海上S油田聚合物驱注入工艺问题分析及应对策略

2019-07-02

长江大学学报(自科版) 2019年6期

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

海上S油田为我国渤海辽东湾海域的大型稠油油田，储层分布稳定，油层厚度大、物性好，非均质严重，孔隙度分布在28%～35%，平均渗透率2000mD。开展聚合物驱以来，取得了较好的开发效果。随着注聚规模的进一步扩大，现场逐渐出现注入压力高、部分井欠注、注聚区块含水上升快、油井产液量下降等问题，注聚井中达到注入压力上限的井数占5%，日欠注量高达10%，地面注聚管汇及井下注入管柱腐蚀结垢严重，同时有絮状物返出。陆上油田由于流程和管柱腐蚀结垢进行的材料更换每年累计损失100亿元之多，针对这一问题，陆上油田有计划地开展了管线腐蚀结垢排查，并应用化学和物理方法进行防腐防垢，取得了较好的进展[1]。因此，有必要结合陆上油田化学驱配套工艺成熟经验，分析海上油田注入工艺问题，以提高注入效率和入井液质量。

1 注入工艺问题现状

1.1 管线腐蚀

图1 高压注聚管线腐蚀及刺漏情况

图2 注聚管线内壁结垢情况

图3 注聚流程管线注聚泵和过滤器内的堵塞物

矿场实际生产过程中，腐蚀结垢现象在油田的生产环境下是不可避免的[2～6]。通过对海上S油田2个注聚平台的现场调研发现，在高压注入管线中该现象十分明显，对设备管材影响巨大，增加了造成高压事故的风险。

图1是高压注聚管线腐蚀及刺漏情况。由图1可以看出，管线腐蚀基本是点蚀穿孔现象。点蚀是金属材料长期在侵蚀性阴离子环境下产生的局部腐蚀，发生在某个活性点并向金属内部发展，呈孔状和坑状等。发生机理为自催化效应和局部腐蚀电池的形成。同时，由于高压注入管线内流体流速高、压力高，还存在部分应力损伤。

1.2 结垢堵塞

对注聚流程阀门进行维修更换时发现，注聚管线内结垢严重，管内壁缩颈明显，如图2所示。结垢堵塞造成注入压力上升，注聚泵负荷加大，并有可能将管线上脱落的垢带入地层，造成近井地带污染。在平台提高注水量时也发现，输送处理后污水的管线通过能力远小于设计要求，约为设计能力的一半，这都是由于结垢导致了管线堵塞，影响了注入流程效率。

1.3 聚合物堵塞

现场定期清理流程中的注聚泵、过滤器时发现，在系统中存在一种大量的“黄褐色黏稠条形物”，随着放置时间的延长，会伴有黑色物质生成，且具有刺鼻的腐臭气味(见图3)。该类物质造成注聚泵内过滤装置严重堵塞，加大了注入现场管理难度。注聚泵是整个聚合物注入系统内的关键位置，连接前端的母液和后端的稀释系统，该位置被该物质堵塞，对下游注入体系的质量会造成较大影响。

2 产生原因分析

2.1 注入水水质分析

在整个开发过程中，目标油田经历多次注入水水质更换，包括注海水、注馆陶组地层水、清污混注等，配聚流程采用水源井水配制母液，水源井水与生产污水按比例混合稀释母液至目标浓度。地层水水质稳定，但矿化度较高，生产污水为多个平台污水混合，矿化度在一定范围内变化。对目标油田周边井区的生产水、地层水进行水质分析，以研究聚合物溶液的配制环境及管线腐蚀结垢环境，结果见表1。

表1 目标油田周边区块水质分析

不同水源水质分析结果表明，Cl-质量浓度较高，说明注入管线长期处于易腐蚀的极性环境中，易发生点蚀和穿孔。该油田水源井水、生产污水属于氯化钙水型，含有较高的钙镁离子浓度，注入过程中极易结垢形成沉淀，堵塞注聚管汇。

2.2 结垢产物分析

对管线内壁垢样进行成分分析，结果见表2。垢样中的主要成分为Fe3O4、CaSO4，说明管道中腐蚀和结垢问题并存。高钙镁离子的注入水在管线内壁形成不易解除的钙镁垢[7～9]，同时水中铁离子质量浓度较高时，这些离子在碱性条件下易生成Fe(OH)3、Fe2O3、Fe3O4晶体，一旦有这些晶体生成，其他盐类就很容易以其为晶种，吸附在其表面，快速聚集，使结垢程度加大，温度越高，形成的垢越多。

表2 管线垢样分析结果

表3 物质分析数据表

2.3 堵塞物分析

对注聚泵、过滤器内取出的堵塞物进行 X 射线能谱分析，得到组成物质中各元素的种类和数量，结果见表3。

堵塞物主要组成成分有3种物质，即：①构成样品的主要有机物是聚丙烯酰胺；②构成样品的主要无机物由铁、镁、钙等离子组成；③附着在样品表面的以硫酸盐还原菌、铁细菌等为主的菌类及代谢产物。这与水质组成分析结果相符，腐蚀产生的铁离子以及注入水中高浓度的钙、镁等离子与聚合物溶液相互作用，产生大量的沉淀，长期注入后逐渐在注入管柱内壁积累，影响注入速度。

3 应对策略

3.1 地面管线材质优选

通过大量的文献调研，结合碳钢的分类以及材质优选研究，应该选择中碳钢类型、优质碳素结构钢或特类钢，见表4。

表4 优质钢的优选型号及组成成分

室内研究表明，镍是一种比较稳定的元素，加入镍能使钢的自腐蚀电位向正方向变化，增加了钢的稳定性，虽然钢中镍的加入可大幅提高钢的品质，但由于镍的价格昂贵，普通的腐蚀钢中很少添加，而提高铬加入量同样可以获得高耐蚀效果[10]。碳元素是低合金钢和碳钢中必不可少的元素之一，它形成的碳化物Fe3C的含量、形态和分布对钢的力学性能、腐蚀性能都有很大的影响，随着碳含量的增加，形成Fe3C等碳化物的数量就越多，增大了腐蚀速率。因此，可以选择碳含量低的超低碳高铬钢和低碳高铬钢，减低钢的腐蚀速率，提高钢的腐蚀性能。在注聚流程管线更换时，在经济允许范围内可以采取以上几种耐腐蚀的材料，以降低管线腐蚀速率，提高聚合物溶液注入效率。同时,一些特殊材质的材料，如带耐腐蚀内层及抗污染的玻璃钢管、钢骨架聚乙烯塑料复合管、碳钢内涂层管等也可以用作防腐管材使用。

3.2 铁离子稳定剂加药方式优化

图4 在加入不同质量浓度Fe2+稳定剂情况下溶液黏度随溶解时间的变化

表5 现场取样分析Fe2+稳定剂的性能

由表5可以看出，Fe2+稳定剂在络合能力方面能够稳定住Fe3+，但是对聚合物黏损较严重。室内试验开展了先溶解Fe2+，再加入当量的Fe2+稳定剂，充分搅拌后，进行聚合物母液配制，发现最后稳定的溶液黏度较高，与在熟化罐中加入Fe2+稳定剂的方式相比溶液黏度提高500mPa·s左右。因此，注入流程应提前加入稳定剂处理水中的Fe2+，再进行聚合物配制，可以有效发挥Fe2+稳定剂的作用，提高聚合物溶液黏度。

3.3 解聚剂配方筛选

表6 堵塞物在不同解聚剂中的形态

流程中的条状、团块状堵塞物为聚合物溶液遇Fe2+或其他金属离子以及水中的其他悬浮物交联老化形成的复杂堵塞物[14，15]，因此以氧化解堵为主要手段，室内合成一种高效破胶氧化解聚剂，以产生的羟基自由基破坏碳碳键、碳氮键，最后转化为小分子物质，是一种具有较强氧化性的复合解聚剂，对现场堵塞物溶解48h后，在200mL复合解聚剂中完全溶解，但该堵塞物在质量分数2%～5%过硫酸铵、ClO2及常规解聚剂中无明显减小(见表6)，说明复合解聚剂对现场流程堵塞物具有明显的降解效果，降解率达100%。