海上S油田聚合物驅(qū)注入工藝問題分析及應(yīng)對策略

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

海上S油田為我國渤海遼東灣海域的大型稠油油田，儲層分布穩(wěn)定，油層厚度大、物性好，非均質(zhì)嚴(yán)重，孔隙度分布在28%～35%，平均滲透率2000mD。開展聚合物驅(qū)以來，取得了較好的開發(fā)效果。隨著注聚規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，現(xiàn)場逐漸出現(xiàn)注入壓力高、部分井欠注、注聚區(qū)塊含水上升快、油井產(chǎn)液量下降等問題，注聚井中達(dá)到注入壓力上限的井?dāng)?shù)占5%，日欠注量高達(dá)10%，地面注聚管匯及井下注入管柱腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重，同時有絮狀物返出。陸上油田由于流程和管柱腐蝕結(jié)垢進(jìn)行的材料更換每年累計損失100億元之多，針對這一問題，陸上油田有計劃地開展了管線腐蝕結(jié)垢排查，并應(yīng)用化學(xué)和物理方法進(jìn)行防腐防垢，取得了較好的進(jìn)展[1]。因此，有必要結(jié)合陸上油田化學(xué)驅(qū)配套工藝成熟經(jīng)驗，分析海上油田注入工藝問題，以提高注入效率和入井液質(zhì)量。

1 注入工藝問題現(xiàn)狀

1.1 管線腐蝕

圖1 高壓注聚管線腐蝕及刺漏情況

圖2 注聚管線內(nèi)壁結(jié)垢情況

圖3 注聚流程管線注聚泵和過濾器內(nèi)的堵塞物

礦場實際生產(chǎn)過程中，腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象在油田的生產(chǎn)環(huán)境下是不可避免的[2～6]。通過對海上S油田2個注聚平臺的現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在高壓注入管線中該現(xiàn)象十分明顯，對設(shè)備管材影響巨大，增加了造成高壓事故的風(fēng)險。

圖1是高壓注聚管線腐蝕及刺漏情況。由圖1可以看出，管線腐蝕基本是點蝕穿孔現(xiàn)象。點蝕是金屬材料長期在侵蝕性陰離子環(huán)境下產(chǎn)生的局部腐蝕，發(fā)生在某個活性點并向金屬內(nèi)部發(fā)展，呈孔狀和坑狀等。發(fā)生機(jī)理為自催化效應(yīng)和局部腐蝕電池的形成。同時，由于高壓注入管線內(nèi)流體流速高、壓力高，還存在部分應(yīng)力損傷。

1.2 結(jié)垢堵塞

對注聚流程閥門進(jìn)行維修更換時發(fā)現(xiàn)，注聚管線內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重，管內(nèi)壁縮頸明顯，如圖2所示。結(jié)垢堵塞造成注入壓力上升，注聚泵負(fù)荷加大，并有可能將管線上脫落的垢帶入地層，造成近井地帶污染。在平臺提高注水量時也發(fā)現(xiàn)，輸送處理后污水的管線通過能力遠(yuǎn)小于設(shè)計要求，約為設(shè)計能力的一半，這都是由于結(jié)垢導(dǎo)致了管線堵塞，影響了注入流程效率。

1.3 聚合物堵塞

現(xiàn)場定期清理流程中的注聚泵、過濾器時發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)中存在一種大量的“黃褐色黏稠條形物”，隨著放置時間的延長，會伴有黑色物質(zhì)生成，且具有刺鼻的腐臭氣味(見圖3)。該類物質(zhì)造成注聚泵內(nèi)過濾裝置嚴(yán)重堵塞，加大了注入現(xiàn)場管理難度。注聚泵是整個聚合物注入系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵位置，連接前端的母液和后端的稀釋系統(tǒng)，該位置被該物質(zhì)堵塞，對下游注入體系的質(zhì)量會造成較大影響。

2 產(chǎn)生原因分析

2.1 注入水水質(zhì)分析

在整個開發(fā)過程中，目標(biāo)油田經(jīng)歷多次注入水水質(zhì)更換，包括注海水、注館陶組地層水、清污混注等，配聚流程采用水源井水配制母液，水源井水與生產(chǎn)污水按比例混合稀釋母液至目標(biāo)濃度。地層水水質(zhì)穩(wěn)定，但礦化度較高，生產(chǎn)污水為多個平臺污水混合，礦化度在一定范圍內(nèi)變化。對目標(biāo)油田周邊井區(qū)的生產(chǎn)水、地層水進(jìn)行水質(zhì)分析，以研究聚合物溶液的配制環(huán)境及管線腐蝕結(jié)垢環(huán)境，結(jié)果見表1。

表1 目標(biāo)油田周邊區(qū)塊水質(zhì)分析

不同水源水質(zhì)分析結(jié)果表明，Cl-質(zhì)量濃度較高，說明注入管線長期處于易腐蝕的極性環(huán)境中，易發(fā)生點蝕和穿孔。該油田水源井水、生產(chǎn)污水屬于氯化鈣水型，含有較高的鈣鎂離子濃度，注入過程中極易結(jié)垢形成沉淀，堵塞注聚管匯。

2.2 結(jié)垢產(chǎn)物分析

對管線內(nèi)壁垢樣進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表2。垢樣中的主要成分為Fe3O4、CaSO4，說明管道中腐蝕和結(jié)垢問題并存。高鈣鎂離子的注入水在管線內(nèi)壁形成不易解除的鈣鎂垢[7～9]，同時水中鐵離子質(zhì)量濃度較高時，這些離子在堿性條件下易生成Fe(OH)3、Fe2O3、Fe3O4晶體，一旦有這些晶體生成，其他鹽類就很容易以其為晶種，吸附在其表面，快速聚集，使結(jié)垢程度加大，溫度越高，形成的垢越多。

表2 管線垢樣分析結(jié)果

表3 物質(zhì)分析數(shù)據(jù)表

2.3 堵塞物分析

對注聚泵、過濾器內(nèi)取出的堵塞物進(jìn)行 X 射線能譜分析，得到組成物質(zhì)中各元素的種類和數(shù)量，結(jié)果見表3。

堵塞物主要組成成分有3種物質(zhì)，即：①構(gòu)成樣品的主要有機(jī)物是聚丙烯酰胺；②構(gòu)成樣品的主要無機(jī)物由鐵、鎂、鈣等離子組成；③附著在樣品表面的以硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌等為主的菌類及代謝產(chǎn)物。這與水質(zhì)組成分析結(jié)果相符，腐蝕產(chǎn)生的鐵離子以及注入水中高濃度的鈣、鎂等離子與聚合物溶液相互作用，產(chǎn)生大量的沉淀，長期注入后逐漸在注入管柱內(nèi)壁積累，影響注入速度。

3 應(yīng)對策略

3.1 地面管線材質(zhì)優(yōu)選

通過大量的文獻(xiàn)調(diào)研，結(jié)合碳鋼的分類以及材質(zhì)優(yōu)選研究，應(yīng)該選擇中碳鋼類型、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼或特類鋼，見表4。

表4 優(yōu)質(zhì)鋼的優(yōu)選型號及組成成分

室內(nèi)研究表明，鎳是一種比較穩(wěn)定的元素，加入鎳能使鋼的自腐蝕電位向正方向變化，增加了鋼的穩(wěn)定性，雖然鋼中鎳的加入可大幅提高鋼的品質(zhì)，但由于鎳的價格昂貴，普通的腐蝕鋼中很少添加，而提高鉻加入量同樣可以獲得高耐蝕效果[10]。碳元素是低合金鋼和碳鋼中必不可少的元素之一，它形成的碳化物Fe3C的含量、形態(tài)和分布對鋼的力學(xué)性能、腐蝕性能都有很大的影響，隨著碳含量的增加，形成Fe3C等碳化物的數(shù)量就越多，增大了腐蝕速率。因此，可以選擇碳含量低的超低碳高鉻鋼和低碳高鉻鋼，減低鋼的腐蝕速率，提高鋼的腐蝕性能。在注聚流程管線更換時，在經(jīng)濟(jì)允許范圍內(nèi)可以采取以上幾種耐腐蝕的材料，以降低管線腐蝕速率，提高聚合物溶液注入效率。同時,一些特殊材質(zhì)的材料，如帶耐腐蝕內(nèi)層及抗污染的玻璃鋼管、鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管、碳鋼內(nèi)涂層管等也可以用作防腐管材使用。

3.2 鐵離子穩(wěn)定劑加藥方式優(yōu)化

圖4 在加入不同質(zhì)量濃度Fe2+穩(wěn)定劑情況下溶液黏度隨溶解時間的變化

表5 現(xiàn)場取樣分析Fe2+穩(wěn)定劑的性能

由表5可以看出，F(xiàn)e2+穩(wěn)定劑在絡(luò)合能力方面能夠穩(wěn)定住Fe3+，但是對聚合物黏損較嚴(yán)重。室內(nèi)試驗開展了先溶解Fe2+，再加入當(dāng)量的Fe2+穩(wěn)定劑，充分?jǐn)嚢韬螅M(jìn)行聚合物母液配制，發(fā)現(xiàn)最后穩(wěn)定的溶液黏度較高，與在熟化罐中加入Fe2+穩(wěn)定劑的方式相比溶液黏度提高500mPa·s左右。因此，注入流程應(yīng)提前加入穩(wěn)定劑處理水中的Fe2+，再進(jìn)行聚合物配制，可以有效發(fā)揮Fe2+穩(wěn)定劑的作用，提高聚合物溶液黏度。

3.3 解聚劑配方篩選

表6 堵塞物在不同解聚劑中的形態(tài)

流程中的條狀、團(tuán)塊狀堵塞物為聚合物溶液遇Fe2+或其他金屬離子以及水中的其他懸浮物交聯(lián)老化形成的復(fù)雜堵塞物[14，15]，因此以氧化解堵為主要手段，室內(nèi)合成一種高效破膠氧化解聚劑，以產(chǎn)生的羥基自由基破壞碳碳鍵、碳氮鍵，最后轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，是一種具有較強(qiáng)氧化性的復(fù)合解聚劑，對現(xiàn)場堵塞物溶解48h后，在200mL復(fù)合解聚劑中完全溶解，但該堵塞物在質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%～5%過硫酸銨、ClO2及常規(guī)解聚劑中無明顯減小(見表6)，說明復(fù)合解聚劑對現(xiàn)場流程堵塞物具有明顯的降解效果，降解率達(dá)100%。

4 結(jié)論及建議

1)目標(biāo)油田注入水Cl-質(zhì)量濃度較高，形成易腐蝕的極性環(huán)境，是造成管線易發(fā)生點蝕和穿孔的主要原因。管線結(jié)垢成分以Fe3O4、鈣鎂垢為主，堵塞注聚管匯。流程中黃褐色條狀堵塞物為聚合物與鐵離子及其他金屬陽離子相互作用形成。

2)在注聚流程管線更換時，可以采用超低碳高鉻鋼和低碳高鉻鋼，以降低管線腐蝕速率，提高鋼的腐蝕性能。

3)注聚流程中應(yīng)在熟化罐前加入穩(wěn)定劑處理水中的Fe2+，再進(jìn)行聚合物配制，有效發(fā)揮Fe2+穩(wěn)定劑的作用，提高聚合物溶液黏度。

4)高效破膠氧化解聚劑對現(xiàn)場流程堵塞物具有明顯的降解效果，降解率達(dá)100%。