潜油电泵防腐防垢技术现状及对策

2020-03-16商鹏孟勇卢新甫郭峻李彭春洋王佰民

石油石化节能 2020年1期

商鹏孟勇卢新甫郭峻李彭春洋王佰民

（胜利油田河口采油厂工艺研究所）

河口采油厂有电泵水源井共计21 口，低渗透油田高温高矿化度深井电泵采油井39 口，每年因电缆和电泵机组腐蚀结垢问题，导致电泵井卡泵躺井、作业转大修甚至水源井报废约为10 余口，约占总井数的30%。因此通过潜油电泵防腐防垢技术的完善对于降低电泵井的作业成本，延长电泵井的生产周期，对全厂原油产量的贡献度均具有重要的意义[1-2]。

1 电泵水源井电缆腐蚀问题

经过调研，河口采油厂潜油电泵腐蚀结垢井主要存在两个方面问题。

1.1 电泵井电缆腐蚀情况

河口采油厂共有电泵水源井主要分布在大王北油田和富台油田，为区块注水井日提供水源6 000 m3，对于采油井能量的补充有着非常重要的作用。因水源井电泵电缆所处油套环空环境潮湿，长期使用会造成电缆铠装严重腐蚀，电泵水源井超出电缆腐蚀情况见图1，作业检电泵过程中因震动脱落堆积，极易造成卡管柱转大修。

水源井电泵电缆腐蚀的原因一般多为化学腐蚀与电化学腐蚀，电化学腐蚀是金属的腐蚀中最普遍、也是最重要的一种类型。电泵电缆铠皮在潮湿的油套环空环境中，铠皮表面会吸附一层薄薄的水膜，如果这层水膜呈较强酸性时，H+得电子析出氢气，这种电化学腐蚀称为析氢腐蚀；如果这层水膜呈弱酸性或中性时，能溶解较多氧气，此时O2得电子而析出OH-，这种电化学腐蚀称为吸氧腐蚀，是造成铠皮腐蚀的主要原因。

图1 电泵水源井起出电缆腐蚀情况

1.2 电缆铠装金属腐蚀快慢的判断

1）在同一电解质溶液中：大小排序为电解原理引起的腐蚀、原电池原理引起的腐蚀、化学腐蚀、有防腐措施的腐蚀。

2）对同一金属来说，大小排序为强电解质、弱电解质、非电解质。

3）活泼性不同的金属，活动性差别越大，腐蚀越快。

4）对同一电解质，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快。

2 采油井电泵机组生产中存在问题

河口采油厂低渗、潜山油田高温高矿化度电泵采油井共有39 口，主要分布在富台油田和渤南油田。电泵机组长时间处于高温高矿化度深井环境中，机组在日常运转中内部导液轮表层附着结垢物逐渐增厚直至导轮与液轮互相黏连，因结垢物卡泵，机组运转后期频繁出现过载停机，最后直至躺井，并且运转周期极短，一般为半年左右，甚至部分深井高温电泵由于腐蚀结垢问题导致机组运转时间小于2个月。机组结垢导致机组运转时间短，制约着一部有提液增产潜力的油井无法实施电泵提液措施，高温矿化度环境机组内部结构腐蚀情况见图2。

图2 高温矿化度环境机组内部结垢腐蚀情况

2.1 富台油田储层温度及流体物性

富台油田车古201 块和车571 块储层原始地层温度为148.4 ℃，地温梯度为3.55 ℃/100 m，原始油藏压力为41.28 MPa，压力系数为1.06，属常温常压系统。

水分析结果显示，车古201 块井储层流体氯离子含量11 652 mg/L，硫酸根离子含量为1 315 mg/L，总矿化度23 409 mg/L，水型为碳酸氢钠型；车571块储层流体钾、钠离子含量为8 748 mg/L，镁离子70 mg/L，氯离子含量13 045 mg/L，硫酸根离子含量为457 mg/L，总矿化度23 686 mg/L，水型为碳酸氢钠型。

2.2 渤南油田储层温度及流体物性

渤南油田一区、九区原始地层压力高，饱和压力低。原始地层压力37.5 MPa，压力系数1.28；饱和压力17.9 MPa，地饱压差19.6 MPa；地温梯度3.8 ℃/100 m，油层温度110 ℃。

水分析结果显示，渤南油田一区、九区储层流体氯离子含量7700mg/L，硫酸根离子含量为1050mg/L，总矿化度8 860 mg/L，水型为碳酸氢钠型。

3 潜油电泵机组腐蚀原因

潜油电泵系统井下机组部分主要包括潜油电动机、保护器、油气分离器，电泵机组主要是有流体流过的部分腐蚀严重，电泵机组壳体腐蚀情况见图3，壳体腐蚀主要是电动机和保护器位置，机组内部主要是导液轮，而影响电泵机组腐蚀的原因主要有以下几个方面。

图3 电泵机组壳体腐蚀情况

3.1 含水上升的影响

河口采油厂电泵井综合含水以达到92%，储层产出液中含有相当的溶解盐，是产出水成为良好的导体。

3.2 井液矿化度的影响

河口采油厂电泵井矿化度特别是富台、渤南油田平均矿化度为13 317 mg/L，最高甚至为23 686 mg/L。引起腐蚀的主要原因为采出水中的活性CL-、HCO3-、S2-、还原菌及注水前的高含氧量上述物质的存在，会催化金属表面点蚀的发生，点蚀是一种破坏性极大的局部腐蚀形式并且点蚀发生过程中具有自动加速的特点，能很快导致腐蚀穿孔破坏，还能加剧其他局部腐蚀。

3.3 流速变化影响

在电泵吸入口，井液的流向和流速发生变化。许多磨损腐蚀的产生是由于流体从层流转为湍流造成的，湍流使金属表面液体的搅动比层流时更为剧烈，不仅加剧了腐蚀剂的供应和腐蚀产物的迁移，而且液附加了液体对金属表面的切应力，很容易将腐蚀产物从金属表面剥离，若流体中含有气泡或固体颗粒，还会使切应力的力矩得到加强，使金属表面磨损腐蚀更加严重。

3.4 深度增加的影响

由于动液面的变化，泵深增加，造成电泵机组工作的环境温度和压力越来越高，温度对金属结垢、腐蚀的影响是非常大的，随着温度升高，腐蚀速度也会加快。

4 电泵机组防腐防垢技术

4.1 防腐技术

通过对潜油电泵机组与腐蚀性井液接触的内、外表面针对性地进行防腐处理，提高潜油电泵机组在腐蚀性环境中的适应性[3-5]。防腐方案和措施主要有：

1）直接采用耐腐蚀材料（不锈钢头座，壳体，轴套等与井液接触的零件）。2）采用镀层防腐（Ni-P涂镀或Monel涂镀）。3）采用镀层加涂层防腐（进行涂镀处理后喷涂耐温200 ℃防腐蚀涂料）。

4）电泵机组外表面采用Ni-P 涂镀或Monel涂镀。

5）离心泵、分离器内部零件采用不锈钢或镍铸铁。

6）保护器内部零件采用不锈钢材料。

7）电缆卡子、电缆保护器采用不锈钢，电缆铠皮采用不锈钢带或Monel钢带。

8）各连接花键套采用不锈钢材料。

9）在硫化氢含量大于100 ppm或二氧化碳大于25%时，电泵机组头座部件采用不锈钢，电泵机组外表面采用Monel涂镀；连接螺钉为Monel K-500。

4.2 防垢技术

金属表面结垢是垢盐晶体在金属表面附着聚集的过程，抑制垢盐晶体在金属表面的附着就可以防止结垢现象的发生。在离心泵的导叶轮流道表面涂镀一层树脂化合物的不粘涂层，这种高分子材料的化学性质稳定，碳—氟键结合非常牢固，并且呈现出很高的张力和耐磨力，垢盐晶体很难在其表面附着。因此，涂层具有不粘结、低摩擦、耐高温、抗腐蚀的特性，通过涂层隔离井液与金属表面直接接触，使矿物质不能在叶导轮表面形成垢层，使导叶轮表面不再结垢，从而起到防垢的作用。措施主要为：注防垢剂；定期酸洗；导叶轮涂镀高分子复合材料。

4.3 电泵井防腐防垢配套工具的优化

对于腐蚀性强的井筒环境，一是电缆卡子采用Monel 钢带替代目前普通材质的卡子，提高了电缆卡子的耐腐蚀性能，延长其使用寿命，减少电缆卡子的断裂；二是在电泵机组最下端配套加装牺牲本体防腐防垢工具，减轻井液对电泵机组的腐蚀结垢损伤。

针对电泵电缆腐蚀结垢的问题，根据腐蚀结垢机理，完善电泵电缆的防腐防垢的化学处理技术；针对电泵机组腐蚀结垢的问题，完善电泵机组外表壳体Monel 涂镀和内部导液轮的涂层隔离防腐防垢技术，并且优化配套牺牲本体防腐防垢工具及工艺；针对电泵井作业转大修、作业占井时间长的问题，完善正常作业电泵水源井酸洗套管井筒清洁技术的配套，减少结垢腐蚀物聚集累积效应；建立电泵井作业卡泵后物理震荡和化学酸处理技术系列，减少作业占井时间，明显降低作业转大修概率。

5 电泵井作业卡泵预防及处理技术的研究

1）防腐防垢预警机制的建立。根据近几年电泵水源井作业检泵和作业转大修情况的统计，结合不同区块产出水的物性的不同，区别确立合理的主动检泵周期，建立电泵水源井防腐防垢预警机制。

根据检泵统计表，确立每一区块的电泵水源井主动检泵周期在主动检泵周期内作业，避免作业转大修。

2）作业检泵过程井筒的清洁维护。正常作业电泵水源井酸洗套管井筒清洁技术的配套，利用套管酸洗工艺清洁井筒，减少结垢腐蚀物聚集累积效应，避免电泵机组壳体腐蚀结垢，导致机组与套管之间的环空间隙变小，减少作业卡泵转大修甚至井筒报废。

3）作业解卡处理技术的研究。研究电泵井作业卡泵后物理震荡和化学酸处理技术，提高作业解卡施工速度，减少作业占井时间，降低作业转大修率。

6 经济效益

2018年通过利用潜油电泵防腐防垢技术，在河口采油厂的大王北油田、富台油田车571块以及渤南油田一区、九区电泵水源井和采油井现场应用16口井，有效率100%，全年未出现因电泵井机组腐蚀结垢导致作业转大修。电泵水源井作业转大修当年减少4 井次，节省作业成本120 万元；电泵采油井生产周期延长180天，相应较原来检泵作业次数减少0.5次/口，则16口井减少作业8井次，节省作业物料成本320万元，作业成本节省共计440万元。