程杰成
中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司
三元復(fù)合驅(qū)發(fā)揮堿、表面活性劑、聚合物的協(xié)同效應(yīng),可大幅度提高原油采收率。大慶油田三元復(fù)合驅(qū)先導(dǎo)性和工業(yè)性礦場(chǎng)試驗(yàn),均比水驅(qū)提高采收率20個(gè)百分點(diǎn)左右[1]。截至2021年底,三元復(fù)合驅(qū)累計(jì)產(chǎn)油量已突破4 000 萬t,近6年的年產(chǎn)油量均在400 萬t以上,已成為高含水后期油田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的接替技術(shù)。
伴隨三元復(fù)合體系的注入,體系中堿與儲(chǔ)層巖石、黏土礦物相互作用,導(dǎo)致采出液中鈣、硅等成垢離子濃度上升,油井結(jié)垢嚴(yán)重,檢泵周期大幅下降、生產(chǎn)成本大幅上升,成為限制其工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。在三元復(fù)合驅(qū)油井結(jié)垢高峰期,結(jié)垢井比例高達(dá)70%,檢泵周期由結(jié)垢前500 d降到不足90 d。以DQ6P34井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用為例:結(jié)垢高峰期,先后采用抽油機(jī)、螺桿泵、電泵等多種舉升方式,但仍頻繁垢卡作業(yè),最短檢泵周期只有10 d,單井平均每年因結(jié)垢增加作業(yè)維護(hù)工作量4次,增加作業(yè)成本26萬元,因結(jié)垢檢泵降低生產(chǎn)時(shí)率少產(chǎn)油170 t。
三元復(fù)合驅(qū)結(jié)垢防治技術(shù)面臨的難題有:(1)垢質(zhì)為鈣硅復(fù)合垢,成因復(fù)雜,難以預(yù)測(cè);(2)硅垢質(zhì)地堅(jiān)硬,國(guó)內(nèi)外尚無有效硅垢防垢劑,常規(guī)防垢劑的防垢率不足10%;(3)結(jié)垢量大、影響因素多,受井底溫度、壓力變化影響外,還包括抽油泵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生摩擦、壓實(shí)等因素。
經(jīng)過大慶油田科研人員多年的攻關(guān)研究,根據(jù)先導(dǎo)試驗(yàn)結(jié)垢動(dòng)態(tài)變化特征,創(chuàng)建了三元體系與油層巖石長(zhǎng)期作用實(shí)驗(yàn)方法,揭示了鈣硅復(fù)合垢沉積的演變機(jī)制。量化了溫度、壓力、離子濃度和pH值主控因素對(duì)復(fù)合垢沉積的影響,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),建立了鈣硅復(fù)合垢沉積模型及定量預(yù)測(cè)方法,工業(yè)區(qū)塊結(jié)垢井預(yù)測(cè)符合率達(dá)90%以上。依據(jù)成垢機(jī)理,發(fā)明了復(fù)合垢防垢劑,有機(jī)小分子螯合Ca2+、Mg2+,阻止晶核生成,高分子鏈接磷酸基團(tuán)和羧酸基團(tuán),與原硅酸發(fā)生氫鍵作用,阻止其形成多聚硅酸,防垢率由不足10%提至80%以上。對(duì)沉積在舉升設(shè)備上的復(fù)合垢,發(fā)明了具有腐蝕低、用量少、速度快的清垢劑,清垢率達(dá)90%以上。依據(jù)表面吸附、環(huán)形縫隙流和摩擦學(xué)等理論,通過獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和低表面能材料改性,創(chuàng)新研發(fā)出長(zhǎng)柱塞短泵筒抽油泵、敞口式防垢泵和軟柱塞抽油泵等系列舉升設(shè)備。通過應(yīng)用結(jié)垢防治技術(shù),油井檢泵周期由不足90 d延長(zhǎng)至400 d以上,實(shí)現(xiàn)了復(fù)合驅(qū)油井連續(xù)生產(chǎn)。
采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP)、同步輻射、環(huán)境掃描電鏡 (SEM)、X射線衍射光譜儀(XRD)等儀器分析手段,測(cè)試了先導(dǎo)試驗(yàn)的5個(gè)區(qū)塊、300多口井、14 000多個(gè)采出水樣離子濃度和500多個(gè)垢樣數(shù)據(jù)。
垢樣分析結(jié)果表明,三元復(fù)合驅(qū)油井結(jié)垢在時(shí)間上具有明顯的階段性,不同注入階段垢質(zhì)組成差異大,大致可分3個(gè)階段:(1)注入初期0~0.3 PV,結(jié)垢主要為疏松垢質(zhì),主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比分別為CaCO3>50%、SiO2≤20%;(2)注入中期 0.3~0.5 PV,結(jié)垢由疏松垢質(zhì)向致密垢質(zhì)轉(zhuǎn)變,主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比為CaCO3<20%、SiO2>50%,結(jié)垢速度變慢;(3)注入后期0.5 PV之后,結(jié)垢主要為致密垢質(zhì),質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比為CaCO3<20%、SiO2>70%,垢質(zhì)致密,結(jié)垢速度慢,具體數(shù)據(jù)見表1。
表1 不同注入階段垢樣成分分析Table 1 Analysis of scale samples at different stages of ASP flooding
對(duì)采出液進(jìn)行跟蹤分析,確定 Ca2+、Mg2+、Si4+、CO32-、HCO3-、pH 值等結(jié)垢敏感性參數(shù),并研究了結(jié)垢敏感性參數(shù)的變化規(guī)律。進(jìn)入結(jié)垢期之后,采出液中鈣離子濃度下降、硅離子濃度上升;碳酸氫根離子濃度下降、碳酸根離子濃度上升;以注入量為橫坐標(biāo),各離子濃度變化曲線都分別呈現(xiàn)出“剪刀交叉”曲線的特征,與垢質(zhì)成分演變具有高度相關(guān)性。
模擬三元體系及其組分與儲(chǔ)層礦物長(zhǎng)期作用,開展了長(zhǎng)巖心驅(qū)替及垢晶成長(zhǎng)微觀實(shí)驗(yàn),揭示了堿對(duì)礦物溶蝕產(chǎn)生鈣、硅等離子,鈣離子與地層水中碳酸根離子反應(yīng)成核、硅酸以及硅酸根離子縮聚脫水沉積在核表面,二者共生、包裹形成復(fù)合垢的結(jié)垢機(jī)理[2],如圖1 所示。
圖1 鈣硅復(fù)合垢形成機(jī)理Fig.1 Formation mechanism of calcium-silicon composite scale
天然巖心模擬實(shí)驗(yàn)表明,溶出Ca2+、Mg2+與碳酸根發(fā)生離子沉淀反應(yīng),迅速降至痕量;溶出Si4+堿性環(huán)境下形成原硅酸,發(fā)生一聚、二聚和多聚反應(yīng)生成硅酸凝膠,最后脫水形成SiO2,反應(yīng)過程復(fù)雜,且存在“溶出/沉積”動(dòng)態(tài)平衡,整體呈上升趨勢(shì),如圖2所示;三元液驅(qū)替后巖心中硅元素含量降低,距注入端越近,降低幅度越大,如圖3所示。
圖2 長(zhǎng)巖心三元驅(qū)采出液離子濃度的變化Fig.2 Variation of ion concentration in produced fluids from long cores during ASP flooding
圖3 長(zhǎng)巖心三元驅(qū)巖心礦物中硅元素的變化Fig.3 Variation of silicon element concentration in minerals in long cores during ASP flooding
準(zhǔn)確預(yù)測(cè)結(jié)垢時(shí)機(jī)、垢質(zhì)成分、結(jié)垢速度對(duì)合理采取針對(duì)性防治措施具有重要意義。國(guó)內(nèi)外油田對(duì)碳酸鹽垢和硫酸鹽垢等無機(jī)垢的預(yù)測(cè)模型已成熟應(yīng)用,而鈣硅復(fù)合垢的沉積預(yù)測(cè)模型相對(duì)復(fù)雜,還屬于探索階段,根本原因在于碳酸鈣和有機(jī)硅、無機(jī)硅等沉積機(jī)理存在本質(zhì)上的差別[2]。
大慶油田三元復(fù)合驅(qū)碳酸鈣的沉積過程中直接經(jīng)歷的是碳酸氫根轉(zhuǎn)化為碳酸根的二級(jí)反應(yīng)平衡。因此,可以簡(jiǎn)化反應(yīng)級(jí)數(shù),以O(shè)ddo-Tomson飽和指數(shù)法為基礎(chǔ),結(jié)合三元復(fù)合驅(qū)區(qū)塊的溫度、壓力、pH值和離子強(qiáng)度,對(duì)飽和指數(shù)進(jìn)行修正得到碳酸鈣沉積預(yù)測(cè)模型為
式中,Is為飽和指數(shù);T為溫度,℃;p為壓力,MPa;m為溶液總離子強(qiáng)度,mol/L。
在三元復(fù)合驅(qū)硅垢的形成過程中發(fā)生了從原硅酸離子,低聚硅離子,到高聚硅沉積的復(fù)雜狀態(tài)。pH值、離子強(qiáng)度等物理化學(xué)條件,可以調(diào)節(jié)不同狀態(tài)硅的轉(zhuǎn)化,最后高聚硅酸鹽沉積、脫水,以無定型二氧化硅的形式析出結(jié)垢。因此,研究低聚硅的轉(zhuǎn)化起始態(tài)濃度,假設(shè)硅質(zhì)量守恒,全部轉(zhuǎn)化為二氧化硅,便可預(yù)測(cè)結(jié)垢的極限值。采用硅鉬黃分光光度法檢測(cè)低聚硅離子濃度,將采出液中理論飽和低聚硅濃度與pH值、離子強(qiáng)度之間建立一個(gè)指數(shù)函數(shù)關(guān)系式,得到硅垢的沉積模型為
依據(jù)碳酸鈣沉積飽和指數(shù)方程和低聚硅沉積模型,得出三元復(fù)合驅(qū)油井結(jié)垢預(yù)測(cè)模型如圖4所示。結(jié)合大慶油田三元復(fù)合驅(qū)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)塊油井的離子化驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算得到其不同生產(chǎn)時(shí)間的碳酸鈣結(jié)垢飽和指數(shù)和低聚硅飽和量,以單井結(jié)垢對(duì)應(yīng)關(guān)系為基礎(chǔ),建立不同結(jié)垢時(shí)期對(duì)應(yīng)的三元復(fù)合驅(qū)油井鈣硅結(jié)垢的量化區(qū)間。對(duì)于三元復(fù)合驅(qū)新區(qū)塊混合垢的預(yù)測(cè),先確定水驅(qū)后碳酸鈣的飽和指數(shù)和低聚硅的理論飽和值,再對(duì)混合垢預(yù)測(cè)模型加以修正,即可得到準(zhǔn)確的混合結(jié)垢預(yù)測(cè)模型。對(duì)大慶油田521口井進(jìn)行結(jié)垢預(yù)測(cè),符合率達(dá)90.1%。
圖4 三元復(fù)合驅(qū)油井結(jié)垢預(yù)測(cè)模型Fig.4 Model for scaling prediction in the ASP flooding wells
針對(duì)三元復(fù)合驅(qū)高pH值、高礦化度采出液介質(zhì)下,碳酸鹽垢沉積速度快的特點(diǎn),合成了丙烯基醚-烷基丙烯酸鈉-甲基乙烯基苯磺酸鈉的三元共聚物碳酸鹽垢防垢劑[3-4]。通過穩(wěn)定立體的多環(huán)螯合金屬離子,抑制其與CO32-生成沉淀;在微晶表面吸附形成擴(kuò)散雙電層,離子之間相互排斥,阻止微晶聚集[5-7]。在模擬三元復(fù)合驅(qū)采出液溶液介質(zhì)下,防垢劑使用濃度為100 mg/L時(shí),碳酸鹽垢防垢率為95.0%,可以有效防垢。
三元復(fù)合驅(qū)垢質(zhì)為鈣硅復(fù)合垢,對(duì)硅垢的防治技術(shù),國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研未見報(bào)道,常規(guī)防垢劑防垢率不足10%。依據(jù)硅垢成垢機(jī)理,即原硅酸通過氧聯(lián)反應(yīng)形成多聚硅酸,再聚集脫水形成無定形SiO2,研制了“硅垢化學(xué)防垢劑”,是一種側(cè)鏈帶有羧酸、磺酸官能團(tuán)的高分子共聚物[8-9],組分中羧基官能團(tuán)能夠通過氫鍵相互作用與硅酸分子或其二聚體發(fā)生鍵接[10-11]。由于高分子鏈的空間位阻作用,這些被高分子鏈接的硅酸分子或其二聚體不能和其他硅酸分子或低聚體形成多聚硅酸并最終脫水形成不溶性SiO2,從而表現(xiàn)出了阻止或延緩硅垢沉積和生長(zhǎng)。硅垢防垢劑特性:(1)與地層配伍性好,對(duì)礦化度、pH值適應(yīng)范圍大,適用于采出液中Si4+濃度為10~1 500 mg/L,礦化度范圍為 0~10 000 mg/L,pH 值范圍為5~11;(2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中防垢效果良好,防垢劑使用濃度為200 mg/L時(shí),防垢率可達(dá)80%以上。
對(duì)已沉積在舉升設(shè)備上的復(fù)合垢,無機(jī)酸清垢劑的溶垢率僅為50%左右,不能有效清除。為此,研發(fā)了有機(jī)酸清垢劑和中性硬垢軟化劑,采用清除方法,保證舉升設(shè)備的正常使用。
3.3.1 硅垢有機(jī)酸清垢劑
由有機(jī)復(fù)合酸和氟鹽等組成的清垢劑,通過溶解、配位機(jī)制,對(duì)垢層具有剝離、分散和溶解作用,對(duì)硅垢的溶垢率大于80%。
3.3.2 中性硬垢軟化劑
依據(jù)膨潤(rùn)土遇水后膨脹、分散的原理,研發(fā)了中性硬垢軟化劑,通過誘導(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,從采出設(shè)備表面分散、脫落。
室內(nèi)利用該藥劑對(duì)三元復(fù)合驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)垢樣進(jìn)行了浸泡實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采出設(shè)備上的致密垢樣,經(jīng)過中性硬垢軟化劑浸泡2 h后,表層發(fā)生了疏松和部分垢質(zhì)脫落的現(xiàn)象;4 h后,垢樣全部坍塌,更多垢質(zhì)脫落;6 h后,垢樣被完全軟化,呈現(xiàn)分散狀態(tài),體積增加5倍以上;8 h后,垢樣分散狀態(tài)繼續(xù)增加;24 h后,垢樣分散體積為未浸泡時(shí)的10倍以上,垢質(zhì)更為疏松。由于該藥劑溶液呈中性,具有腐蝕性低、使用安全特點(diǎn),可滿足不同材質(zhì)抽油泵清垢需求。
為了保證現(xiàn)場(chǎng)油井“加夠藥、加好藥”,針對(duì)現(xiàn)有的井口防垢加藥裝置只有防垢劑注入系統(tǒng),且注入速度較慢,無法滿足結(jié)垢井清垢需要的問題,發(fā)明了三元復(fù)合驅(qū)油井清防一體化工藝,在原有井口點(diǎn)滴加藥工藝基礎(chǔ)上,增設(shè)了生產(chǎn)電流監(jiān)控系統(tǒng)和清垢劑注入系統(tǒng),通過自編軟件監(jiān)測(cè)油井清垢電流閾值、智能調(diào)控清防注入流程,實(shí)現(xiàn)在線及時(shí)清垢、實(shí)時(shí)防垢的雙重功能。清防一體化加藥裝置如圖5所示,主要由清防垢劑儲(chǔ)藥罐、微電腦控制系統(tǒng)、單電機(jī)柱塞泵、定壓調(diào)節(jié)器、高壓軟管和安全閥等組成。
圖5 清防一體化加藥工藝Fig.5 Integrated process of adding chemicals of scaling prevention and treatment
三元復(fù)合驅(qū)清防垢加藥工藝技術(shù)特點(diǎn):(1)設(shè)計(jì)了一體化雙柱塞注入泵,摻水量為200~500 L/d可調(diào),精度要求≤5.0 L/d;防垢劑量為10~25 L/d可調(diào),精度要求為0.2 L/d;清垢劑量為1.8 L/min,精度要求≤0.2 L/min,其中清垢泵具有耐酸性,柱塞耐磨,長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性好;(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換系統(tǒng),外徑15 mm,工作壓力為20 MPa;材質(zhì)為316L不銹鋼,電動(dòng)切換;(3)設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)儲(chǔ)存系統(tǒng),隨時(shí)可以記錄電流的變化,數(shù)據(jù)采集頻率任意選,實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的變化;(4)設(shè)計(jì)了微電腦運(yùn)算系統(tǒng),判斷分析抽油機(jī)運(yùn)行情況,配有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。
清防一體化加藥工藝優(yōu)勢(shì):(1)根據(jù)電流波動(dòng)情況,自動(dòng)確定清垢劑加藥時(shí)機(jī);(2)根據(jù)電流變化情況,自動(dòng)調(diào)節(jié)防垢劑加藥濃度;(3)在線自動(dòng)加藥,不受天氣及管理因素影響,清垢及時(shí)率達(dá)100%;(4)少量投加清垢劑對(duì)地面電脫水設(shè)備無影響,無需排液,滿足環(huán)保要求;(5)取消常規(guī)清垢車組及專業(yè)隊(duì)伍,清垢效率大幅提升。
三元復(fù)合驅(qū)結(jié)垢導(dǎo)致抽油機(jī)頻繁卡泵。從抽油泵的本身結(jié)構(gòu)看,易造成垢卡,一是在柱塞兩端壓差作用下,液體中的不溶性垢在防砂槽內(nèi)堆積、壓實(shí);二是柱塞上端與泵筒之間存在容垢空間,停機(jī)后油管內(nèi)液體中的垢在此處堆積、壓實(shí)造成卡泵。
長(zhǎng)柱塞短泵筒抽油泵如圖6所示,主要包括泵筒上加長(zhǎng)管、泵筒、柱塞、泵筒下加長(zhǎng)管和固定閥等。泵的特點(diǎn):(1)柱塞與泵筒表面均采用高硬度、光潔度好且抗磨蝕的合金材料進(jìn)行表面改性處理,且合金層與基體的結(jié)合力為冶金結(jié)合,結(jié)合力更強(qiáng),通過提高摩擦副表面的硬度及耐腐蝕性能,保持表面較高光潔度以實(shí)現(xiàn)防垢;對(duì)垢的適應(yīng)性增強(qiáng),可延緩柱塞及泵筒表面結(jié)垢,與電鍍鉻層相比,具有更好的防垢性能;(2)采用長(zhǎng)柱塞短泵筒結(jié)構(gòu),柱塞上端始終處于泵筒外,柱塞在泵筒兩端的刮削和油液擾動(dòng)下,不易在泵筒沉積結(jié)垢;(3)取消防砂槽,改用等直徑光柱塞,減少防砂槽內(nèi)產(chǎn)生垢沉積;(4)通過采用自動(dòng)調(diào)節(jié)刮垢環(huán)設(shè)計(jì),減輕泵筒的垢沉積,防止卡泵。
圖6 長(zhǎng)柱塞短泵筒抽油泵結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of oil well pump with long plunger and short cylinder
敞口式防垢抽油泵的結(jié)構(gòu)如圖7所示,主要由泵筒上加長(zhǎng)管、泵筒、柱塞、游動(dòng)閥、固定閥等組成。敞口式防垢抽油泵的工作特點(diǎn):(1)泵柱塞去掉了防砂槽,起到降低沉垢幾率的作用;(2)上死點(diǎn)位置時(shí)柱塞與泵筒分開,進(jìn)入泵筒中的泵垢可以被液流帶走,減少泵垢堆積,防止停機(jī)卡泵的事故發(fā)生;(3)柱塞上端設(shè)計(jì)成刮垢結(jié)構(gòu),游動(dòng)閥的數(shù)目由2個(gè)減少為1個(gè),柱塞中空部分成為容垢空間,可以容納更多的積垢,大幅降低了運(yùn)行卡泵幾率;(4)泵筒上端變徑敞口設(shè)計(jì),可以使柱塞平穩(wěn)進(jìn)入泵筒;(5)泵內(nèi)通道暢通,提高了酸洗效果。
圖7 敞口式防垢抽油泵結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of open type anti-scaling oil pump
我國(guó)絕大多數(shù)老油田采收率高達(dá)28.5%,已接近水驅(qū)開發(fā)極限,陸上已開發(fā)油田采收率每提高1個(gè)百分點(diǎn),就相當(dāng)于發(fā)現(xiàn)1個(gè)10億t的大油田?,F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,三元復(fù)合驅(qū)比水驅(qū)提高采收率20個(gè)百分點(diǎn)左右,成為我國(guó)陸上進(jìn)入高含水開發(fā)階段的老油田挖潛主要開采方式。針對(duì)三元復(fù)合驅(qū)油井結(jié)垢問題,形成了以結(jié)垢預(yù)測(cè)、物理耐垢、化學(xué)防垢、清垢解卡為核心的清防垢舉升技術(shù),解決了“三元驅(qū)油井因垢導(dǎo)致檢泵周期短”的采油工程技術(shù)瓶頸,與未采取措施前相比,油井檢泵周期延長(zhǎng)3~4倍,單井每年減少作業(yè)3~5次,既降低工作量、減少生產(chǎn)成本,又提高了三元驅(qū)油井運(yùn)行時(shí)率,為復(fù)合驅(qū)工業(yè)化應(yīng)用提供了工藝保證。
隨著新材料、新工藝、人工智能技術(shù)和信息科技的發(fā)展,研究和開發(fā)綜合性能好、使用范圍寬的清防垢劑以及智能應(yīng)用技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)。清防垢技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展方向:(1)結(jié)垢機(jī)理由井筒向儲(chǔ)層多維度全過程研究發(fā)展;(2)研制開發(fā)兼具防垢、清垢的一體化藥劑和定點(diǎn)靶向加藥工藝,進(jìn)一步提升清防垢效率;(3)開發(fā)清防垢技術(shù)專家系統(tǒng),集成已有技術(shù)成果,融合大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新技術(shù),將結(jié)垢預(yù)測(cè)、方案及效果評(píng)價(jià)模型化、定量化,現(xiàn)場(chǎng)管理及操作中隱形經(jīng)驗(yàn)顯性化,提升清防垢診斷決策技術(shù)水平。