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1、重庆科技学院本科生毕业设计 目录重庆科技学院毕业设计（论文） 题 目 川东北含硫气田的采出水结垢机理研究 院 （系） 石油与天然气工程学院 专业班级 石油应2008-02 学生姓名 袁彬 学号 2008540042 指导教师 曾顺鹏 职称 教授 评阅教师 职称 2012年 6 月 8 日学生毕业设计（论文）原创性声明 本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作
2、的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 毕业设计（论文）作者（签字）： 年 月 日摘 要气田采出水结垢是气田生产中常见的问题，严重影响生产的顺利进行。本文根据气田采出水结垢的研究成果，借鉴油气田水结垢的机理的研究方法。针对川东北气田含硫这一特殊现象，行归纳分析，总结影响川东北含硫气田采出水结垢的原因。结合川东北含硫气田生产数据资料，采用文献资料研究法和归纳分析法，首先对该气田采出水的化学特征进行了深入细致分析；然后提出了采出水在含硫情况下可能的结垢类型；同时对影响采出水结垢的内外因素也进行了分析。指出采出水高矿化度、高含菌率，且溶解有一定量的腐蚀性气体H2
3、S、CO2是导致管道结垢的主要原因；此外，压力、温度、温差、元素硫、pH值、流体的流速、材料的性质和表面状况等也会影响采出水结垢。例如，温度在2040左右适合硫酸盐还原菌生存，CaSO2H2O溶解度在50左右达到最大值。关键词：川东北 H2S 采出水 结垢机理ABSTRACT目 录摘要I 1前言1.1 选题的研究目的及意义采出水结垢在各大油气田开发过程中是一个普遍存在的问题。污垢沉积会减小管道截面从而降低大大降低污水集输效率，增大水流阻力和输送能量，严重时会引起堵塞；而且，结垢会引起设备和管道局部垢下腐蚀，为细菌的繁殖提供有利条件；同时，结垢还会使缓蚀剂与金属表面难以接触成膜，大大降低缓蚀剂效
4、果，加重设备和管道的腐蚀，甚至引起腐蚀穿孔，使管道报废，以致管道更换频繁；此外结垢严重还可能引发生产事故，严重影响到气田的正常生产秩序，大大降低气田的经济效益。特别是川东北高含硫酸性气田，采出水中含有各种矿物质和大量的杂质，使结垢变得更加容易，且生成的垢附着在管道不易清除。硫化氢溶于水后水中的矿物组成及含量将会发生变化，以致无法准确的检测出该地区采出水中的矿物离子组成及含量；并且在川东北含硫气田除了其他气田常见的水垢、腐蚀垢外，还存在该地区特有的硫化氢等含硫化合物引发的其他污垢。例如，元素硫及多硫化物沉淀结垢和硫酸还原菌是引起的生物垢、腐蚀垢等。此外，硫化氢溶于水后还会影响其他垢的形成及性质。
5、目前在川东北气田还未准确的找到结垢的机理及影响因素。本文针对川东北高含硫酸性气田生产过程中采出水结垢这一特殊情况，在前人的研究基础上分析了该气田可能的结垢类型及影响因素；除了分析天然气开采过程中采出水常见垢的形成外，还重点分析有硫化氢及元素硫存在的结垢过程。首次考虑了采出水中溶有硫化氢时对结垢的影响；以及硫化氢与其他影响因素对结垢的共同作用。这为以后川东北气田的防垢、除垢作业提供理论依据的同时，对减轻管道腐蚀，提高采出水的集输能力，提高气田的经济效益具有较大的理论意义。1.2 采出水组分分析现状1、2、3采出水绝大多数是来自地层中的游离水，要分析采出水中的矿物组分就先要搞清楚地层水的化学特征。
6、关云梅、王兰生等人研究分析川东北地区飞仙关组的地层水化学特征后指出，该地区SO42 含量最大值达15577mg /L，平均值为3765mg /L，水型为硫酸钠型、脱硫系数大于1、变异系数大于0.8。而陈丹在川东北地区元坝气田与普光气田长兴组气藏特征对比分析进一步指出川东北地区的普光气田长兴组pH 值为9,Cl-含量介于2613930005mg/L,HCO-3 含量介于13053084mg/L，Na+K+含量介于1570318813mg/L，Ca+ 含量介于6363807mg/L ,总矿化度介于5098251771mg/L ,水型为重碳酸钠型与氯化钙型。虽然这有这些专家学者对该地区地层水的研究，
7、但当地层水随着天然气采出后水中会溶有H2S、CO2等气体。使水中的矿物组分发生变化，所以至今无法准确地确定采出水的矿物组成。1.3 结垢研究现状在不同的地区不同的油气田采出水结垢机理、形成垢的类型不尽相同，目前国内外对气田采出水结垢的研究很多，各个石油大学及油气田研究所（院）都有这方面的研究。1.3.1 结垢理论模型国内学者杨传芳4描述了结垢诱导期的物理模型即：总有一个时刻，晶体因生长而彼此相连，覆盖整个表面形成初始的、极薄的结晶层，这时便达到了结垢诱导期的终点。李宏伟5在此基础上利用线性回归和作图法，分别得出了温度在85、100、115、130化学动力参数、热力学动力参数及有效界面张力。并应
8、用这些参数得出了相应温度的碳酸钙结垢诱导期及成核速率，晶核长大速率的计算公式。国外6在结垢模型方面，Mersmann对结晶器的结垢过程做了定性的描述，并提出了定量评价结垢的式子。后来Bohnet根据目前已知的结垢机理，提出了描述由沉积和结晶成垢过程的物理模型，即：1）引发感应、晶核生成和表面变化等内在因素的初始阶段。2）传送扩散、沉淀等输送阶段。3）沉积附着、粘结、生物增长、结晶生物和聚合物等附着阶段。4）脱落腐蚀、断裂和溶解等垢层被剥落得阶段。5）老化垢层内结构变化的时效阶段。1.3.2 结垢机理理论研究现状 目前关于气田结垢机理，国内外学者主要形成以下理论：水溶液(地层水、地表水、地层水和
9、回注污水)中是否包含有成垢离子，当离子反应平衡被打破时，这些成垢离子就会结合形成溶解度很小的盐类分子。微溶盐类的溶解度随温度、压力变化情况。微溶盐或难溶盐类在单一溶液中和混合溶液的过饱和程度的变化情况。结晶作用：在过饱和度水溶液中存在晶种，溶液中成垢组分在晶体间内聚力以及晶体与金属表面间的粘着力作用下析出晶体。研究微溶盐类的结晶过程表明，在没有杂质的单一盐类和碳酸钙或硫酸钙的过饱和溶液中，可以达到很高的过饱和程度而没有结晶析出。一旦结晶析出，晶体的晶格规则，排列整齐，晶体间的内聚力以及晶体与金属表面间的粘着力都很强，所以形成的垢层比较结实而且连续增长。沉降作用：水中悬浮粒子(如铁锈、砂地、泥渣
10、等)在沉降力和切力作用下，当沉降力大则容易结垢;水中悬浮的粒子，如铁锈、砂土、粘土、泥渣等将同时受到沉降力和切力的作用。沉降力促使粒子下沉，沉降力包括粒子本身的重力、表面对粒子的吸力和范德华力，以及因表面粗糙等引起的物理作用力等。剪应力也称为切力，是水流使粒子脱离表面的力。如果沉降力大，则粒子容易沉积；如果剪应力大于水垢和污泥本身的结合强度，则粒子被分散在水中。杂质的粘结作用或水垢析出时的共同沉淀作用都会增加粒子的沉降力而使粒子加速沉积。因此在水流动部位，被沉积的污泥和析出的结晶叠加在一起形成的垢层一般不会连续增长。但在水的滞流区，由于剪应力很小甚至接近于零，水垢和污泥则主要在这些区域积聚，在
11、滞流区积聚的水垢和污泥仅依靠化学剂是很难去除的。此外，水中微生物的生长和繁殖将会加速结晶和沉降作用。腐蚀会使金属表面变得很粗糙，粗糙的表面将催化结晶和沉降作用。较高的温度则往往会使某些已经沉积的污垢形态变得难于清除，例如一些碳酸氢化合物将变成硬壳状；沉积铁的氢氧化物也可脱水变硬和发生相转变。当水中含有油污或烃类有机物时，有机物的分解，氧化或聚合作用形成的产物往往具有粘结作用。流体动力学作用：主要是液流形态(层流、紊流)、流速及其分布。紊流使水质点相互碰撞，流速增加使液流搅合程度增大，沉淀晶体凝聚加剧，促使晶核快速形成。流速对油田结垢的影响目前有两种相反的研究结论：一种是以Hassan和Zaha
12、kis以及Muller-Stein Hagen和Branch等研究报道为代表的，认为流速提高能抑制结垢，这是由于流速提高，增大了流体结沉积物的切应力，从而加剧了垢质自表面脱除。而Ritter, Chernozubov等则发现，流速提高能够促进结垢生长，这是由于结垢过程中离子扩散阻力较大，或沉积物附着力很强而流体切应力相对较弱的结果。值得注意的是，在有关流速影响的一些研究报道中，研究者并未将温度控制恒定，由于流速提高，温度降低，结垢速率降低，但并不是单纯的流速变化所致。1.3.3 结垢影响因素采出水结垢既要受内在因素的影响，又要受外在因素的影响；并且结垢不仅仅是一种因素作用的结果，而是多种因素共
13、同作用的结果。王兵7,8提出了温度、压力、pH值、流动速度的影响。后来徐志坚9将水中的成垢离子浓度以及流动状态考虑了进来。而张金成在他的清官器清洗技术及应用中更加全面的考虑了结垢影响因素即：温度和温差；流体中溶解物质的浓度；饱和度随浓度的变化关系；材料的性质和表面状况；流体速度；垢层的厚度和剪切强度；界面应力和产生晶核的接触角；设备结构。此外，蒋伟10将这些因素归纳为热力学、结晶动力学、流体力学以及其他因素的影响。虽然这些研究者的研究成果为川东北含硫气田采出水结垢奠定了理论基础，但是迄今为止，还没专门针对东北含硫气田采出水结垢原因的研究，这是一个比较新的研究领域，还有许多问题需要展开研究。如：
14、 采出水分析。川东北气田采出水中的矿物离子成分及浓度是多少还没有定量的分析。水中是否含有元素硫?硫化氢在水中溶解了多少?它在水中的溶解会引起水中的矿物离子成分、含量怎样的变化?垢的组成。该气田成垢复杂，到目前垢的成分是什么?应该采取什么方法进行垢样分析?以及如何确定垢中各种分成的含量?目前，还没有准确的说法；结垢影响因素。采出水中的硫化氢是怎样影响结垢的?是否对其他垢的形成有影响?它的影响是促进了结垢还是减弱了结垢?1.4 川东北气田概况川东北气矿处于川东、大巴山及米仓山三个构造带的交接部位11 ，包括通南巴及宣汉达县两个地区。构造上通南巴及宣汉达县地区处于峰城盆地、大巴山前陆盆地及米仓山前陆盆地三个构造带的交接部位（图1）。图1 川东北地质及井位简图川东北气田具有以下特点：一是产层多、类型多。川东北地层具有沉积厚、多旋回的沉积特点，因此在钻探过程中从震旦系到侏罗系共发现了19个产气层，根据气田分布的区域不同，有的气田可多达七八个气藏。这些气藏主要为多裂缝系统，增加了气田的开发难度。二是储层多具低渗、低孔和裂缝性。四川盆地已发现的储集层大多是低孔、
