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1、目 录1 绪 论31.1 油田结垢概论31.1.1油田生产系统的结垢问题概述31.1.2油田可能发生结垢的地方31.1.3油田结垢的危害31.2 注水井结垢概述41.2.1注水井结垢问题概述41.2.2注水井结垢危害及实例研究42 注水井结垢机理研究62.1 结垢机理理论研究现状62.2 油田结垢影响因素92.3 注水井结垢机理及影响因素112.3.1碳酸盐结垢机理及影响因素122.3.2硫酸盐结垢机理及影响因素122.3.3其他沉积物结垢143 控垢除垢方法研究153.1 油田结垢一般控制方法153.1.1物理条件控制法153.1.2从水中除去成垢物质153.1.3避免不相容的水混合163.
2、1.4除垢剂控制法163.2 物理防垢技术163.2.1物理法防垢机理分析163.2.2物理法防垢技术173.3 化学防垢技术183.3.1化学防垢机理分析183.3.2化学法防垢技术194 注水井结垢预测方法研究204.1结垢趋势预测模型204.1.1推荐方法Oddo-Tomson饱和指数法204.1.2其他方法214.2 用Oddo-Tomson饱和指数法预测硫酸盐和碳酸盐结垢224.2.1硫酸盐垢的饱和指数方程234.2.2如何预测硫酸盐结垢254.2.3碳酸盐垢的饱和指数方程264.2.4如何预测碳酸盐结垢275 注水井结垢预测计算机程序设计285.1 程序设计工具285.2 用Odd
3、o-Tomson饱和指数法预测注水井碳酸盐结垢计算机程序285.2.1程序代码285.2.2程序界面305.2.3实例运算305.3 用Oddo-Tomson饱和指数法预测注水井硫酸盐结垢计算机程序325.3.1程序代码325.3.2程序界面345.3.3实例运算346 结论与建议356.1 主要结论356.2 对今后工作地建议36致 谢38参考文献391 绪 论1.1 油田结垢概论1.1.1油田生产系统的结垢问题概述在油气田生产过程中，油、气、水和泥浆是都需要经过底层或管道运输的流体，当诸如温度、压力、酸碱度等条件发生变化时，在底层通道或传输设备中都有可能产生油垢、水垢或泥垢。在油、气和泥浆
4、中，或多或少含有水，特别是油气田开发后期的增产注水过程中含水量越来越多。含水量的增加以及压力、温度等条件的变化，或者液体与液体、液体与固体及注入水与地层水的不配伍，这些因素常使油田产生无机垢。大量的无机垢产生给油田的正常生产带来巨大危害。1.1.2油田可能发生结垢的地方研究表明只要有油、气、水和泥浆流过的地方都可能结垢。从油气田勘探开发的整个过程和地层结构来看，这些地方包括：油、气、水储集层的空隙间、裂缝间及岩缝间；井下泵体内，井下钻具内，井筒、套管、抽油杆等，井下钻采设备的流体传输通道周围的地层喉道处；油井、注水井井口集输管汇，油气水分离设备、地面油气传输管线，油气集输管线，储运设备注水系统
5、管线；水套炉，加热炉盘管和热水伴随管线及多井计量装置等。当结垢条件（物理、化学、热力学和流体力学）成熟时，这种可能就成为现实。最易结垢的地方也是最易发生垢堵、卡死和最易腐蚀、损坏设备的地方。人们普遍认为，流体通道（如地层空隙，井筒输油管线和各种流体导管等）的截面大小、形状和内表形态以及特殊地段与是否结垢的严重程度有直接的关系。因此，依据垢的形成机理不难判断易结垢的地方，是那些截面的突然变化、形状突然改变、内表粗糙、地层裂缝处、管道拐弯处等。1.1.3油田结垢的危害 在长期的生产作业实践中，发现结垢的危害主要反映在两个方面，一是对通道的影响；二是对管道的腐蚀。具体表现在如下几个方面。(1)与水接
6、触的设备管道内表面结垢后，往往还有粘泥附着管道内表面，可能造成不同程度的堵塞和管道腐蚀。(2)结垢往往使管线的截面积变小，设备的处理能力降低，必然增加输液能力或处理费用，这样既出现减产，又增加成本。(3)地下岩层和油气通道也会产生水垢和污染物堵塞的麻烦，造成成本上升，甚至使油气井停产，造成较大的经济损失。(4)注水系统发生水垢堵塞问题时，垢物和污染物、盐类、氧化铁等粘结在一起，造成注水压力上升，流量下降，增加能耗并降低生产能力。(5)在气田使用电潜泵排水采气时，垢会使泵效率下降，增加维修时间和生产成本。(6)水套炉中结垢后不仅降低热效率，浪费能源，而且直接影响正常生产甚至停产。(7)化学结构经
7、常造成生产损失或油、气井的报废，沉积物会堵塞井眼、油管、阀门，井下泵也会发生堵塞，地面管线及设备的运转受到限制。(8)最为严重的是，当垢物堵塞和腐蚀管道时，压力增加可能出现管道爆裂现象，造成不良后果。1.2 注水井结垢概述1.2.1注水井结垢问题概述 通过第一节内容的分析我们知道在油气田生产中结垢现象是普遍存在的，是凡和流体接触的生产设备或地层在一定的条件下都有结垢的可能性。结垢的部位广泛且危害性很大。本文主要针对注水井的结垢实际情况，对油田注水井结垢的成因、机理、除垢方法及预测模型进行全面的分析和研究。 注水井是用来向油层注水的井。在油田开发过程中，通过专门的注水井将水注入油藏，保持或恢复油
8、层压力，使油藏有较强的驱动力，以提高油藏的开采速度和采收率。由于注水井直接和流体解除因此它也是油田生产过程中最容易产生垢的地方。注水井结垢的机理很复杂，受很多因素影响，本文将在以后的章节中具体介绍。1.2.2注水井结垢危害及实例研究结垢会给注水带来严重的危害，降低注水系统效率,增加修井次数，腐蚀注水管线，堵塞油层,使注水压力不断上升, 损坏注水设备, 缩短油水井的免修期, 严重的造成油水井报废。以下是几个由于注水井结垢而给油田生产造成危害的典型例子。大庆榆树林油田注入水中钙离子和碳酸氢根离子浓度较高，在注入水过程中，随着注入水由地面进入地层，温度及流速均发生改变，导致注水系统结垢现象非常严重。
9、根据现场作业测量，油管平均年结垢达3.68mm厚，结垢导致的地层堵塞使注水井吸水能力下降，严重影响该油田的开发效果。该油田从1992年注水开发到1994年6月，注水井油管内壁结垢厚度高达9.2mm。朝阳沟油田因结垢平均年检泵270井次，占平均年检泵井次的四分之一。由于注入水水质与储层流体不配伍而造成的注水井堵塞，使得渤海油田部分老区进入生产中后期，注水井吸水能力逐渐变差，注入压力越来越高，而地层能量得不到及时补充，给油田生产带来不利影响。同时由于海上油田采油强度较大（平均单井日采油量100m3左右），地层亏空较严重，注水井日注入强度较大(平均单井日注入量400m3左右)，注水井堵塞问题对油田生
10、产的影响就更为显著。华池油田自1997年正式投入大面积注水开发以来，华152区的结垢问题越来越严重，据现场调查，结垢主要分为地层结垢和注入系统结垢。结垢导致地层产能下降，井泵垢卡、断脱频繁、检泵周期缩短，集输受阻，从而使现场管理难度加大，停产维修、清理管线费用加大，员工劳动强度加大，严重影响生产。目前结垢已成为影响该油田正常生产的主要问题。胜利油田现河低渗油区属高压低渗稀油砂岩油藏，低渗透油田本身就难注水，而注水井中由于温度、压力、离子组成等条件的改变又经常会形成水垢。结垢又会降低注水效率，造成堵塞，给生产带来极大危害。通过上述注水井结垢实例我们可以得出结论，注水井结垢会给油田的实际生产带来相
11、当大的影响，因此研究注水井结垢问题有其实际意义和实用价值，这也是本文撰写的初衷。2 注水井结垢机理研究2.1 结垢机理理论研究现状油田结垢大体可分为两种情况：(1)温度、压力等热力学条件改变，导致水中离子平衡状态改变，成垢组分溶解度降低而析出结晶沉淀。(2)离子组成不相溶水相混合产生沉淀。油田水垢的形成过程可简略表示如下：水溶液溶解度一过饱和度一晶体析出晶体长大一结垢。对于垢形成过程，溶液过饱和状态、结晶的沉淀与溶解、与表面的接触时间等是关键因素。其中过饱和度是结垢的首要条件。微溶盐类的过饱和度与溶解度相关外，还受热力学、(结晶)动力学、流体动力学等多种因素影响。将以上共识上升到理论，从而形成
12、目前关于油气田结垢机理，国内外学者主要形成以下理论：(1)水溶液(地层水、地表水、地层水和回注污水)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。(2)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。(3)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
13、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。如碳酸钙是具有离子晶格的盐，Ca2+离子上带部份正电荷；CO32-离子带部份负电荷，只有当碳酸钙晶体带部份正电荷Ca2+离子和另一个碳酸钙晶体带部份负电荷CO32-离子碰撞，才能彼此结合，因此碳酸钙是按一定的方向，具有严格次序排列的硬垢。然而，在油田水中，水垢的形成过程往往是一个混合结晶过程。水中的悬浮粒子可以成为晶种，粗糙的表面或其它杂质离子都能强烈地催化结晶过程，使得溶液在较低的过饱和度下就会析出结晶。悬浮粒子和析出的晶体共同沉淀，使晶格中含有一定数量的杂质。此外，油田水中往往有几种盐类同时结晶，形成的晶体群的晶格排列将是无规则和
14、不整齐的，在晶格中间会出现很多空隙，悬浮物质会在空隙内沉积。这些因素都将导致垢层内聚力下降，混合结晶形成的垢层比较疏松，对水的流速变化和阻垢处理都比较敏感，垢层达到一定厚度就不再增长。(4)沉降作用：水中悬浮粒子(如铁锈、砂地、泥渣等)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
15、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。(5)流体动力学因素：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Zahakis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
