三元復合驅螺桿泵井中性清垢劑的研究與應用*

管公帥，王慶國，劉向斌，王 鑫

（中國石油大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶163453）

堿-表面活性劑-聚合物三元復合驅（以下簡稱三元復合驅）的油井結垢嚴重，這些垢質會附著在井下泵筒、轉子、抽油桿等部位，造成機采井頻繁出現卡泵、斷桿等問題［1-7］，嚴重影響生產時率，并且增加了生產成本［8］。目前針對三元復合驅結垢的油井采取的酸洗除垢措施［9］，對油井具有較好的清垢效果，但清垢劑組分以鹽酸、氫氟酸及有機酸為主，藥劑中的H+與螺桿泵轉子鍍鉻涂層會發生快速反應，造成螺桿泵轉子鍍鉻涂層脫落，定子、轉子之間空隙加大，導致酸洗清垢后螺桿泵井泵效下降，嚴重影響采出效率，甚至還會出現泵漏失作業的情況。因此，為確保三元復合驅螺桿泵井的正常生產，需有針對性的開展清垢技術研究。室內制備了由有機磷酸酯、分散劑、pH值調節劑等組成的不含H+的中性清垢劑體系，研究了其對垢質的清垢效果及對井下設備的腐蝕情況，并在大慶油田三元復合驅螺桿泵井開展了現場清垢試驗，用以解決常規酸性藥劑腐蝕螺桿泵轉子鍍鉻涂層的問題。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

有機磷酸酯，工業級，華豐商貿化工有限公司；分散劑JBX-1、JML-3，工業級，方圓化工有限公司；pH值調節劑（碳酸鈉、氫氧化鈉），工業級，華啟化工有限公司；酸性清垢劑CYY-02，工業級，大慶油田采油研究院；標準N80 鋼片，尺寸50×25×2（mm），精度±0.1 mm，上海精密儀器儀表有限公司；螺桿泵轉子切片，大慶油田裝備制造集團；大慶油田采油二廠南五區三元復合驅螺桿泵井垢樣。

∑IGMA300 型電子探針掃描電鏡，德國卡爾蔡司股份公司；EQUINOX 1000型X-射線衍射儀，美國賽默飛世爾科技公司；Optima8300DV型電感耦合等離子體發射光譜儀，美國珀金埃爾默有限公司。

1.2 實驗方法

（1）中性清垢劑配制

向塑料燒杯中加入一定量的自來水，在中速攪拌下分別加入有機磷酸酯、分散劑、pH 值調節劑得到中性清垢劑溶液。

（2）清垢性能測定

稱取3 g 左右的三元復合驅現場垢樣，按固液比1∶10 加入石油醚，密封后在室溫下放置24 h，將過濾出的垢樣置于溫度105℃的電熱恒溫干燥箱中恒溫8 h，冷卻后稱重。將垢樣放入帶刻度的比色管中，按照固液比1∶10 加入中性清垢劑溶液，密封后置于45℃水浴中浸泡，觀察比色管中垢塊溶脹分散后體積的變化情況。

（3）腐蝕性能測定

依據中國石油天然氣行業標準SY/T 5405—1996《酸化用緩蝕劑性能試驗方法及評價指標》，在45℃條件下測定N80 鋼片在清垢劑溶液中浸泡不同時間后的腐蝕速率；將螺桿泵轉子切片放入燒杯中，加入清垢劑將其完全浸沒、密封，在45℃水浴中浸泡24 h，用電感耦合等離子體發射光譜儀檢測溶液中鉻離子濃度的變化情況，并觀察螺桿泵轉子表面涂層的變化情況。

（4）掃描電鏡分析

用電子探針掃描電鏡分別對中性清垢劑浸泡前、浸泡24 h 后的碳酸鈣晶體進行掃描，觀察浸泡前后碳酸鈣晶體結構和形態。

（5）X-射線衍射分析

將中性清垢劑浸泡前、浸泡24 h后的碳酸鈣晶體分別用X-射線衍射儀進行表征，將測得的吸收峰與標準礦物的特征峰進行比對，研究浸泡前后碳酸鈣晶型的變化情況。

2 結果與討論

2.1 中性清垢劑的清垢性能

三元復合驅油井現場垢樣經4種不同的中性清垢劑浸泡后垢塊溶脹分散倍數及狀態見表1。由表1可見，中性清垢劑1#與垢塊反應24 h后，垢塊膨脹倍數最大，約12.5倍，且垢塊均分散成細小顆粒，清垢效果較好。

在實驗過程中觀察發現，從井下采出設備上取的垢樣初始狀態為致密的硬塊，利用中性清垢劑1#浸泡2 h 后，垢樣表層疏松、部分脫落；浸泡4 h 后，硬塊整體坍塌，表面脫落下更多的垢質；浸泡6 h后，硬塊被完全軟化，垢樣全部處于分散狀態，分散體積增至原來的5 倍以上；浸泡8 h 后，垢樣分散倍數繼續增加；浸泡24 h 后，垢樣分散體積為未浸泡時的10倍以上，變為疏松的粉末，具體見圖1。由圖1可以看出，浸泡時間越長，垢樣的分散效果越好，浸泡時間超過8 h后分散倍數增幅變緩。

表1 垢塊浸泡在不同中性清垢劑后體積及形態變化

圖1 中性清垢劑1#對垢樣的分散倍數隨浸泡時間變化曲線

為分析中性清垢劑1#的清垢機理，室內用中性清垢劑1#對垢樣進行了浸泡，并對其浸泡前后的垢樣分別進行掃描電鏡觀察和X-射線衍射分析，結果見圖2、圖3。從圖2可以看出，未經浸泡垢樣的結構緊湊、堆積致密，而浸泡后的垢樣呈現為長方形的條狀體，彼此之間空隙較大，堆積錯落無序，為松散的粉末狀固體。從圖3可以看出，在未經浸泡的垢樣的X-射線衍射譜圖上，在2θ=29.62o處有明顯的吸收峰，在 2θ=39.46o、43.53o、47.6o以及48.8o處均有中等強度吸收，判斷為方解石型的碳酸鈣；經中性清垢劑浸泡后垢樣的X-射線衍射譜圖中2θ=29.62o、39.6o、47.6o及48.8o是方解石晶型碳酸鈣的吸收峰，而2θ=26.02o、26.52o、31.53o以及46.01o等處對應的是文石晶型的碳酸鈣。因此可推測，中性清垢劑1#的清垢機理是通過誘導垢質中的碳酸鹽結晶發生晶型轉變，使其由堆積致密的方解石晶型轉變為結構疏松的文石晶型，由堅硬致密的垢塊變為分散、疏松的粉末，然后從井下設備表面脫落，達到清垢的目的。

圖2 浸泡前（上）、浸泡后（下）垢樣的掃描電鏡圖像

圖3 浸泡前（a）、浸泡后（b）垢樣的X-射線衍射譜圖

2.2 中性清垢劑的腐蝕性

中性清垢劑1#及酸性清垢劑CYY-02（三元復合驅抽油機井用清垢劑）對N80鋼片的腐蝕情況見表2。可以看出，隨著浸泡時間的延長，平均腐蝕速率均先上升后逐步下降，浸泡4 h 中性清垢劑1#及酸性清垢劑CYY-02 的平均腐蝕速率最大，分別為0.46 g/m2·h和0.58 g/m2·h，對井下桿、管等設備的腐蝕達到要求。

表2 不同清垢劑對N80鋼片腐蝕性能測定結果

中性清垢劑1#及酸性清垢劑CYY-02對螺桿泵轉子切片鉻涂層的腐蝕情況見圖4。從圖4可以看出，酸性清垢劑CYY-02 與螺桿泵轉子鍍鉻涂層發生快速反應，浸泡液中鉻離子濃度快速上升，24 h后達到74.69 mg/L，經酸性清垢劑CYY-02溶液浸泡后轉子表面涂層完全脫落，轉子變黑。由于中性清垢劑1#中不含H+，對螺桿泵轉子鍍鉻涂層幾乎不腐蝕，24 h 后浸泡液中鉻離子濃度僅為6.92 mg/L，轉子仍然光亮，表面涂層完好無損。由此可見，中性清垢劑1#能有效解決常規酸性藥劑腐蝕螺桿泵轉子鍍鉻涂層的問題。

圖4 不同清垢劑對螺桿泵轉子涂層的腐蝕性能

2.3 中性清垢劑的現場應用效果

當采出井井下泵、桿、管等機采設備結垢時，由于摩擦力的增加，采出井的生產電流會根據結垢程度相應地上升，結垢越嚴重電流上升幅度越大。針對正常生產過程中電流上升幅度較大的螺桿泵井現場采用了中性清垢劑進行處理，以大慶油田三元區塊中的1口螺桿泵井為例（見圖5），該井因垢沉積導致電流從39 A上升到49 A，2016年5月12日現場使用中性清垢劑進行處理，措施后油井電流降至37 A，日產液由38.1 m3上升至67.4 m3，油井正常生產，無漏失情況發生。統計17 口螺桿泵井中性清垢效果，措施后生產電流平均下降9.5 A，措施后均無泵漏失情況，因此可見，中性清垢劑可滿足螺桿泵井現場清垢需要。

圖5 螺桿泵井中性清垢前后生產數據曲線

3 結論

由有機磷酸酯、分散劑、pH 值調節劑等組成的中性清垢劑，能夠在不腐蝕螺桿泵轉子鍍鉻涂層的情況下，使泵及桿管等部位的垢松軟脫落，達到清垢的目的。現場應用17口井，措施后油井生產電流下降至結垢前水平，且均正常生產。該技術解決了螺桿泵井無有效清垢方法的難題，可大幅提升機采井生產時率，還可適用于其他驅替環境下結垢螺桿泵井的清垢，具有廣闊的應用前景。