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电潜泵应用中的沥青沉积摘要:文章是使用电潜泵和对已有资料进一步研究的5年经验的总结:描述了原油沥青的复杂性质和特点,评价沥青从原油中沉降的条件,另外还提出了几种防止和处理沥青堵塞的方法,并总结了在加拿大阿尔伯塔几个油田的使用结果。除了运用原有的处理方法外,现已研制出防止沥青沉积的井底泵:使用可变速控制器并配备大型泵,加大叶轮叶脉高度,增强泵内涂层,降低泵吸入口的压降和采用毛细管注入管线。主题词电潜泵沥青沉积沥青絮凝胶质采油工艺一、 前言自1930年起,许多研究者便对原油中的沥青进行研究。当原油中存在沥青时,从地层到炼制的任一环节上都会引起严重的问题。在采油和原油加工中常碰到沥青沉积和乳化稳定性问题,所以研究大多集中于原油。然而,尽管做了很多努力,沥青沉积仍是当今石油工业花费最高的技术问题之一。在储层、油井、井下设备中的沥青沉积对原油的经济开采非常不利,因为沥青沉积使得井产量减少和(或)堵塞生产设备。石油工业现在所关注的是找出在一定条件下沥青为什么絮凝,什么时候絮凝以及絮凝多少。既然原油通常是烃类和重有机组分的混合物,有必要知道该混合物的组成以及相互间的作用关系。重有机物的开始沉积以及沉积量依赖于原油中烃类的出现和重有机物中各族的相对含量。本文的目的是研究使用电潜泵采油时出现的沥青沉积问题。分析沥青的结构、物理和化学性质、絮凝和沉积机理,以及在电潜泵中沥青沉积造成的伤害。对防止和除去重烃沉积的新旧方法的运用及其效果作了介绍,并用加拿大现场实例进行验证。二、沥青和胶质的特征在原油中,最常见的芳烃是沥青和中性胶质,也包括地沥青酸、碳烯和焦沥青。沥青和胶质的化学组成很难分析出来,因为它们的性质很复杂。沥青是原油中较重的、非挥发的极性组分。它们通常分为不溶于n-戊烷和溶于苯这两类。中性胶质溶于戊烷,不溶于碱和酸。1.沥青和胶质的分子结构和组成沥青主要是由包含碳、氢和少量组分(如硫、氮、氧)组成的杂环分子。胶质与沥青有相同的化合物组成,但它是很小的分子,并有较多的石蜡链接在稠环上。在自然状态下,沥青经常包含相当浓度的镍、铁和钒。化学家们已认可将假想的经验式C74H87NS2O作为平均沥青结构。但由于沥青结构因井而异,准确的分子结构还不知道。分析结构和性能也很困难,这是因为中性胶质强烈地吸附在沥青上,不可能定量地分离出来。沥青的分子重量从1000到2000000变化很大,依赖于测试方法和条件。它们通常呈球形,直径从30 到65,许多研究者已通过物理方法如红外光谱仪、核磁共振、顺磁共振、通用示波器、质谱法、X射线、电镜,以及通过化学方法如氧化法、氢化法来确定沥青和胶质的模型结构。在自然状态下,沥青以二级结构的复杂体存在,使得沥青随原油流进井眼。沥青结构的核心是一组单元平板, 4个到8个叠加在一起。面与面相连是由于芳烃结构的面之间存在二级弱连接力。每个单元平板外边缘有一个长的链烷烃残余链,因此沥青结构可能是一个外边缘被链烷烃包裹的球。2.沥青的化学和物理性质非结晶的极性沥青分子没有熔点,加热到300400下发生分解。通常认为沥青是多环芳烃和天然胶质氧化的最终产物。另一方面,沥青化合物的加氢作用产生包含多环芳烃的重质烃类油。沥青不能分成单个组分,沥青能溶在芳香族化合物中形成高度分散的胶束溶液,不溶于链烷烃,如戊烷和石油(尤其是低分子量的沥青),沥青通常被认为是以胶束形式分散的,但它们易形成聚集体。沥青在石油中的状态依赖于原油中其它粒子的存在,如胶质、芳香族化合物、链烷烃等。在石油化学文献中普遍接受的观点是,原油沥青质通过吸附溶于芳香族化合物溶液中的胶质形成稳定的胶束。沥青颗粒带电,通过静电力、极性力和分散力与胶质相连。胶质的苯环部分吸附在聚集体的表面,而亲油部分外露于油相。胶质为沥青粒子强极性的胶核及周围非极性油进行搭桥相连,使得沥青分散稳定,形成沥青-胶质胶束。三、沥青絮凝原油中的沥青絮凝是不可逆的,这是使原油流动堵塞的主要原因。由于絮凝尺寸大以及吸附在固体表面的亲合力,使得絮凝的沥青形成不可逆沉积。控制原油中沥青胶束稳定性的两个主要参数是芳烃化合物与非极性饱和烃之比以及胶质-沥青比。当这两个比值减小,沥青胶束将发生絮凝,形成较大的聚集体,相对较大的沥青粒子可能会在含有过多链烷烃的溶液中絮凝。除非在溶液中有足够的胶质吸附在沥青颗粒的周围,形成空间胶束,否则絮凝的沥青就要沉淀出来。通过实验发现有一个临界胶质浓度,在此浓度以下沥青絮凝就要沉淀。沥青及其絮凝物被认为是表面活性剂。该特征发展成为一项实验技术,它通过测定油水界面张力来确定沥青沉淀的起始值。四、沥青沉积在正常油藏条件下,沥青、胶质、软沥青和油相处于热动力学平衡。沥青的沉淀和沉积通常由原油周围环境或条件变化引起。既然沥青是通过胶质胶溶作用形成胶束粒子而稳定的,任何降低这些粒子胶溶的化学、机械和电性能的反应都会导致沉淀。通常,API重度越低,沥青越多。例如, API重度值为9,大约含82%的沥青;而API值为41,仅含3%的沥青。然而,在评价给定原油是否有沥青沉淀问题时,胶质-沥青比比绝对沥青含量更重要,因为胶质可以稳定溶液中沥青。因此,具有高胶束-沥青比的原油要比大量带有苯环的非极性饱和烃的原油更不容易沉淀。在原油生产系统中,温度的变化、油藏压力降或由于添加了与油相溶的溶剂而使原油中化学组分发生改变,以及油管中流动势的作用,都会影响沥青的溶解度。1.化学方法引起的沥青沉积除脂肪族/低表面张力液体(如戊烷、己烷、石脑油或汽油)以外,轻油通过溶解胶质而使沥青沉降。由于pH值的改变,许多含沥青的油与强酸迅速发生不可逆反应而产生堵塞。这种堵塞甚至在最好的溶剂中都不溶解。这样,井的酸化有可能引起渗透率急剧下降,需要将井重新压裂或重新完井。当溶剂用于驱替油来提高采收率时也会发生沥青沉积。在油藏中,驱替液(如CO2)能引起沥青沉淀。对于溶剂,通常认为溶剂的碳数目下降使得沉淀严重性增加,除非此溶剂是剥掉沥青胶束中的油而不是溶解原油中的沥青胶束。胶质运移到油相使沥青不稳定,产生沥青絮凝和沉降。2.电方法、冷却和压力降引起的沥青沉积在地层中冷却和静电作用会使沥青发生沉积。当原油在管道中流动(如孔隙介质、井、管线等),对重有机组分运动要考虑一个附加作用,即电动作用,这是因为带电粒子沿管道运动产生电势差。电势差引起胶束粒子电荷的改变,最终使管线中发生沉积和堵塞。影响这种作用的因素包括管道导电和导热性能、流动状态、流动油的性能、重极性官能团和胶束粒子的特征。室内实验表明,石油流体的压力变化能引起重有机成分的沉积。原油从地层运移到井眼,压力明显降低,使气相分离出来,造成重有机物沉积。在泵进口滤网以及小井眼都可能会发生相似的作用。3.机械方法引起的沥青沉积钻井、完井、增产措施、水力压裂均引起沥青在近井地带的沉淀。由于流体通过泵、地层、射孔孔眼和阀门或节流器产生剪切,从而使胶质从沥青颗粒周围剥去。径向流多级离心泵对沥青堵塞最敏感,它有一个叶脉孔和叶脉高度。理想情况是混合流动级,通过减小流速和改变流动方向(对水平流动,流动方向改变180)来减小剪切力。内泵和吸入零件一般由砂子或树脂浇铸而成,涂层是除去铸件表面缺陷最经济的方法,使表面有低的摩阻和良好的泄放性能。五、沥青沉积造成的伤害油产出过程的任一阶段都存在沥青沉积。它可沉积在近井地层,沉积在井底电潜泵里、油管、流动管线和生产处理设备中。沥青在电潜泵里面的沉积会减少运行周期。由沥青引起的故障原因很复杂,电潜泵中一个零件上或里面发生沥青沉积都会使其它零件发生致命故障。1.沥青在马达表面的沉积沥青在马达上沉积会使散热量减少而引起马达过热,导致机械故障或电马达损坏,机械故障大多由油粘度丧失造成的径向轴应力损失引起。电潜泵马达使用轴颈轴承提供径向支撑,止推轴承提供马达重量载荷。旋转零件的充分润滑是轴承有效运行的一个重要考虑点。润滑膜把静止和旋转的轴承零件完全分隔开,如果机器在比推荐温度高的情况下运转,油粘度就要下降,轴承没有足够的承载能力。轴颈与轴承之间或者止推轴承与转子之间形成的润滑膜太薄,就不足以防止面面接触。将细小的铜粉从轴承机械磨损处注进润滑液以加强保护膜层。但这样一连串的问题就来了。当油向上循环通过轴心、轴承的油孔,从轴承出来,铜粉将堵塞其中一个轴承的润滑孔。这个位置的上下轴承将仍旧得到润滑。被堵塞的轴承将继续运行,导致摩擦力增加而过热,以至粘住定子。2.沥青在密封面与内部零件之间的沉积密封件是将驱动轴与吸入轴之间密封,可使绝缘油膨胀。环境温度与马达温度产生的温度梯度的上升会导致绝缘油膨胀,且仅在密封件内发生。如果油井流体传热因沥青在密封件上的沉积而受到妨碍,那么密封的膨胀能力就会不大,致使油井流体与干净的马达润滑油相混。密封件的另一功能是利用密封头上的连通小孔可以平衡套管环空与马达内部的压力,这样密封接头处的卸压可以保护马达。如果卸压孔被沥青堵塞,密封件将不再平衡压力,马达内部就出现真空,而且还会导致整个密封的接头发生漏失。如果马达内的油与油井流体出现互混产生污染,就会导致轴承与马达的密封层失效。马达与密封件内的水会对润滑剂产生显著影响,水还是腐蚀剂并稀释润滑油,润滑油的稀释会使保护膜变薄,开始出现轴承的机械磨损。当润滑油通过轴承和马达上的油孔循环时,就会与水结合形成一种乳状液,水中或机械磨损的细小微粒就粘附在乳状液中,引起马达和密封部分止推轴承的工作温度升高,从而产生进一步的损害。3.沥青在旋转分离器内外表面的沉积旋转分离器是在油井流体进入泵之前,利用离心力分离出其中的自由气。沥青的沉积又能堵塞吸入口、进口滤网、转换接头或排气口。进口滤网或吸入口的堵塞可使泵气蚀,最后使泵产生机械磨损及马达过热。而转换接头和排气口的堵塞又降低旋转分离器分离气体的能力。马达内沥青不均匀沉积会引起马达运转不平衡,导致泵轴震动。此时流体漏失,泵发生过量的径向多级磨损,导致泵举升流体能力下降。由流体漏失引起马达过热是举升失败的一个潜在因素。泵的密封包括轴承的多级密封,阻止油井流体漏入轴内,轴承振动会降低对流动的密封,导致井内流体污染马达,破坏轴承和马达的密封性。4.泵内沥青质的沉积解除泵的堵塞能增加泵的推力。1台压缩电泵,其推力载荷由密封层内的主轴传给止推轴承。过量的推力载荷会导致止推轴承过载以至损坏。一旦止推轴承被损坏,推力载荷无法传给密封件,发生过度下冲多级磨损。“飘浮转子”型泵就类似上述情况,它是旋转叶片因沥青沉积而被卡锁。一旦泵被堵死或不能将流体举升至地面,马达就会过热。沥青在泵内特别是滑动轴承上沉积,会引起轴承过载,致使泵和马达失效。5.过热引起的电缆损坏上面所提及的马达过热或密封件内止推轴承过载产生的过热,都将降低活动装置的绝缘性和电缆的整合性。沥青沉积所造成的一系列危害会显著提高生产成本。六、控制和去除重质烃类沉积通过深入了解沥青絮凝机理,可以有效控制重有机质的沉积。沥青在采油设备的任一阶段,从近井地带到炼油厂的进料端都不稳定。通过改进生产工艺和使用化学处理方法可以控制沥青的絮凝和沉积。使用电潜泵完井方式需要对标准电潜泵方式做一些改进,包括使用变速控制器并配备大型泵,增加叶轮叶脉高度,使用涂层等。采油工艺技术改进包括:降低流动势,除去沥青质原油中不溶物,减小生产设备上产生的压力降,改变完井方式。泵内涂层是防止沥青沉积的一种相对较新的方法,它可减小电潜泵组件间的缝隙,防止涡流形成,降低流动势,消除吸附位置。电潜泵行业中最常用的两类树脂是聚四氟乙烯(TFE)和六氟丙烯(TEB)。建议在油井进行增产措施、注水及提高采收率前,应测试所注流体与地层流体的静、动态相容性。相同筛目下增加筛网面积可以减小泵入口处的压力降。粗糙的油管壁面可产生紊流,引起压力降,所以用新油管替换老油管。七、现场实例过去是关井、浸泵来进行化学处理。但有时泵浸泡后,电潜泵不能重新启动。1995年,壳牌公司开始不关井来进行油井处理。采用流体循环的方式来代替关井。将Refromate沿环空泵入,其速度足以把油推到泵入口,使用节流器进行循环,循环率为90%,这有助于预防泵的堵塞。在阿尔伯塔天鹅山混相驱中,驱替前缘突破后出现了严重的沥青沉积。为保证油井产量,许多井将高浓度的芳香类溶剂挤入地层、井筒、泵及管线,有些井甚至每隔几天就要处理一次。为找出经济有效的替代物,进行了一系列实验研究,其最终方案为:先用芳香类溶剂清洗井眼,然后连续注入沥青缓蚀剂,直至到达电潜泵马达之下,注入方式是通过4条不同的毛细管线注入,这4条不同的毛细管线从地面下至不同的位置。主要问题是:与油管相接问题以及硫化物引起的致脆裂纹,并且许多管线也出现堵塞。解决方法是把化学剂改换为溶剂,降低泵速,但泵速也有最小限制,即必须阻止悬浮颗粒沉淀在单流阀的顶部。八、结论沥青沉淀问题在石油开采和生产过程中是既费钱又令人头痛的事情。沥青可以在石油产出过程的任一地方沉淀,但沥青沉积所造成的损害最大的地方是近井地带和电潜泵里。更好地了解沥青沉积机理就能控制由沥青絮凝引起的重有机质沉积。原油的组分和沥青质原油的特性对沥青沉积起重要作用。胶质和软沥青含量高的原油稳定性好。沿管线温度变化、压力降低、由电势差引起的电动效应都能影响