低黏損三元復合驅分注工具優化設計

李志 馬珺喆 王晶 高啟明

（1.大慶油田有限責任公司第一采油廠；2.大慶油田有限責任公司采油工程研究院；3.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室）

1 現狀

三元復合驅技術可以在含水98%的極限開采條件下，再提高采收率20個百分點以上，是油田特高含水期提高采收率的技術手段之一[1-2]。不過由于三元復合溶液注入過程中，管線沖洗不凈、溶液流速過快、溶液混合不均、分注工具剪切大等問題均會影響三元復合溶液黏損，導致驅油效果不明顯，達不到預期驅油效果，并且由于溶液粘度的損失，聚合物干粉消耗增多，額外成本增加[3]。雖然經過常規清洗作業、規范操作可減弱管線和溶液的影響，但通過對2016—2020年三元復合驅分層注入井測調現場記錄數據分析整理發現，在流量50m3/d情況下，三元復合溶液流經井下分注工具后粘度損失為12.3%，而相同情況下，聚合物溶液粘度損失僅為5.5%，井下分注工具剪切大是造成黏損的主要因素[4-6]，因此，有必要進行低黏損三元復合驅分注工具的研制。

2 原因分析

2.1 表面結垢

由于三元體系堿的存在，導致分注工具表面結垢，常規清洗作業對分注工具垢質作用很小[7-8]。結垢后，會造成分注工具環空間隙變小，三元復合溶液流速增加，分子量遭到剪切破壞，導致三元體系黏損率增加，因此，分注工具表面結垢是造成溶液黏損增加的原因之一，某試驗區塊35口井分注工具結垢情況見表1。

表1 某試驗區塊35口井分注工具結垢情況

2.2 結構設計不合理

通過三元復合溶液流經分注工具后的微觀分子結構觀察發現：三元液陽離子移動導致聚合物分子表面雙電層和水化層厚度變薄，分子鏈卷曲收縮，分子線團尺寸變小，增粘特性變差，分子鏈更容易發生斷裂，造成粘度損失增大。聚合物溶液和三元復合溶液微觀結構見圖1。

圖1 聚合物溶液和三元復合溶液微觀結構

其次通過聚合物和三元液在分注工具中的流場數值模擬仿真，湍流區對比見圖2。結果表明：三元液湍流區域更大，流動狀態更不穩定，分子鏈更易被剪切，分子線團更細，三元液的剪切程度更大，從而導致黏損率增加。

圖2 聚合物溶液和三元復合溶液湍流區對比

根據以上要因分析，最終確定造成分注工具黏損大的原因為：分注工具表面結垢和分注工具設計不合理。

3 工具研制

針對影響分注工具黏損大的2項主要因素，根據“5W1H”研究方法，通過詳細的分析、制定出分注工具優化方案見表2。

表2 分注工具優化方案

3.1 分注工具抗垢材料選擇

針對分注表面結垢的問題，根據材質不同分別選擇了鎳磷鍍涂層、聚四氟乙烯涂層、新型聚酯類材料，通過加工試制及現場應用，結果表明鎳磷涂層表面自由能90~130mJ/m2，垢質易吸附，防垢效果不理想，使用壽命為1~3個月；聚四氟乙烯涂層表面自由能22~30mJ/m2，防垢有效期可延長到6個月，但現場投撈時，由于工具間磕碰，出現涂層磨損脫落，影響防垢效果；新型聚氨酯材質自潤滑性好、強度高，分注工具可一次成型加工，無需噴涂，不怕磕碰，工具使用壽命達到13個月，壽命顯著增加。因此優選了聚酯類材質作為分注工具加工材料。

3.2 分注工具結構參數優化

三元復合驅井下分注工具結構如圖3所示。主要有4個結構參數即：外徑d1、槽間距L、前槽間角α1、后槽間角α2，利用模擬軟件對以上參數進行仿真分析，正交試驗數據見表3。

圖3 流線型降壓槽結構

表3 正交試驗數據

通過以上9組試驗，綜合選擇最優解，即外徑d1為18.0mm，槽間距L為13.0mm，前槽間角α1為45°，后槽間角α1為30°。

3.3 室內及現場應用

對新型分注工具進行加工制造，并做新型聚氨酯材質防垢處理，進行室內實驗和現場應用。室內實驗結果表明，三元復合溶液流經新型分注工具時，在流量50m3/d范圍內，黏損率由12.3%降至8.2%，新型降壓槽黏損變化情況見圖4。在大慶油田三元區塊進行現場驗證，所選取的試驗井內原有工藝管柱未采用防垢工藝進行處理，測調穩定周期僅3周，采用優選出的防垢工藝對工具進行處理后，結垢情況得到明顯改善，最長使用周期達到13個月以上[9-10]，完全滿足現有大慶油田三元復合驅注入井2個月測調周期的測試需求。

圖4 新型降壓槽黏損變化情況

4 節能效益分析

新型分注工具可有效降低三元復合驅溶液黏損率，節約了聚合物的使用量，并通過新型聚氨酯材質防垢處理，延長了工具使用時間，減少投勞次數，滿足了大慶油田三元復合驅注入井測試周期需求。按大慶油田1803口三元復合驅分注井計算，可取得985.51萬元的經濟效益。

5 總結

1）新型聚酯類材質有效增加了分注工具的使用壽命，最長使用壽命可達13個月。

2）通過仿真模擬軟件分析，三元復合驅分注工具在外徑為18mm，槽間距為13mm，前槽間角為45°，后槽間角為30°時為最優。

3）使用優化后的分注工具有效的降低了三元復合溶液黏損率，三元復合溶液黏損率由工具優化前的12.3%降到目前的8.2%。

4）新型分注工具可有效降低工藝成本，為三元復合驅采油技術的全面推廣提供了有力的技術保障。