弱碱体系三元驱抽油机井防垢泵的研制与应用

葛乐清

摘要：我们和大庆采油三厂合作研发并应用了弱碱体系三元驱抽油机井防垢泵。该泵是在弱碱三元复合驱采出井结垢机理研究的基础上进行的，以泵产量和泵效作为优化目标，优化泵的结构和材料，旨在降低检泵率和生产成本。

关键词：三元驱;防垢;检泵周期

大庆油田进入中高含水开发后期，作为三次采油的接替技术——三元复合驱油成为提高采收率的一项重要技术措施，但随着采出液中聚合物浓度、弱碱浓度和表活剂浓度的升高，造成三元复合驱抽油机井检泵率升高，缩短了检泵周期，增加了检泵费用，严重影响了三元复合驱的正常生产。2010年检泵周期306天，2011年检泵周期289天，2012年检泵周期236天。因此，开展弱碱体系三元驱抽油机井防垢泵的研制、试验，以延长检泵周期，采取针对性的防治措施，对于稳定油田生产具有重要的意义。

1.弱碱体系三元复合驱采出井结垢机理研究

1.1试验区的基本概况

弱碱三元驱试验区位于大庆长垣萨北开发区的北三区西部，试验区面积3.58km2，注入井和采油井各30口。目前油井检泵鉴定有6口井发现大量结垢现象，化验结果其垢样主要成分为碳酸盐。

1.2结垢机理

（1）垢样的成分分析

垢样为灰褐色松板片状，2口井垢样含碳酸盐（碳酸钙、碳酸镁）含量80%，有机物（油及结合水）含量11.82%，说明该垢样为油田典型碳酸盐垢样。

（2）理论研究

根据无机化学原理和室内试验结果，溶液中存在平衡，碳酸盐垢是油田生产过程中最为常见的一种沉积物。从热力学、结晶动力学和流体动力学的角度对碳酸盐结垢机理进行分析，得到：

a.热力学因素

碳酸钙在水中的溶解度很低，弱碱三元垢的形成基本上是碳酸钙的溶解和沉淀的平衡问题。

影响水中碳酸钙沉淀、溶解平衡的主要因素有：二氧化碳含量、温度、压力、含盐量、pH值等，这些都与热力学因素有关。三厂属于弱碱注入系统，体系中成垢阴离子以碳酸根为主。

b.结晶动力学因素

垢沉积是溶质从过饱和溶液中结晶析出、聚沉并沉淀的过程。开始为诱导期，因物质种类、沉淀条件、溶液过饱和度不同而不同。在溶液体系中，当成垢离子浓度低于其溶解度时，不会出现晶体沉淀，溶液为稳定态。当浓度大于其溶解度而过饱和度较低时，结晶数目少，粒大，但析出很慢，溶液为亚稳态。这时的结晶主要发生在容器壁上，因为液固界面能降低成垢离子结晶所需要的能量。在实际体系中，存在多固液界面，碳酸钙晶体更易于形成垢。

c.流体动力学因素

影响结垢的流体动力学因素是液流形态（层流、紊流）、流速及其分布。在油田结垢环境中，管线内不光滑表面、已腐蚀表面附近易出现紊流状态，使局部过饱和度增大而产生结垢。

1.3实验结论——影响结垢的因素

（1）温度、压力、离子组成等热力学条件改变导致垢的溶解度降低，造成水溶液过饱和而产生沉淀，形成垢;

（2）离子组成不相溶的水相互混合，引起水溶液过饱和而产生沉淀，形成垢;

（3）由于流体内部、流体与管道内壁摩擦，引起成垢。其次，根据吸附原理，当管壁的金属层一旦被垢覆盖，垢的吸附速度加剧。

2.三元驱抽油机井防垢泵研制

防垢泵是在结合弱碱体系三元驱结垢机理、整筒抽油泵原结构的基础上研制的。柱塞中间由多个金属弹性密封环和软密封环组成密封段。金属弹性密封环表面采用喷镍合金，是非闭合的金属环，径向有一定的压缩量，不会被卡死;金属弹性密封环在运动过程中也能起到刮垢的作用;软密封环为聚四氟乙烯材质，与泵筒是非金属与金属的一对摩擦副，不易结垢，既保证了密封性，又提高了耐磨性;柱塞两端装有刮垢环，具有一定的弹性，当柱塞往复运动时，刮垢环紧贴泵筒内壁上下刮动，刮下来的垢可随螺旋槽被油流带走。另外柱塞内孔镀硬铬，阀罩、球座等关键零件部位均喷镍。为充分发挥三元防垢泵其效能，研究应用新材料、新技术，解决柱塞结垢、密封、寿命问题。

2.1研究内容：

2.1.1表面涂层防垢材料及涂层技术的优选

2.1.2防垢泵的结构设计，主要包括以下两点：

第一：改进泵的结构，以达到清垢的目的;

（1）柱塞整体应用软体密封，密封段采用高分子软体聚织物材料 （或聚四氟改性材料）;

（2）应用密封补偿技术;在密封段内安装密封补偿器;

（3）扶正体采用高分子改性材料，扶正体具有扶正、密封、防垢三重功能;

（4）采用高分子改性材料直接加工柱塞，使柱塞不结垢。

第二：在泵筒上采用特殊材料涂层以防止结垢。

2.2预计技术指标：

（1）平均单井检泵周期达到370天;

（2）平均单井泵效达到50%以上。

（3）研究适合清垢的泵的结构，以达到清垢的目的。

3.现场应用情况

在13年8月份下井应用7井次，从生产情况看，该泵在结构上改进后增加的清防垢功能并不会影响泵的正常生产，排量能满足生产需要，检泵周期最长的已达620天，平均检泵周期为426天，较原来延长120天。平均单井泵效达到66.2%。得出结论：

3.1北三西弱碱三元驱结垢的主要成分为CaCO3沉淀垢，成垢类型主要是混合型沉淀。遵循钙镁存在条件下成垢规律，体系pH等再升高对钙镁碳酸盐的结垢无任何影响。

3.2三元复合驱防垢抽油泵的研制，从泵的结构上进行改进，增加了清防垢功能，为解决三元复合驱的抽油泵卡泵现象开拓了一个新的技术领域。从现场应用情况看，三元复合驱防垢抽油泵排量能够满足生产需要。

3.3从大庆油田采油三厂的未结垢的采出井与结垢井对比看，三元驱防垢泵应用效果较好。

4.应用前景

抽油机井三元防垢泵研制成功，提高了采出井的生产效率和检泵周期。平均检泵周期达到426天。共取得经济效益262.60万元。投入产出比为1：20.02。减少了因油井作业造成的能耗和产量损失，对于今后油田实施低成本战略，提高油田开发效果，具有广阔的推广应用前景。

参考文献：

[1]胡博仲.聚合物采油工程[M].北京：石油出版社.1997年第一版

[2]万仁博.采油工程手册[M].石油工业出版社.2002年第一版

[3]王建斌等.三元复合驱油井除、防垢[J].清洗世界.2013，7期.