合金片結(jié)構(gòu)的串聯(lián)式合金防垢器，具有加工簡單、接觸面積大的特點，同時密封可靠、快捷安裝、便捷打撈、精確固定。

3）現(xiàn)場試驗表明，與化學防垢效果相比，合金防垢可明顯提高鈣鎂離子質(zhì)量濃度。

4）模擬試驗還表明，地層水礦化度越低，合金防垢器的防垢效果將越好，說明在地層水礦化度較低的情況下會起到良好防垢效果。

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Development and Performance Evaluation of Alloy Antiscale in Horizontal Wells Oil-field

WANG Ming-jun1,LI Chun-fu1,HU Wen-tao2

( 1.Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2.North China Branch of Sinopec, Zhengzhou 450000, China)

ObjectiveTo explore the applicability of alloy antiscale in certain oilfield.MethodsA simulation test device was designed, and the scale prevention effect was selected as the evaluation index, the ratio of elements as material for the alloy segment, which was the core component of alloy antiscale device, was optimized, and tandem alloy antiscale device with spiral arrangement structure of segments was designed and developed. Finally, a 5-month field test was conducted in wells of oilfield.ResultsThe calcium and magnesium ion mass concentrations in formation water were increased by 260%, and the anti-scaling efficiency was 76% higher than that of chemical anti-scaling.ConclusionThe alloy antiscale device showed relatively good antiscale effect.

string scale; alloy antiscale; calcium and magnesium ions. antiscaling efficiency

10.7643/ issn.1672-9242.2016.03.025

TE258

A

1672-9242(2016)03-0151-05

2016-02-18；

2016-04-05

Received：2016-02-18；Revised：2016-04-05

王明軍（1979—），男，河南太康人，博士研究生，高級工程師，主要研究方向為油氣田管道安全輸送技術(shù)。

Biography：WANG Ming-jun(1979—), Male, from Taikang, Henan, Ph.D. candidate, Senior engineer, Research focus: safety transportation technology for oil and gas pipeline.