探铅垢之谜 解生产难题

张丽

探铅垢之谜 解生产难题（图6幅）

◎黄慧  姜建琼  黄晓莹

“江汉油田工程院围绕结铅垢严重的江汉油田荆州采油厂松滋红花套SH10-P17井，采用‘物防+化防’工艺双管齐下后，SH10-P17井今年2月1日检泵作业，起出泵上油管及泵内未见结垢现象，之后作业至今，已经近200天未发现结铅垢，试验取得阶段性进展，针对油井结铅垢这一罕见难题取得了新的认识。”江汉油田工程院荆州项目部负责人、工程院采油气工程所副所长龚兵说。
去年以来，江汉油田工程院针对江汉油田荆州采油厂松滋红花套SH10-P17井结铅垢问题，采用“物防+化防”工艺双管齐下后，截至目前，已近200天未因铅垢影响生产，试验取得阶段性进展。

神秘出现的“铅”

红花套层系位于荆州松滋地区，是江汉油田荆州采油厂的主力层系，共分布油井45口，其中开井数35口，其油井每日产油量在荆州采油厂全厂日产油量占比45.6%，非常高。2020年以来该区块油井结铅垢现象凸显，初时只有2口井出现该现象，并未引起重视，后至2023年累增至15口井，让工程院科研人员感觉问题严重起来。
“当时，铅大量出现在很多油井的井筒泵和泵上的短节里，造成泵上结铅垢。由于井筒泵负责将地层油水混合液体通过井筒抽上地面，井筒泵结铅垢后，造成井筒泵抽液通道被铅垢堵塞，影响油水混合液的流出流进，油井出液困难，需要停井开展去除铅垢作业，严重影响油田的生产运行。”龚兵说。
“我们一口井单井日产量基本是6到8吨，一口井一旦因为结铅垢原因停止作业，产量损失就非常大，假如停井10天，产量损失就有几十吨。频繁停井作业井数一旦增多，对松滋地区乃至整个荆州采油厂产量任务的完成影响非常大。”工程院采油气专家杜庆说，目前，出现此类现象导致停井作业的井数，已经累计影响该区块生产井数的50%以上，成为了江汉油田荆州油区油井生产的“卡脖子”问题，引起荆州采油厂和工程院专家高度重视，决定解决该问题。

破解铅成垢机理

2023年，江汉油田工程院成立荆州红花套铅垢防治技术研究小组，依托专家联盟的平台，迎难而上，开展了《红花套结垢防治技术研究》攻关。
“油井结铅垢现象在国内外较为罕见，包括江汉油田内部，这个问题也只出现在荆州松滋地区，江汉油田其他地区没有发现该现象。”杜庆说。专家围绕该问题开展调研，决定查阅文献资料，但是经过努力，只找到国内外寥寥几篇论文，参考价值较低，没有系统性的治理方案和针对性的处理手段，工程院科研人员没有找到有效的借鉴方案。所以，决定自己自主攻关，去摸索和寻找解决方法。
科研人员首先要找到铅的来源。龚兵说，一般按照常规的认识，正常的生产过程中，油井所结的垢一般分为两种类型，一种来源于地层岩石矿石中碳酸钙等无机盐类，还有一种有机垢，来源于原油自身碳链比较长的大分子重质组分，比如常见的沥青或蜡质，这两类物质都容易造成井筒泵抽液通道堵塞。而在红花套出现的铅垢超出了上述两种的认知范围，较为罕见。
科研人员首先猜测，可能在钻井过程中，通过人为因素带到地层里的铅。通过分析认为，钻井设备在使用压裂设备开展压裂作业时，面对井底的高压力，通常会使用一些含有重金属的泥浆用来压井，其中可能含铅。带着猜测仔细查阅资料，龚兵发现在钻井作业当中，并没有使用含有铅的设备或物质，无论钻井设备工具还是入井液体，都不含铅。
第一个思路被否决后，工程院科研人员又开辟第二条思路，思考地层当中可能含有铅。通过大量的室内实验去溯源，主要的实验对象，就是储层的岩石矿物和地层水、原油等流体，最后科研人员得出结论，发现储层的岩石矿物和流体当中都含有铅，铅是从储层自身产生的。
找到铅的来源，科研人员开始研究分析铅的成垢机理和影响因素，即铅是如何从地层进入油井井筒，附着在油井井筒泵及其附近区域结成铅垢的。
科研人员设计实验，模拟井筒环境下铅垢形成的整个过程。杜庆考虑，井筒属于以铁为主的环境，在井筒中开展作业的油管、抽油杆和井筒泵等所有器材都含有铁，铁在设备上下运动摩擦当中会产生铁屑。地层中的铅离子，原来在地层中沉淀在地层水中，没有沉淀形成铅，但是在和作业设备产生的铁屑等金属类物质一接触，发生了氧化还原反应，出现了元素置换，铁被溶解到水里，铅从水中沉淀出来，形成铅垢。在长期生产过程中，金属与地层中的铅离子不断产生置换反应，导致铅离子沉积在井筒泵及其附近区域，形成铅垢。

综合方法治疗“铅病”

破解了铅的成垢机理后，工程院科研人员思考解决铅结垢的方法，经过刻苦攻关，提出了“物理防预+化学防预”综合治理思路。
龚兵说，物理防预方法，就是下入内衬隔绝管柱，即在油管内壁添加一层高密度聚乙烯材质的内衬制成的油管，用来防止抽油杆与油管直接摩擦产生铁屑，造成地层水中的铅离子与铁屑发生氧化还原反应进而产生铅垢，达到从源头上减少反应源的效果；同时，配套比普通抽油泵外径更大、沉砂垢腔更大的大通道防垢泵，让产出的铅垢充分沉积在泵外腔，起到防止垢卡、垢堵的效果。
“我们思考出这种‘物理防预’法，颇费了一番功夫。”龚兵说。
2023年6月的一个炎热的夜晚，为了在开展研究时不影响作业进度，江汉油田工程院荆州项目部专家羊初珍带领员工程伟和喻晓深夜蹲守在SH10-P11井垢卡检泵作业施工现场，准备取得一手垢样及产出液样品用于实验研究，羊初珍对程伟和喻晓说：“这口井频繁因为垢卡失效，困扰了我们多年，我们一定要记录好现场起出结垢部位，取样进行室内实验，看看怎么对症下药，祛除顽疾。”在轰鸣的施工现场蹲守一夜后，第二天清晨，羊初珍团队终于取到了刚从井下起出的样品。实地看到该井油管内附着的厚垢后，羊初珍想到，既然铅垢是铅离子与铁屑反应产生的，那要是没有铁屑，是不是就不会有铅垢了呢？联想到之前为了减缓油井偏磨引进应用的内衬油管，她灵机一动：“内衬油管不是可以起到防止抽油杆外壁与油管内壁直接摩擦产生铁屑的作用吗？”她向研究小组反馈这一想法后，最终，专家们决定在这口井下入内衬隔绝管柱进行现场试验，试验取得成功，“物理防预”法正式出炉。
龚兵接着解释，解决铅结垢的方法，除了物理防预方法，还有化学防预方法，第一种化学防预方法，就是在生产管柱的最末尾端，远离井筒泵的下方，井筒的外面，再多添加两根生产管柱衔接在“尾巴”上，让“尾巴”延长，在延长的“尾巴”上安装还原性金属，井筒泵将地层油水混合液体通过井筒抽上地面时，从下向上涌动的油水混合液体中的铅离子，会最先经过最下端新添加的生产管柱，和安装在上面的还原性金属发生置换反应，提前沉积在上面，避免其进入井筒后沉积在井筒中，堵塞井筒泵抽液通道，影响生产，这样可以有效延长油井生产周期。
龚兵说，在延长的“尾巴”上安装的还原性金属是根据电化学原理，采用3种不同材质的还原性金属模拟原电池反应，将这3种不同的还原性金属片放置于一定浓度的无机铅溶液和有机铅溶液中，在相同时间、温度条件下，进行金属还原反应，观察实验现象，测试还原性金属消耗量，优选出的与铅离子反应速度最快的还原性金属。
龚兵说，还有第二种化学防预方法，即研究出具有抑制铅垢成型的特殊成分的复合化学药剂，在井口添加该复合化学药剂，该药剂具有一些特殊成分，可以螯合铅离子，降低其沉垢活跃度，阻断其结垢进程，结垢量就会大幅降低，延缓结垢趋势，延长管杆寿命；同时，该复合化学药剂里含有清垢成分，能够将已经析出的铅垢溶解，而后通过螯合作用，避免溶解的铅垢重新以离子状态析出，达到清垢的目的。
龚兵说：“我们思考出这种‘化学防预’法，颇费了一番功夫。”
早期，技术人员在通过示功图、载荷变化发现红花套油井有结垢趋势后，曾积极进行大排量洗井、投加常规阻垢剂等举措进行现场处置，但处置后油井结垢现象并未得到有效缓解，久而久之，铅垢沉积得越来越多，导致卡泵、卡抽油杆的问题。
于是，龚兵考虑，能否研制出一种清垢剂，将析出的铅垢高效地清除掉。为此，他们利用红花套结铅垢典型井的垢样及产出液样品做了大量的实验，通过研究垢样的组成成分，发现其主要成分为铅、碳酸盐和铁的氧化物，若要达到能够将已经析出的沉积垢溶解的目的，需要酸性药剂，但强氧化性酸，如硝 酸、热硫酸、热盐酸等药剂的腐蚀性太强，会对管杆造成严重的腐蚀危害，就目前已知的化学物质来说，仅有有机弱酸具有现实可行性，但如何将药剂可能存在的腐蚀危害降到最低，专家进行了优化思考。经过技术调研论证后，科研人员决定选用有机弱酸及其共轭碱，构建一个既能有效溶解铅垢又能维持pH稳定的共轭缓冲体系，关于药剂的形态，油田常用的化学药剂多为水基型和油基型，但这两种类型均被专家论证否决了，决定采用一个新思路——将清垢剂配置成乳液型，由于乳化剂的作用，酸液被均匀地分散在乳液中，减少了与管杆的直接接触面积和时间，可达到减缓有机弱酸腐蚀作用的效果，这一新思路为降低清垢剂的腐蚀作用加固了一道防线。最终，工程院科研团队研究出具有抑制铅垢成型的特殊成分的复合化学药剂，“化学防预”法正式出炉。
工程院科研团队研究出“物理防预+化学防预”综合治理方法后，立刻开始应用试验。去年9月至今年5月，工程院科研团队先后模拟生产管柱、生产参数（含水、流速、温度、油层部位）等多种因数影响参数分析数据102份，开展铅溯源微观研究实验48组、XRD组分分析18组、“岩心流动+原位X射线扫描”法实验6组次、还原金属特性筛选30余样次、药剂评选7组，获取各类突破性参数1000余组，为现场试验奠定了基础。随后，在荆州油区4口井进行了铅垢综合防治技术现场试验，SH10-P17井从去年9月15日最早开始现场试验，今年2月1日检泵作业，起出泵上油管及泵内未见结垢现象，作业后至今已连续生产近200天，未发现结垢迹象，油井故障率减少，相当于大幅延长了油井生产寿命，铅垢防治技术取得初步成效。
下一步，工程院将继续对该工艺进行改进，治理更多的结铅垢井，降低油井除垢频次，保持生产运行稳定。

图1：工程院采油气工程所副所长龚兵（左）等人现场查看油井垢卡检泵作业完井试抽出液情况及井口回压波动情况
图2：工程院采油气工程所副所长龚兵查看荆州油区花园站压力罐内油水界面位置
图3：工程院采油气工程所副所长龚兵（中）与荆州项目部技术员们讨论结垢井管柱设计及井下工具优化措施
图4：工程院采油气工程所高级工程师羊初珍（中）为技术员黄晓莹、梅宸讲解泵阀结构及油井结铅垢对抽油泵的影响
图5：工程院采油气工程所荆州项目部技术员喻晓在油井井口取样用于实验研究

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