CN114845819A - 从海底歧管去除污垢的方法 - Google Patents

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F·费雷拉多罗萨里奥
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V·M·克里斯坦特
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Abstract

在满足在井中污垢去除和污垢抑制剂挤压处理的计划操作期间，考虑到采出水的更关键的混合物，歧管被污垢部分地结垢的可能性增加。所提出的解决方案是用于从歧管去除污垢的处理方法。所述方法使用勘探储层的地热加热来加热化学去除溶液(50)。需要加热以确保温度在也适于进行去除反应的范围内，因为溶液行进到歧管(20)的距离和水下环境的低温使得反应低效地发生，如在盐下的情况下。

Description

从海底歧管去除污垢的方法
技术领域
基于氨基羧酸的化学产品用作螯合剂，用于去除海洋石油生产系统中沉积的污垢。最常见的污垢类型是碳酸钙(CaCO3)和硫酸钡(BaSO4)。盐垢的减轻是世界石油工业的持续研究，因为作为这种石油生产损失的函数，以及发生影响油田开发项目的经济的经济损失。螯合剂的使用对于保持海上石油生产系统的生产和完整性是重要的，但是对于这，需要化学物质的适当定位和用于络合反应的适当温度。
在生产井(ROCHA; AZEVEDO, 2007)和地面设备中形成矿物污垢是油井中增加操作成本和降低产量的主要原因之一(Bezerra; Rosário; Rosa, 2013)。
盐垢由生产的流体的物理化学性质(pH、温度、压力等)的变化和/或注入的水与存在于储层岩石的孔中的地层水的化学不相容性引起。然而，由于沉淀动力学的复杂性，预测这样的现象仍然是挑战。
污垢(无机晶体沉积物的累积)由于来自储层或生产系统的水中存在的盐的沉淀而产生。当到达其溶解度极限时发生这些盐的沉淀，这主要由pH、压力、温度或水组成变化的条件引起。可以涉及污垢形成(Mackay等人，2004)。
降低压力或升高水温，导致盐的溶解度降低。典型的情况是涉及平衡来自二氧化碳气体和碳酸钙固体的碳酸氢根和钙离子的反应。
Ca 2+ + 2HCO 3 - = CaCO 3 + CO 2 + H 2 O
不相容的水的混合物：海水和地层水的混合物导致硫酸钡、硫酸锶和硫酸钙的沉淀。
Ba 2+ +SO 4 2- =BaSO 4
Sr 2+ +SO 4 2-= SrSO 4
Ca 2+ +SO 4 2- = CaSO 4
原生水+海水=沉淀
盐溶液的蒸发：引起溶解度降低并且可能沉积氯化物。
NaCl (aq) =NaCl (aq)
在海上生产油田的情况下，海水通常用于置换油并保持储层压力。因此，由于海水与地层水的混合物的不相容性，在这些油田中结垢的发生是相当普遍的。因此，当开始将海水注入储层时，海水与原生水(地层水)混合。由于水具有非常不同的化学组成，作为微溶性盐(通常是硫酸钡和硫酸锶)过饱和的函数，可能引发结垢。
结垢发生在多孔介质(储层)、储层/生产井界面、生产管柱和地面设施中。
注入水和地层水中的不相容化学物类之间的反应速率是在水相中的反应远离平衡时确定结垢强度的主要参数。在多孔介质中，该速率高度地受流速、扩散/分散和孔几何形状的影响。污垢形成的机理可以在图1中可视化。
在生产井附近，其中流动更加湍急，在不均匀储层的情况下，其中流来自不同的层，热力学作用增加结垢潜力。因此，除了是储层内所有循环水的汇聚点之外，靠近生产井的区域最容易混合不相容的水(Sobie; Mackay, 2000)。
然而，关于地面设施，不相容的水的直接混合最终发生在生产链中。当同时生产主要具有地层组成(例如含有高含量的钡)的采出水的井和生产高含量海水的井时，这种现象是常见的。设备中的结垢产生过程的效率损失，直接引起系统中增加的负荷损失和热损失，从而增加用于加热待处理流体的能量消耗和化学物质的消耗。在使这种作用最小化的替代方案中，当存在多于一个生产链时，良好的分离，并且使用将污垢抑制剂注入到地面管线中。
在文献(Collins, 2004)中已经提出了三种不同的硫酸钡沉淀行为。结垢的趋势可以与采出水的RS (饱和比)相关。RS可以如下定义：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
是钡离子的活度；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
是硫酸根离子的活度；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
是溶度积。
对于高RS值，在混合点将存在瞬时发生的沉淀，导致饱和比降低，其中生产大质量晶体，所述晶体将在溶液中形成并沉积在井底的管柱壁上。
对于中RS值，在管柱壁中将存在具有快速动力学的成核和沉淀，导致管柱的底部中的较小晶体和污垢。
对于低RS值，成核可能减慢一段时间，允许流体在管柱内移动。随着沿该路径的压力和温度的降低，RS将增加，随之发生成核和晶体生长的速率增加。然而，随着温度下降，将发生沉淀速率的降低，导致表面附近的结垢。
随着水深度增加，海底温度逐渐降低，并且从700米深的深度，其稳定在约4℃。将用于流动石油生产的海底设备(例如湿采油树(ANM)、生产管线、歧管、采油立管)浸入海底中，并因此经受这些温度，海底中的设备的热交换导致由这样的设备输送的所生产的流体的冷却。
作为卫星井和固定生产单元之间的距离(其可能达到几公里)的函数，发生温度降低，导致生产系统的设备内部的组分(例如，石蜡、沥青质等)从生产的流体中沉淀。
如上所述，在海底生产设备内可能出现的沉淀物是在砂质地层中的硫酸钡和硫酸锶、在碳质地层中的碳酸钙的结垢。当在歧管内部出现盐结垢时，由于歧管内部的阻塞，可能发生生产损失。
通过泵送定位在结垢歧管内部的螯合剂溶液来完成去除处理，在结垢歧管内发生盐中存在的阳离子的络合反应，并因此去除污垢，从而清洁歧管。络合反应的效率取决于温度，最佳温度范围为约80℃。然而，由于与海底的热交换，其距离可能达到约8公里，泵送的处理经历温度降低，这是由于管线或歧管与海底中的海水的热交换，在远低于络合反应理想的温度下到达歧管。
现有技术
在本发明之前，污垢去除处理是通过生产管线和或提升气体将化学溶液泵送到歧管，并在歧管内停留一段时间，寻求去除污垢。然而，考虑到与海底热交换的问题，作为污垢去除反应到达歧管的温度的函数，去除污垢反应产率具有低的效率。
迄今为止，利用远程操作(通过平台)污垢去除所获得的一些结果因此增加了生产井的生产。远程操作通常通过注入溶剂垫(二甲苯)来启动，溶剂垫有助于去除存在于地层附近的碎屑，防止形成乳液和逆转岩石的润湿性。
接下来，通过用于置换柴油或乙醇的相同的替代泵，从生产平台泵送污垢清除剂。所用的清除剂是基于螯合剂的制剂，将其泵送通过立管、生产管线、歧管、湿采油树(ANM)、生产管柱、砾石直到其到达地层。提供了地层中产品的休眠期，在此期间，在某些时候，完成柴油向井的泵送，以便逐步向地层置换去除溶液，增加其与污垢的化学反应的功效。
使用钻机的除垢操作是从远程操作不具有期望的作用的时间预测的。类似地，对于远程操作，使用螯合剂的混合物，然而，使用钻机可以直接将产品冲洗到受污垢影响最大的部分上。在这些干预中，还可以用钻头从筛和生产管柱的内部机械去除。
因此，利用钻机的干预可以分成两个步骤：第一步是机械去除，而第二步是化学去除。
在第一步中，用柔性管用刮擦和水力清理进行机械清洁，其中发现在PDG (底部压力测量设备)下方的生产管柱中存在一系列约束。在每天的跟踪中，PDG下方的约束的作用就像是生产指数(IP)的损失，因为它们基于PDG的读数来计算在井中的流动压力。
该方法的第二步是使用直接施用于生产间隔的除垢混合物的化学去除。
已经进行了研究以评价不同的聚胺化的羧酸，寻求在技术和经济方面比较螯合剂或络合剂的效率(Lakatos; Szabó, 2005)，重点是比较用BaSO4和SrSO4获得的结果。
众所周知的络合剂是EDTA (乙二胺四乙酸)，或者称为乙二胺四乙酸是用作螯合剂的有机化合物，与各种金属离子形成非常稳定的络合物。其中有pH值大于7的镁和钙，pH值小于7的锰、铁(II)、铁(III)、锌、钴、铜(II)、铅和镍(Holleman, Wiberg, 2001)。EDTA是用作六齿配体的酸，即它可以通过六个配位位置(即通过四个羧酸根阴离子(-COO-) (4个H+从羧基离开之后)并且还通过两个N络合金属离子。
二亚乙基三胺五乙酸(DTPA)是由具有五个羧甲基的二亚乙基三胺主链组成的氨基多羧酸。该分子可以看作是EDTA的膨胀形式，并以类似的方式使用。它是白色的水溶性固体。
DTPA的共轭碱对金属阳离子具有高亲和力。因此，假定每个氮中心和每个基团COO-计算为配位中心，五阴离子DTPA5-可能是八面体配体。它们的络合物的形成常数是EDTA的形成常数约100倍高(Roger Hart，2005)。作为螯合剂，DTPA涉及在金属离子周围形成最多八个键。然而，使用过渡金属，其形成的数目少于八个配位键。因此，在与金属形成络合物之后，DTPA仍然具有与其它试剂结合的能力。例如，在其铜(II)络合物中，阳离子以六齿方式使用三个胺中心和五个羧酸根中的三个与DTPA结合。
文献公开了DTPA (Wang等人，2002)二亚乙基三胺五乙酸，作为溶解硫酸钡的最有效的络合剂(Lakatos; Szabó, 2005；Jordan等人，2012)。
根据在表1中阐述的溶解参数，螯合剂对硫酸钡的溶解性能的顺序是DTPA > DOTA> EDTA > CDTA：
试剂 k<sub>c(40℃)</sub> k<sub>c(60℃)</sub> k<sub>c(80℃)</sub> E<sub>a</sub> A Log(A)
DTPA 0.73 1.94 4.79 10.32 1.17×10<sup>7</sup> 7
DOTA 0.63 1.78 3.41 8.87 1.10×10<sup>6</sup> 6
EDTA 0.43 0.74 1.43 6.57 1.63×10<sup>4</sup> 4
CDTA 0.11 0.17 0.23 4.27 7.61×10<sup>2</sup> 2
kc通过Arrhenius方程确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中
·kc是反应常数(hr-1)；
·A是频率因子(hr-1)；
·Ea是活化能(kcal/mol)；
·R是气体的通用常数(1.987 cal/mol.K)；
·T是温度，以开尔文计。
溶解反应动力学的合适温度在60℃至80℃之间，以便DTPA用作在海上生产系统中去除的螯合剂，是温度极限的函数确保构成生产管线的材料的完整性。
文献CA2916811A1是能够通过交换热、使用来自井的地热能直接施用于加热和降低成本的装置。文献US9091460B2公开了能够通过交换热、使用来自井的地热能直接施应用于加热、将热能转换为机械能和电能的系统。文献US9157666B2公开了能够通过交换热、使用井的地热能直接施用于加热/冷却以及将热能转化为发电的设备和方法。
作为现有技术引用的两个文献公开了能够通过交换热、使用来自井的地热能用于各种应用的方法、过程或系统，所述应用例如加热或冷却、将热能转化为机械能或发电，但没有一个能够解决污垢去除的问题。换句话说，现有技术文献都不适于去除生产管线和歧管上的污垢。
发明内容
在满足在井中污垢去除和污垢抑制剂挤压的计划操作期间，引用了考虑到采出水的最关键的混合，歧管部分地结垢的可能性增加。
所提出的解决方案是用于在歧管中处理污垢去除的方法。该方法利用勘探储层的地热加热来加热化学去除溶液。需要加热以确保温度在仍然能够进行去除反应的范围内，因为溶液行进到歧管的距离和水下环境的低温引起反应低效地发生，如在盐下的情况下。
附图说明
下面将参考附图更详细地描述本发明，附图以本发明范围的示意性和非限制性形式表示本发明的示例性实施方案。在附图中，提供了：
图1说明污垢形成的机理；
图2说明金属-EDTA络合物的化学结构；
图3说明重晶石在搅拌的系统中在40℃下在具有0.18M的DTPA、EDTA、CDTA和DOTA中的溶解测试；
图4说明螯合剂的化学结构；
图5说明井的UEP、歧管和ANM之间的连接；
图6说明当在生产管柱中发生结垢时，井的UEP、歧管和ANM之间的连接；
图7说明当在生产管柱和或歧管中发生结垢时，UEP、歧管和井之间的连接；
图8说明用于从生产管线和或歧管内部去除结垢的UEP、歧管和井之间的连接；
图9说明当完成去除污垢时，井的UEP、歧管和ANM之间的连接。
具体实施方式
为了改进歧管(20)中的污垢去除处理的反应的效率，因此通过以对于络合反应的效率合适的温度泵送处理来消除流动的阻塞。已经设计出在管柱中发生结垢的井，该程序具有以下顺序：
a.从生产管柱(31)去除污垢；
b.清洁生产管柱(31)，随后将全部处理溶液(预冲洗、清除剂溶液和过冲洗)泵送到用于处理污垢的储层(40)中；
c.将处理溶液定位在储层(40)中，在那里将污垢去除溶液(50)注入到储层(40)中；
d.使用储层(40)的地热加热来加热污垢去除溶液(50)；
e.在达到稳定和温度平衡之后，进行打开用于生产的井(60)，以确保将去除溶液(50)置换到歧管(20)，该歧管与井(60)相距一定距离，在该处其温度将为约62.5℃；
f.将去除溶液(50)定位在歧管(20)内。
因此，去除溶液可以在非常接近理想的温度下到达歧管(20)，并因此促进污垢的阳离子的络合反应。提高温度改变反应的动力学，最终以更有效的方式去除结垢，因此优化处理时间以及提高处理效率。该创新可以产生降低处理时间和钻机时间，这改进经济性(净现值)和油田的生产曲线，并因此提高井的生产能力。
将全部处理溶液(预冲洗、去除溶液(50)和过冲洗)直接注入井(60)中。与井流体(60)发生混合。然而，预冲洗是岩石的预冲洗，通过去除这些流体中的一些来起作用，允许与去除溶液(50)的更大的相互作用，以确保处理的有效性。过冲洗是置换溶液。
为了泵送污垢抑制剂的操作，全部生产系统(储层、柱、立管和生产管线)的预冲洗步骤之后将是用于清洁储层岩石的有机溶剂(通常为柴油、丁基乙二醇和二甲苯的混合物)，用所选产物处理以及用柴油过冲洗1。
该适应由以下组成：在过冲洗1之后泵送；第二次过冲洗，其将称为过冲洗2 (其对应于等于管柱的体积加上湿采油树(ANM) (30)到歧管(20)的管线的体积的总和的体积)；随后将污垢去除溶液(50)泵送到歧管(20)，将其完全注入储层岩石中以用于地球物理休眠。
在地热休眠完成之后，当用于从歧管(20)去除污垢的溶液(50)的温度与储层温度(40)平衡时，将关闭生产到歧管(20)的其它井，从此时起，将井中的一个对准以生产到歧管(20)中等于污垢清除剂加上过冲洗2加上歧管(20)的体积的体积，以便将去除溶液(50)定位在温度为约62.5℃的歧管(20)内，并且等待处理溶液冷却低于40℃以完成络合反应。
为了保持歧管(20)的操作条件(不结垢)，每次通过一些通过通过相同歧管(20)生产的一些井进行污垢抑制剂的注入时，可以重复该操作。
图5以示意性方式显示通过生产管线连接到歧管(20)的UEP (10)的布置，其进而通过生产管线和从UEP到井(60)的ANM (30)的连接的气体管线连接到油井(60)的ANM(30)。井(60)的生产通过从ANM (30)到歧管(20)的管线的1段(21)，以及从歧管(20)通过从生产管线到UEP (10)的歧管(20)的2段 (22)。在歧管(20)中，多于一个井，有时取决于生产开发项目，可能达到至多5口井。
在生产系统中，通过歧管(20)生产到UEP (10)的井具有结垢可能，在井(60)内的生产管柱(31)中将首先发生污垢形成，然后在生产管线1段(21)中，随后在歧管(20)中发生。
图6示意性地显示当管柱中发生结垢时，去除程序是将去除溶液(螯合剂) (50)通过气体管线(11)从UEP (10)泵送到ANM (30)，并从ANM到生产柱(31)，在生产柱中去除溶液(50)定位长达24小时的时间。在此期间之后，将井(60)对准并向UEP (10)打开，因此通过生产管线1段 (21)、歧管(20)和生产管线2段(22)生产到UEP (10)。
图7以示意性方式显示当在生产管柱(31)和或在生产歧管(20)中发生结垢时，去除程序是将去除溶液(50)通过气体管线(11)从UEP (10)泵送到ANM (30)，接着泵送到生产管柱(31)并到达储层(40)，在该储层中，去除溶液(50)定位足够的时间段以用于地热加热去除溶液(50) (作为岩石层内部的井(60)的深度的函数)。在此期间之后，将井(60)对准并对于UEP (10)打开，因此通过生产1段(21)、歧管(20)和生产管线2段 (22)生产到UEP(10)。
图8以示意性方式显示从生产管柱(31)的内部和或生产歧管(20)的内部去除污垢。去除程序是关闭ANM本身(30)的气体管线(11)的ANM (30)中的阀，打开井(60)以通过生产管柱(31)生产在储层(40)中的去除溶液(50)，其跟随生产管线1段(21)，直到填充歧管(20)。然后等待歧管(20)温度达到海底温度的稳定值所需的时间，将新体积的去除溶液(50)置换到歧管(20)中，并等待与海底温度稳定，再重复该操作两次，和或直到将储层(40)中的去除溶液(50)的全部体积完全生产到歧管(20)。
最后，如在图9中所见，在完成歧管(20)中的污垢去除步骤后，将井(60)对准并向UEP (10)打开，因此通过生产管线1段(21)、歧管(20)和通过生产管线2段(22)生产到UEP(10)。
使用了用于良好损伤去除CRT-24的处理的定尺寸。其由CENPES/PDEP/TEE污垢组在2007年8月制备。基于从硫酸钡的溶解效率和去除由钙和铁化合物在多孔介质中的溶解和再沉淀引起的损害的试验获得的结果进行定尺寸。
井生产的数据：
数据 井CRT-24
水流速(m³/d) 545-先前
生产区域(m) 15.03
损害去除操作的定尺寸
产品螯合剂-流体的体积/泵送流速
垫 体积(bbl)
预冲洗(柴油和丁基乙二醇的混合物) 100
处理(去除溶液) 300
过冲洗(置换流体是柴油或甚至水性流体) 置换，直到地层
关闭(h) (处理溶液在储层岩石中的停留时间) 5
泵送流速bbl/min 2.66
流体组成：
预冲洗-丁基乙二醇和柴油
处理-BAD 40% MA
过冲洗-柴油
污垢损害去除操作的定尺寸
产品螯合剂-流体的体积/泵送流速
垫 体积 (bbl)
预冲洗 100
处理 300
过冲洗 置换，直到地层
关闭(h) 12
Q泵送 bbl/min 2.66
流体组成：
预冲洗-丁基乙二醇、柴油和二甲苯
处理-螯合剂-Trilon PP3-PH=8.0
过冲洗-柴油。

Claims (12)

1.从海底歧管去除污垢的方法，其特征在于包括以下步骤：
a.从所述生产管柱(31)去除污垢；
b.在将全部处理溶液泵送到用于处理污垢的所述储层(40)中之后清洁所述生产管柱(31)；
c.将所述处理溶液定位在所述储层(40)中，在那里将污垢去除溶液(50)注入到储层(40)中；
d.使用所述储层(40)的地热加热来加热所述污垢去除溶液(50)；
e.在达到稳定和温度平衡之后，将所述去除溶液(50)置换到所述歧管；
f.将所述去除溶液(50)定位在所述歧管(20)内。
2.根据权利要求1所述的从海底歧管去除污垢的方法，其特征在于泵送所述污垢抑制剂以用来自生产管柱(31)的所述清洁步骤的有机溶剂预冲洗。
3.根据权利要求1所述的从海底歧管去除污垢的方法，其特征在于清洁所述生产管柱(31)的步骤已经用螯合剂和过冲洗处理。
4.根据权利要求1所述的从海底歧管去除污垢的方法，其特征在于在过冲洗1之后泵送所述过冲洗2 (其对应于等于所述生产管柱(3)的体积加上所述湿采油树(ANM) (30)到所述歧管(20)的管线的体积的总和的体积)。
5.根据权利要求1所述的从海底歧管去除污垢的方法，其特征在于使用柴油的过冲洗1和过冲洗2。
6.根据权利要求1所述的从海底歧管去除污垢的方法，其特征在于将所述污垢去除溶液(50)泵送到所述歧管(20)中。
7.根据权利要求1所述的从海底歧管去除污垢的方法，其特征在于将所述污垢去除溶液(50)完全泵送到所述储层岩石(40)中用于地热休眠。
8.根据权利要求7所述的从海底歧管去除污垢的方法，其特征在于等待所述去除溶液(50)到达与所述储层(40)的温度平衡。
9.根据权利要求1所述的从海底歧管去除污垢的方法，其特征在于关闭生产到所述歧管(20)的其它井。
10.根据权利要求1所述的从海底歧管去除污垢的方法，其特征在于关闭ANM本身(30)的气体管线(1)的AMN (30)中的阀，打开井(60)以通过连续通过生产管线1的一段 (21)的生产管柱(31)生产在所述储层(40)中的所述去除溶液(50)，直到填充所述歧管(20)。
11.根据权利要求10所述的从海底歧管去除污垢的方法，其特征在于对准井中的一个以生产到所述歧管(20)中所述污垢去除溶液(50)加上过冲洗2加上歧管(20)的体积的等体积，以将所述去除溶液(50)定位在温度为62.5℃的歧管(20)内。
12.根据权利要求10和11所述的从海底歧管去除污垢的方法，其特征在于等待所述温度降至低于40℃的值以完成所述络合反应，并且再重复该操作两次，和或直到通过所述歧管(20)生产在所述储层中的全部去除体积(50)。
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