機(jī)采水平井低表面能防蠟技術(shù)研究與應(yīng)用

朱洪征，郭 靖，蘇祖波，甘慶明，呂億明，常莉靜

(1長慶油田分公司油氣工藝研究院 2低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室)

隨著油田勘探、開發(fā)的不斷深化，各種新的鉆完井技術(shù)得到快速發(fā)展，國內(nèi)在低滲透油藏乃至致密油藏中，針對(duì)常規(guī)直井開發(fā)單井產(chǎn)量低，提高單井產(chǎn)量的水平井開發(fā)方式這些年更是突飛猛進(jìn)，在增儲(chǔ)上產(chǎn)中起到了巨大作用[1-2]。以長慶油田為例，目前水平井已經(jīng)達(dá)到2 300余口，平均產(chǎn)量是一般直井的2～3倍，現(xiàn)在長慶油田每年新增水平井100口左右。隨著油藏的不斷開發(fā)，生產(chǎn)過程中地層能量不斷下降，由于水平井產(chǎn)液量較高，部分區(qū)塊油層含蠟量高，井筒結(jié)蠟現(xiàn)象日益加劇，使得機(jī)采水平井抽油機(jī)載荷增加，泵效降低，油井產(chǎn)量下降，同時(shí)因結(jié)蠟檢泵井不斷增加，采油時(shí)效降低，油井維護(hù)成本增加，做好油井清防蠟工作顯得越來越重要[3-5]。

目前常用的清防蠟工藝仍沿用直井清蠟方式，包括井口投加清防蠟劑化學(xué)清防蠟、常規(guī)熱力清蠟、機(jī)械清蠟等[6-7]。筆者利用基于液體附著的固體表面能越低，液體更不容易潤濕固體，越容易在表面上移動(dòng)的性能，提出了一種機(jī)采水平井低表面能防蠟技術(shù)，并結(jié)合油田特點(diǎn)，從溫度、含水、蠟質(zhì)等方面，明確了防蠟表面能技術(shù)界限，在40余口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，在未采取其他措施的情況下，防蠟效果明顯。

一、低表面能防蠟技術(shù)的構(gòu)建

當(dāng)溫度、壓力降低時(shí)，蠟、膠質(zhì)等就會(huì)以晶體形式析出，沉積在油管、井下裝置的表面，從而減小油井的出油能力。表面能是恒溫、恒壓、恒組成情況下，可逆地增加物系表面積須對(duì)物質(zhì)所做的非體積功。根據(jù)表面能理論(見圖1)，當(dāng)固體表面能越低，液體更不容易潤濕固體，越容易在表面上移動(dòng)，不易附著在固體表面，液體在水平固體表面上，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，形成的接觸角與各界面張力之間符合楊氏公式[8]：

γsg-γsl=γlgcosθ

(1)

接觸角θ由γsg、γsl、γlg決定，對(duì)于同一液體，固體表面張力越小，接觸角θ越大，潤濕效果越差，液體越不容易潤濕固體，越容易在表面上移動(dòng)。所以，如果管壁涂有低表面張力涂層，那么蠟質(zhì)就不會(huì)或較少被管壁吸附，且易隨液流排出。但在管道內(nèi)壁涂層的工作過程中，涂層必須先提供防腐的功能，因?yàn)楣艿纼?nèi)壁如被破壞，管道的腐蝕將產(chǎn)生腐蝕垢，腐蝕垢將增加管道內(nèi)壁液流的表面張力，且內(nèi)壁表面粗糙程度增加，以腐蝕垢為中心，也容易導(dǎo)致蠟晶體沉積。

圖1 楊氏接觸角示意圖

因此在油管內(nèi)壁涂覆一層親水/疏油的光滑涂層，一方面起到防腐蝕作用，避免形成銹蝕壁面著床點(diǎn)；另一方面促使形成紊流邊界層，即液流沖刷動(dòng)能大于沉積吸附力，降低蠟質(zhì)在涂層表面的黏附力，著床后易被沖掉，隨液流帶出井筒，使蠟不易在其表面沉積，從而達(dá)到防蠟的目的。

二、低表面能防蠟體系性能研究

1. 臨界表面能優(yōu)選

為了研究對(duì)比不同內(nèi)涂層的防蠟效果，進(jìn)行了原油動(dòng)態(tài)結(jié)蠟?zāi)M實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度主要由恒溫水浴控制, 沉積面分別為無涂層的鋼片和涂覆不同涂層的薄片。沉積面溫度控制在低于油樣溫度3℃～5℃, 攪拌器的轉(zhuǎn)速為30 r /min (以?73.16 mm的油管每天采出液的流量為12 m3計(jì))。試驗(yàn)用時(shí)24 h 后, 取出沉積物并稱重, 計(jì)算其防蠟率。

根據(jù)式(2)計(jì)算其防蠟率。

(2)

式中:PR—防蠟率，%；W1—無涂層時(shí)的蠟沉積量，g；W2—涂覆涂層后的蠟沉積量，g。

測試出同一條件下不同涂層的防蠟率，然后結(jié)合前面計(jì)算出的涂層表面能外推出涂層的防蠟表面能。根據(jù)統(tǒng)一測試條件下三個(gè)不同表面能涂層上的防蠟率，以表面能數(shù)據(jù)為x軸，防蠟率數(shù)據(jù)為y軸，進(jìn)行直線擬合，得到直線y=kx+b，然后將直線外推，當(dāng)y=100%時(shí)求得x值即為臨界表面能。

1.1 單因素影響趨勢分析

在不同油溫、蠟質(zhì)、含蠟量、壓力、含水情況下，分別對(duì)沒有涂層的鋼片及帶有涂層的試片進(jìn)行蠟沉積實(shí)驗(yàn)，24 h后取出試片稱取結(jié)蠟質(zhì)量，間接可得出對(duì)應(yīng)條件下的臨界表面能，得出臨界表面能與溫度、蠟質(zhì)、含蠟量、壓力及含水的變化曲線。

結(jié)果表明，隨著溫度升高，防蠟率逐漸提高，臨界防蠟表面能逐漸增大(對(duì)涂層表面要求變低)。溫度在30℃以上時(shí)，超過了析蠟點(diǎn)，不需要防蠟。隨著碳鏈長度的增長，涂層的防蠟率逐漸提高，涂層的臨界防蠟表面能逐漸降低，對(duì)表面能的要求越高。隨著原油含水率的提高，涂層防蠟率越高，對(duì)表面能的要求就越低。含蠟量及壓力對(duì)涂層的防蠟率變化趨勢不明顯，涂層的臨界防蠟表面能變化趨勢也不明顯。

1.2 防蠟技術(shù)界限確定

繪制出不同工況下油管防蠟涂層選用圖版(見圖2)，圖2中球越小，表示該工況下要實(shí)現(xiàn)防蠟對(duì)涂層的表面能的要求越高，圖中球越大所對(duì)應(yīng)的工況對(duì)涂層的表面能的要求越低。溫度高于20℃且含水率高于90%不需要使用涂層，溫度高于30℃時(shí)不需要使用涂層；含水在0～90%之內(nèi)，溫度在6℃～30℃之內(nèi)，含蠟量在7%～12%之內(nèi)，涂層表面能最低需要24.7 mN/m。多因素條件下，為了達(dá)到防蠟效果，對(duì)應(yīng)的防蠟臨界表面能越低，對(duì)涂層表面能要求越高?？梢钥偨Y(jié)為：溫度越低，含蠟量越高，含水率越低，對(duì)涂層表面能的要求越高。

圖2 不同工況下油管防蠟涂層選用圖版

圖3 涂層質(zhì)量損失隨摩擦力變化曲線

2. 耐磨性能評(píng)價(jià)

機(jī)采水平井生產(chǎn)過程中，抽油桿與油管摩擦在所難免，油管內(nèi)涂層的耐磨性直接影響到防蠟性能，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)計(jì)算不同負(fù)載下的摩擦力以及不同負(fù)載下的涂層磨耗測試結(jié)果，得出磨耗隨摩擦力變化(見圖3)，擬合出變化曲線如式(3)：

y=0.0075ln(x)+0.0094

(3)

通過油井優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件模擬出每口井井下的側(cè)向力數(shù)據(jù)和井深軌跡，選取其中井況側(cè)向力位置，計(jì)算分析耐磨壽命。

(4)

(5)

M=ρhV

(6)

式中：ρ—涂層密度，g/cm3；h—涂層厚度，μm；V—涂層體積，cm3；M—接觸面積的涂層總質(zhì)量，g；k—摩擦力相同時(shí)砂輪與扶正器的磨耗比值；m—實(shí)驗(yàn)室砂輪單位面積磨耗，g/cm3；Sn單—現(xiàn)場單沖程接觸的面積，g/cm3；N—完全磨損需要的單沖程數(shù)；n單—每天的單沖程數(shù)；D—可耐磨天數(shù)，d。

由式(4)反求出涂層耐磨壽命，若要求現(xiàn)場應(yīng)用兩年以上，涂層密度3 g/cm3，涂層厚度200 μm即可。

三、現(xiàn)場應(yīng)用情況

2017年12月底，機(jī)采水平井低表面能防蠟技術(shù)在長慶油田合水油區(qū)水平井共推廣應(yīng)用45口井，下入低表面能內(nèi)涂防蠟油管2.6×104m，在使用防蠟涂層油管前，熱洗清蠟平均周期為20 d，若連續(xù)40 d不清蠟會(huì)造成蠟堵檢泵，下入防蠟油管停止現(xiàn)場所有熱洗、加藥等清防蠟工藝后，平均生產(chǎn)周期已達(dá)75 d，最長井達(dá)395 d，暫未出現(xiàn)檢泵作業(yè)。

1.工藝技術(shù)評(píng)價(jià)

經(jīng)過近1年的跟蹤評(píng)價(jià)，生產(chǎn)已滿1年的4口試驗(yàn)井，檢泵周期同比延長160 d，試驗(yàn)井平均檢泵周期同比已延長160 d，通過現(xiàn)場對(duì)比發(fā)現(xiàn)，防蠟油管內(nèi)壁基本未發(fā)現(xiàn)結(jié)蠟晶體附著，普通油管段出現(xiàn)大段結(jié)蠟堵實(shí)現(xiàn)象，試驗(yàn)效果較好(見表1)。

表1 內(nèi)涂層油管實(shí)驗(yàn)前后檢泵周期對(duì)比

2.經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

該技術(shù)的應(yīng)用有較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，目前油田水平井年清防蠟綜合成本4.7萬元/口，該工藝單井實(shí)施費(fèi)用2.7萬元，按涂層平均使用壽命600 d算，單井產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益5.01萬元，該工藝實(shí)施后現(xiàn)場不再實(shí)施熱洗、加藥等傳統(tǒng)工藝，可以大大降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度、特種車輛運(yùn)行及化學(xué)藥品毒害風(fēng)險(xiǎn)。

四、結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)利用提高油管內(nèi)壁表面光滑度、改善表面的潤濕性，不利于石蠟沉積的性能，根據(jù)表面能原理及影響因素，通過優(yōu)化油管涂層表面能，并結(jié)合機(jī)采水平井桿管偏磨特點(diǎn)，評(píng)價(jià)了防蠟涂層油管耐磨性，形成了機(jī)采水平井防蠟技術(shù)。

(2)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，低表面能油管防蠟技術(shù)溫度越低，含蠟量越高，含水率越低，對(duì)涂層表面能的要求越高，涂層表面能最低需要24.7 mN/m，就可達(dá)到較好防蠟效果。

(3)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，應(yīng)用低表面能油管防蠟技術(shù)可較好的解決油田水平井防蠟治理問題，且與傳統(tǒng)清防蠟工藝相比，不需要周期性地進(jìn)行清防蠟作業(yè)，可以有效降低管理風(fēng)險(xiǎn)。