低黏损三元复合驱分注工具优化设计

李志 马珺喆 王晶 高启明

（1.大庆油田有限责任公司第一采油厂；2.大庆油田有限责任公司采油工程研究院；3.黑龙江省油气藏增产增注重点实验室）

1 现状

三元复合驱技术可以在含水98%的极限开采条件下，再提高采收率20个百分点以上，是油田特高含水期提高采收率的技术手段之一[1-2]。不过由于三元复合溶液注入过程中，管线冲洗不净、溶液流速过快、溶液混合不均、分注工具剪切大等问题均会影响三元复合溶液黏损，导致驱油效果不明显，达不到预期驱油效果，并且由于溶液粘度的损失，聚合物干粉消耗增多，额外成本增加[3]。虽然经过常规清洗作业、规范操作可减弱管线和溶液的影响，但通过对2016—2020年三元复合驱分层注入井测调现场记录数据分析整理发现，在流量50m3/d情况下，三元复合溶液流经井下分注工具后粘度损失为12.3%，而相同情况下，聚合物溶液粘度损失仅为5.5%，井下分注工具剪切大是造成黏损的主要因素[4-6]，因此，有必要进行低黏损三元复合驱分注工具的研制。

2 原因分析

2.1 表面结垢

由于三元体系碱的存在，导致分注工具表面结垢，常规清洗作业对分注工具垢质作用很小[7-8]。结垢后，会造成分注工具环空间隙变小，三元复合溶液流速增加，分子量遭到剪切破坏，导致三元体系黏损率增加，因此，分注工具表面结垢是造成溶液黏损增加的原因之一，某试验区块35口井分注工具结垢情况见表1。

表1 某试验区块35口井分注工具结垢情况

2.2 结构设计不合理

通过三元复合溶液流经分注工具后的微观分子结构观察发现：三元液阳离子移动导致聚合物分子表面双电层和水化层厚度变薄，分子链卷曲收缩，分子线团尺寸变小，增粘特性变差，分子链更容易发生断裂，造成粘度损失增大。聚合物溶液和三元复合溶液微观结构见图1。

图1 聚合物溶液和三元复合溶液微观结构

其次通过聚合物和三元液在分注工具中的流场数值模拟仿真，湍流区对比见图2。结果表明：三元液湍流区域更大，流动状态更不稳定，分子链更易被剪切，分子线团更细，三元液的剪切程度更大，从而导致黏损率增加。

图2 聚合物溶液和三元复合溶液湍流区对比

根据以上要因分析，最终确定造成分注工具黏损大的原因为：分注工具表面结垢和分注工具设计不合理。

3 工具研制

针对影响分注工具黏损大的2项主要因素，根据“5W1H”研究方法，通过详细的分析、制定出分注工具优化方案见表2。

表2 分注工具优化方案

3.1 分注工具抗垢材料选择

针对分注表面结垢的问题，根据材质不同分别选择了镍磷镀涂层、聚四氟乙烯涂层、新型聚酯类材料，通过加工试制及现场应用，结果表明镍磷涂层表面自由能90~130mJ/m2，垢质易吸附，防垢效果不理想，使用寿命为1~3个月；聚四氟乙烯涂层表面自由能22~30mJ/m2，防垢有效期可延长到6个月，但现场投捞时，由于工具间磕碰，出现涂层磨损脱落，影响防垢效果；新型聚氨酯材质自润滑性好、强度高，分注工具可一次成型加工，无需喷涂，不怕磕碰，工具使用寿命达到13个月，寿命显著增加。因此优选了聚酯类材质作为分注工具加工材料。

3.2 分注工具结构参数优化

三元复合驱井下分注工具结构如图3所示。主要有4个结构参数即：外径d1、槽间距L、前槽间角α1、后槽间角α2，利用模拟软件对以上参数进行仿真分析，正交试验数据见表3。

图3 流线型降压槽结构

表3 正交试验数据

通过以上9组试验，综合选择最优解，即外径d1为18.0mm，槽间距L为13.0mm，前槽间角α1为45°，后槽间角α1为30°。

3.3 室内及现场应用

对新型分注工具进行加工制造，并做新型聚氨酯材质防垢处理，进行室内实验和现场应用。室内实验结果表明，三元复合溶液流经新型分注工具时，在流量50m3/d范围内，黏损率由12.3%降至8.2%，新型降压槽黏损变化情况见图4。在大庆油田三元区块进行现场验证，所选取的试验井内原有工艺管柱未采用防垢工艺进行处理，测调稳定周期仅3周，采用优选出的防垢工艺对工具进行处理后，结垢情况得到明显改善，最长使用周期达到13个月以上[9-10]，完全满足现有大庆油田三元复合驱注入井2个月测调周期的测试需求。

图4 新型降压槽黏损变化情况

4 节能效益分析

新型分注工具可有效降低三元复合驱溶液黏损率，节约了聚合物的使用量，并通过新型聚氨酯材质防垢处理，延长了工具使用时间，减少投劳次数，满足了大庆油田三元复合驱注入井测试周期需求。按大庆油田1803口三元复合驱分注井计算，可取得985.51万元的经济效益。

5 总结

1）新型聚酯类材质有效增加了分注工具的使用寿命，最长使用寿命可达13个月。

2）通过仿真模拟软件分析，三元复合驱分注工具在外径为18mm，槽间距为13mm，前槽间角为45°，后槽间角为30°时为最优。

3）使用优化后的分注工具有效的降低了三元复合溶液黏损率，三元复合溶液黏损率由工具优化前的12.3%降到目前的8.2%。

4）新型分注工具可有效降低工艺成本，为三元复合驱采油技术的全面推广提供了有力的技术保障。