弱堿體系三元驅抽油機井防垢泵的研制與應用

葛樂清

摘要：我們和大慶采油三廠合作研發并應用了弱堿體系三元驅抽油機井防垢泵。該泵是在弱堿三元復合驅采出井結垢機理研究的基礎上進行的，以泵產量和泵效作為優化目標，優化泵的結構和材料，旨在降低檢泵率和生產成本。

關鍵詞：三元驅;防垢;檢泵周期

大慶油田進入中高含水開發后期，作為三次采油的接替技術——三元復合驅油成為提高采收率的一項重要技術措施，但隨著采出液中聚合物濃度、弱堿濃度和表活劑濃度的升高，造成三元復合驅抽油機井檢泵率升高，縮短了檢泵周期，增加了檢泵費用，嚴重影響了三元復合驅的正常生產。2010年檢泵周期306天，2011年檢泵周期289天，2012年檢泵周期236天。因此，開展弱堿體系三元驅抽油機井防垢泵的研制、試驗，以延長檢泵周期，采取針對性的防治措施，對于穩定油田生產具有重要的意義。

1.弱堿體系三元復合驅采出井結垢機理研究

1.1試驗區的基本概況

弱堿三元驅試驗區位于大慶長垣薩北開發區的北三區西部，試驗區面積3.58km2，注入井和采油井各30口。目前油井檢泵鑒定有6口井發現大量結垢現象，化驗結果其垢樣主要成分為碳酸鹽。

1.2結垢機理

（1）垢樣的成分分析

垢樣為灰褐色松板片狀，2口井垢樣含碳酸鹽（碳酸鈣、碳酸鎂）含量80%，有機物（油及結合水）含量11.82%，說明該垢樣為油田典型碳酸鹽垢樣。

（2）理論研究

根據無機化學原理和室內試驗結果，溶液中存在平衡，碳酸鹽垢是油田生產過程中最為常見的一種沉積物。從熱力學、結晶動力學和流體動力學的角度對碳酸鹽結垢機理進行分析，得到：

a.熱力學因素

碳酸鈣在水中的溶解度很低，弱堿三元垢的形成基本上是碳酸鈣的溶解和沉淀的平衡問題。

影響水中碳酸鈣沉淀、溶解平衡的主要因素有：二氧化碳含量、溫度、壓力、含鹽量、pH值等，這些都與熱力學因素有關。三廠屬于弱堿注入系統，體系中成垢陰離子以碳酸根為主。

b.結晶動力學因素

垢沉積是溶質從過飽和溶液中結晶析出、聚沉并沉淀的過程。開始為誘導期，因物質種類、沉淀條件、溶液過飽和度不同而不同。在溶液體系中，當成垢離子濃度低于其溶解度時，不會出現晶體沉淀，溶液為穩定態。當濃度大于其溶解度而過飽和度較低時，結晶數目少，粒大，但析出很慢，溶液為亞穩態。這時的結晶主要發生在容器壁上，因為液固界面能降低成垢離子結晶所需要的能量。在實際體系中，存在多固液界面，碳酸鈣晶體更易于形成垢。

c.流體動力學因素

影響結垢的流體動力學因素是液流形態（層流、紊流）、流速及其分布。在油田結垢環境中，管線內不光滑表面、已腐蝕表面附近易出現紊流狀態，使局部過飽和度增大而產生結垢。

1.3實驗結論——影響結垢的因素

（1）溫度、壓力、離子組成等熱力學條件改變導致垢的溶解度降低，造成水溶液過飽和而產生沉淀，形成垢;

（2）離子組成不相溶的水相互混合，引起水溶液過飽和而產生沉淀，形成垢;

（3）由于流體內部、流體與管道內壁摩擦，引起成垢。其次，根據吸附原理，當管壁的金屬層一旦被垢覆蓋，垢的吸附速度加劇。

2.三元驅抽油機井防垢泵研制

防垢泵是在結合弱堿體系三元驅結垢機理、整筒抽油泵原結構的基礎上研制的。柱塞中間由多個金屬彈性密封環和軟密封環組成密封段。金屬彈性密封環表面采用噴鎳合金，是非閉合的金屬環，徑向有一定的壓縮量，不會被卡死;金屬彈性密封環在運動過程中也能起到刮垢的作用;軟密封環為聚四氟乙烯材質，與泵筒是非金屬與金屬的一對摩擦副，不易結垢，既保證了密封性，又提高了耐磨性;柱塞兩端裝有刮垢環，具有一定的彈性，當柱塞往復運動時，刮垢環緊貼泵筒內壁上下刮動，刮下來的垢可隨螺旋槽被油流帶走。另外柱塞內孔鍍硬鉻，閥罩、球座等關鍵零件部位均噴鎳。為充分發揮三元防垢泵其效能，研究應用新材料、新技術，解決柱塞結垢、密封、壽命問題。

2.1研究內容：

2.1.1表面涂層防垢材料及涂層技術的優選

2.1.2防垢泵的結構設計，主要包括以下兩點：

第一：改進泵的結構，以達到清垢的目的;

（1）柱塞整體應用軟體密封，密封段采用高分子軟體聚織物材料?（或聚四氟改性材料）;

（2）應用密封補償技術;在密封段內安裝密封補償器;

（3）扶正體采用高分子改性材料，扶正體具有扶正、密封、防垢三重功能;

（4）采用高分子改性材料直接加工柱塞，使柱塞不結垢。

第二：在泵筒上采用特殊材料涂層以防止結垢。

2.2預計技術指標：

（1）平均單井檢泵周期達到370天;

（2）平均單井泵效達到50%以上。

（3）研究適合清垢的泵的結構，以達到清垢的目的。

3.現場應用情況

在13年8月份下井應用7井次，從生產情況看，該泵在結構上改進后增加的清防垢功能并不會影響泵的正常生產，排量能滿足生產需要，檢泵周期最長的已達620天，平均檢泵周期為426天，較原來延長120天。平均單井泵效達到66.2%。得出結論：

3.1北三西弱堿三元驅結垢的主要成分為CaCO3沉淀垢，成垢類型主要是混合型沉淀。遵循鈣鎂存在條件下成垢規律，體系pH等再升高對鈣鎂碳酸鹽的結垢無任何影響。

3.2三元復合驅防垢抽油泵的研制，從泵的結構上進行改進，增加了清防垢功能，為解決三元復合驅的抽油泵卡泵現象開拓了一個新的技術領域。從現場應用情況看，三元復合驅防垢抽油泵排量能夠滿足生產需要。

3.3從大慶油田采油三廠的未結垢的采出井與結垢井對比看，三元驅防垢泵應用效果較好。

4.應用前景

抽油機井三元防垢泵研制成功，提高了采出井的生產效率和檢泵周期。平均檢泵周期達到426天。共取得經濟效益262.60萬元。投入產出比為1：20.02。減少了因油井作業造成的能耗和產量損失，對于今后油田實施低成本戰略，提高油田開發效果，具有廣闊的推廣應用前景。

參考文獻：

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