機采水平井低表面能防蠟技術研究與應用

2019-07-11 09:16:42朱洪征蘇祖波甘慶明呂億明常莉靜

鉆采工藝 2019年3期

朱洪征，郭靖，蘇祖波，甘慶明，呂億明，常莉靜

(1長慶油田分公司油氣工藝研究院 2低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室)

隨著油田勘探、開發的不斷深化，各種新的鉆完井技術得到快速發展，國內在低滲透油藏乃至致密油藏中，針對常規直井開發單井產量低，提高單井產量的水平井開發方式這些年更是突飛猛進，在增儲上產中起到了巨大作用[1-2]。以長慶油田為例，目前水平井已經達到2 300余口，平均產量是一般直井的2～3倍，現在長慶油田每年新增水平井100口左右。隨著油藏的不斷開發，生產過程中地層能量不斷下降，由于水平井產液量較高，部分區塊油層含蠟量高，井筒結蠟現象日益加劇，使得機采水平井抽油機載荷增加，泵效降低，油井產量下降，同時因結蠟檢泵井不斷增加，采油時效降低，油井維護成本增加，做好油井清防蠟工作顯得越來越重要[3-5]。

目前常用的清防蠟工藝仍沿用直井清蠟方式，包括井口投加清防蠟劑化學清防蠟、常規熱力清蠟、機械清蠟等[6-7]。筆者利用基于液體附著的固體表面能越低，液體更不容易潤濕固體，越容易在表面上移動的性能，提出了一種機采水平井低表面能防蠟技術，并結合油田特點，從溫度、含水、蠟質等方面，明確了防蠟表面能技術界限，在40余口井進行了現場應用，在未采取其他措施的情況下，防蠟效果明顯。

一、低表面能防蠟技術的構建

當溫度、壓力降低時，蠟、膠質等就會以晶體形式析出，沉積在油管、井下裝置的表面，從而減小油井的出油能力。表面能是恒溫、恒壓、恒組成情況下，可逆地增加物系表面積須對物質所做的非體積功。根據表面能理論(見圖1)，當固體表面能越低，液體更不容易潤濕固體，越容易在表面上移動，不易附著在固體表面，液體在水平固體表面上，當達到平衡時，形成的接觸角與各界面張力之間符合楊氏公式[8]：

γsg-γsl=γlgcosθ

(1)

接觸角θ由γsg、γsl、γlg決定，對于同一液體，固體表面張力越小，接觸角θ越大，潤濕效果越差，液體越不容易潤濕固體，越容易在表面上移動。所以，如果管壁涂有低表面張力涂層，那么蠟質就不會或較少被管壁吸附，且易隨液流排出。但在管道內壁涂層的工作過程中，涂層必須先提供防腐的功能，因為管道內壁如被破壞，管道的腐蝕將產生腐蝕垢，腐蝕垢將增加管道內壁液流的表面張力，且內壁表面粗糙程度增加，以腐蝕垢為中心，也容易導致蠟晶體沉積。

圖1 楊氏接觸角示意圖

因此在油管內壁涂覆一層親水/疏油的光滑涂層，一方面起到防腐蝕作用，避免形成銹蝕壁面著床點；另一方面促使形成紊流邊界層，即液流沖刷動能大于沉積吸附力，降低蠟質在涂層表面的黏附力，著床后易被沖掉，隨液流帶出井筒，使蠟不易在其表面沉積，從而達到防蠟的目的。

二、低表面能防蠟體系性能研究

1. 臨界表面能優選

為了研究對比不同內涂層的防蠟效果，進行了原油動態結蠟模擬實驗，實驗溫度主要由恒溫水浴控制, 沉積面分別為無涂層的鋼片和涂覆不同涂層的薄片。沉積面溫度控制在低于油樣溫度3℃～5℃, 攪拌器的轉速為30 r /min (以?73.16 mm的油管每天采出液的流量為12 m3計)。試驗用時24 h 后, 取出沉積物并稱重, 計算其防蠟率。

根據式(2)計算其防蠟率。

(2)

式中:PR—防蠟率，%；W1—無涂層時的蠟沉積量，g；W2—涂覆涂層后的蠟沉積量，g。

測試出同一條件下不同涂層的防蠟率，然后結合前面計算出的涂層表面能外推出涂層的防蠟表面能。根據統一測試條件下三個不同表面能涂層上的防蠟率，以表面能數據為x軸，防蠟率數據為y軸，進行直線擬合，得到直線y=kx+b，然后將直線外推，當y=100%時求得x值即為臨界表面能。

1.1 單因素影響趨勢分析

在不同油溫、蠟質、含蠟量、壓力、含水情況下，分別對沒有涂層的鋼片及帶有涂層的試片進行蠟沉積實驗，24 h后取出試片稱取結蠟質量，間接可得出對應條件下的臨界表面能，得出臨界表面能與溫度、蠟質、含蠟量、壓力及含水的變化曲線。

結果表明，隨著溫度升高，防蠟率逐漸提高，臨界防蠟表面能逐漸增大(對涂層表面要求變低)。溫度在30℃以上時，超過了析蠟點，不需要防蠟。隨著碳鏈長度的增長，涂層的防蠟率逐漸提高，涂層的臨界防蠟表面能逐漸降低，對表面能的要求越高。隨著原油含水率的提高，涂層防蠟率越高，對表面能的要求就越低。含蠟量及壓力對涂層的防蠟率變化趨勢不明顯，涂層的臨界防蠟表面能變化趨勢也不明顯。

1.2 防蠟技術界限確定

繪制出不同工況下油管防蠟涂層選用圖版(見圖2)，圖2中球越小，表示該工況下要實現防蠟對涂層的表面能的要求越高，圖中球越大所對應的工況對涂層的表面能的要求越低。溫度高于20℃且含水率高于90%不需要使用涂層，溫度高于30℃時不需要使用涂層；含水在0～90%之內，溫度在6℃～30℃之內，含蠟量在7%～12%之內，涂層表面能最低需要24.7 mN/m。多因素條件下，為了達到防蠟效果，對應的防蠟臨界表面能越低，對涂層表面能要求越高。可以總結為：溫度越低，含蠟量越高，含水率越低，對涂層表面能的要求越高。

圖2 不同工況下油管防蠟涂層選用圖版

圖3 涂層質量損失隨摩擦力變化曲線

2. 耐磨性能評價

機采水平井生產過程中，抽油桿與油管摩擦在所難免，油管內涂層的耐磨性直接影響到防蠟性能，根據實驗室數據計算不同負載下的摩擦力以及不同負載下的涂層磨耗測試結果，得出磨耗隨摩擦力變化(見圖3)，擬合出變化曲線如式(3)：

y=0.0075ln(x)+0.0094

(3)

通過油井優化設計軟件模擬出每口井井下的側向力數據和井深軌跡，選取其中井況側向力位置，計算分析耐磨壽命。

(4)

(5)

M=ρhV

(6)

式中：ρ—涂層密度，g/cm3；h—涂層厚度，μm；V—涂層體積，cm3；M—接觸面積的涂層總質量，g；k—摩擦力相同時砂輪與扶正器的磨耗比值；m—實驗室砂輪單位面積磨耗，g/cm3；Sn單—現場單沖程接觸的面積，g/cm3；N—完全磨損需要的單沖程數；n單—每天的單沖程數；D—可耐磨天數，d。

由式(4)反求出涂層耐磨壽命，若要求現場應用兩年以上，涂層密度3 g/cm3，涂層厚度200 μm即可。

三、現場應用情況

2017年12月底，機采水平井低表面能防蠟技術在長慶油田合水油區水平井共推廣應用45口井，下入低表面能內涂防蠟油管2.6×104m，在使用防蠟涂層油管前，熱洗清蠟平均周期為20 d，若連續40 d不清蠟會造成蠟堵檢泵，下入防蠟油管停止現場所有熱洗、加藥等清防蠟工藝后，平均生產周期已達75 d，最長井達395 d，暫未出現檢泵作業。