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1、油田防垢技术简介闫方平一、油田结垢现状调研及原因分析 目前，我国大部分油田采用了注水补充能量的开发方式，油田注入水通常有三种：一是清水，即油区浅层地下水；二是污水，即与原油同时采出的地层水，经处理后可回注到油层；第三种是海 水；也有将不同水混合注入的。国外一些油田如North Sea oilfield普遍采用注海水的方法。随着注 入水向油井推进，使油井含水率不断升高，最终导致油井近井地带、采油井井筒、井下设备、地面 管线及设备出现严重的结垢现象；此外，当系统的温度、压力和 pH 值等发生变化时，地下储层、 射孔孔眼、井筒、井下泵、地面油气集输设备管线内也会形成结垢；同时，如果采用回注污水的开
2、发方式，还可能导致注水泵、注水管线及注水井底结垢。结垢物主要为钡、锶、镁、钙的硫酸盐或 碳酸盐，同时由于co2、h2s和水中溶解氧的存在，还可能生成各种铁化合物，如碳酸铁、三氧化 二铁、硫化铁等。结垢通常造成生产管线或设备堵塞，增加修井作业次数，缩短修井作业周期；同时，结垢还易 造成油层堵塞、产液量下降和能源浪费，阻碍了原油的正常生产，严重时还会造成抽油杆拉断，油 井关井，甚至报废，造成很大的经济损失。国内外大量油田清、防垢实践表明，根据油田实际情况，对油田水结垢、防垢的机理进行系统 研究，进而采取相应的防治措施可以减轻或消除结垢对油田生产的不利影响。1、油田结垢现场调研 一般来讲，对一个油田
3、结垢问题的研究总是始于现场调研，目前国内外已有很多结垢现场调研 方面的报道。其中，国外以前苏联、国内以长庆油田的研究最为系统全面。总体来看，现场调研内 容主要包括结垢形成的位置、垢物的成分、结垢成因的初步研究和结垢对生产的影响等，调研手段 主要有观察描述、统计分析、垢物的分析鉴定等，有的油田甚至为研究油层内结垢而专门钻了检查 井。从大量的现场调研成果来看，主要得到以下认识：(1) 在地下储层、井筒、地面油气集输设备管线以及地面注水设备管线内均可能产生结垢，结 垢可能发生在各种采油井(自喷井、抽油井或气举井)中，但最多的是抽油井。(2) 结垢易于出现的位置有近井底地带、套管、油管、抽油杆、电潜泵
4、、井下设备、原油收集 和处理系统等。(3) 油层内结垢主要出现在近井地带。(4) 结垢沉淀物，总体上看成分很复杂，其中既含有矿物的成分，同时也含有有机物的成分， 有机杂质(以烃类为主)的含量最多不超过 25；根据西伯利亚石油科学研究所对萨莫特洛尔、梅吉 翁、特列霍泽尔、玛尔蒂米亚捷捷列夫、乌斯奇巴雷克及西苏尔古标等油田结垢沉积物的研究 结果表明：出现最频繁的是碳酸钙，可达60-90，碳酸钙镁和碳酸铁比较少；在某些情况下还可 以见到 20的岩盐，5-25的石膏；有时沉淀物基本上全部由重晶石构成；在盐类的沉淀物中还 会遇到由钙和镁的碳酸盐所胶结的硅石及由钙的碳酸盐所胶结的腐蚀产物。2、结垢原因分析
5、关于油田结垢的原因，人们已进行了多方探索，形成了许多共识：(1) 自然界的水都含有杂质，当条件合适时，与水接触的油气管道表面、地层喉道处容易结垢。(2) 水中通常发生沉淀反应，如果将两种以上的不同水混合注入地层或在地层中混合，就有可 能在注水井或生产井中出现结垢而堵塞。(3) 在地层压力、温度及盐度合适的条件下，一些矿物溶解于水中达到最大质量浓度，当水通 过地层并随同油气进入井筒时，由于温度和压力下降，使所含溶解固体的平衡条件发生变化，水中 溶解矿物的能力下降，形成过饱和现象，导致沉淀而生成水垢。(4) 同时开采几个地层的原油时，采出的水在化学性质上互不相溶，产生相互反应而在通道内 生成水垢。
6、(5) 采出的油和气中大多含水(称为伴生水)，其中混有盐类、CO2和H2S(又称淡卤水)，经分离 油气后的伴生水仍然含有少量的油，因而在这些油气和水的传输过程中容易生水垢和油垢。(6) 在某些有缺陷的管段及管段的拐弯处，油气的流线、流速、压力及密度都出现突然变化， 容易结垢聚集而堵塞通道。(7) 在油气作业中，井下温度和压力时常变化，水质也经常改变，由于有这种“水冲击”，加之 油井投产流速及生产压差的控制不当，或者是热力学条件变化，固液界面的压力场吸附及微生物出 现等，都会在油井或地层内产生结垢或结盐沉淀。将以上共识上升到理论，即油田结垢机理：流体不配伍理论；油井投产流速及生产压差 过大论；
7、热力学条件变化理论； 固液界面压力场吸附理论； 地层微生物活动理论。就注水开发油田而言，注水井-注水地层-生产井的不同地带，结垢形成的诱因不同，可能出 现的结垢类型也不同。注入水在注水井井筒流动时，虽没有不相容水的混合作用，但随深度增加， 温度、压力亦相应升高，温度的不断升高可能导致碳酸钙和硫酸钙垢的形成，但压力的增加同时又 减弱了碳酸钙和硫酸钙结垢的趋势；注入水进入油层后，由于热扩散、水动力扩散及岩石非均质导 致的分散作用，在注水井近井地带油层中产生一个热过渡带和油层内部某处形成一个水混合带，随 注水的不断进行，水混合带向生产井方向推进，热过渡带注入水温度的不断升高可能导致碳酸钙和 硫酸钙垢
8、的形成；注水油层内部压力的缓慢降低及水的混合作用可能导致碳酸钙垢形成；注水油层 内部水的混合作用可能导致硫酸盐垢的形成；生产井近井地带和生产井井筒温度变化不大，但压力 大幅度降低，可能导致碳酸钙和硫酸钙垢的形成。二、油田无机结垢趋势预测结垢趋势预测是研究油田无机结垢问题的重要手段。目前，国内外提出的结垢趋势预测方法主 要有三种：其一为静态实验预测法，其二为简单化学计算预测法，其三为计算机预测法。 1、静态实验预测法模拟地层温度、压力及水的化学组成进行静态实验，通过测定成垢离子的质量浓度变化来判断 结垢类型和计算沉淀量。静态实验方法预测结垢趋势有两大弊端：其一，实验需要特殊的设备，工作量大，难以
9、进行大 量水样预测；其二，无法模拟地层水在地下时的pH值和溶解C02,所以不适合预测地层内和生产 井中的碳酸钙结垢趋势。2、简单化学计算预测法以化学平衡理论及有关平衡常数和溶解度测定数据为基础，建立简单的计算公式来预测结垢趋 势。为实现简单计算的目的，计算公式中常忽略某些因素的影响。常见的化学计算方法有：朗格利尔(Langelier)饱和指数法，斯蒂夫-戴维斯(Stiff-Davis)饱 和指数法，斯克尔曼(Skillman)热力学溶解度法。简单化学计算预测方法多是 60 年代之前提出的，虽使用方便，但预测结果准确度较低，且只 能给出是否结垢的判定，不能给出结垢量。因此，该方法只适合做结垢可能
10、性的初步判断，不适合 做结垢趋势的准确预测。目前，国内外已很少应用这种方法进行油田结垢的预测。3、计算机预测法根据化学平衡原理及大量有关平衡常数和溶解度测定数据建立综合考虑各种影响因素的数学 模型，在计算机上实现复杂的数值计算来预测结垢趋势。计算机预测方法完全克服了静态实验预测 法和简单化学计算预测法的缺点，目前为国内外广泛采用。计算机预测法的核心是预测模型，八十年代在简单化学计算预测方法的基础上，分别针对碳酸 钙结垢和硫酸盐结垢提出了改进的预测模型，模型综合考虑了多种影响因素；九十年代，发展了更 完善的预测模型，模型不但能预测硫酸盐结垢，也能预测碳酸钙结垢；近期建立了综合热力学、动 力学、流
11、体动力学因素的预测模型，以及包括油、气、水三相PVT特征、三相流量、CO2质量浓 度及其在油气水中的分配等因素的碳酸钙预测模型。在预测模型研究的基础上，国外八十年代开始相继开发了多种预测软件，国内的预测软件开发 始于九十年代初期。九十年代初，长庆油田与山东大学合作最早推出了硫酸盐结垢预测软件 SDCQPC； 1996年西北大学开发出了碳酸钙结垢预测软件OFCCSTP，1997年又在OFCCSTP的基 础上开发了综合预测硫酸盐和碳酸盐结垢的预测软件 OFISTP，目前已发展形成了较为完善的 OFISTP3.0。OFISTP3.0是国内比较成熟的能预测各种油田无机结垢趋势的实用软件，软件预测模型依
12、据充 分，数值计算科学可靠，计算流程科学合理，模块设计充分考虑了油田结垢的形成机理，界面友好， 操作简便，预测结果准确可靠。在国内几个油田的应用结果表明，软件预测结果与油田实际结垢情 况比较吻合。目前，国内外开发的结垢预测软件大多数都是应用仅考虑了各种热力学影响因素的预测模型， 模型中基本没有考虑结晶动力学和流体动力学因素的影响。因此，结垢预测研究的发展趋势是加强 基础研究，建立综合考虑各种热力学、结晶动力学和流体动力学影响因素的预测模型。最近，Read Well Services公司和帝国理工大学（I mperial College）在大量动力学因素研究的基础上，开发出综 合考虑了各种热力学
13、和动力学因素的结垢预测软件。对北海油田一口采油井进行预测试验，结果非 常理想。三、油田防垢技术概述国内外经过大量的室内及现场试验，获得了多种有效的油田结垢综合治理技术，可分为物理法 防垢技术、化学法防垢技术和工艺法防垢技术，不同方法的防垢机理及应用如下：超声波处理：间接处理流体，可明显降低结垢速度；超声波频率振荡，促使微晶分散而难于长 大沉淀，应用前景广阔。磁处理：用永久磁铁和电磁铁设备防垢，外加强磁场可影响水中离子间吸引力，改变无机盐结 晶，用于含盐量3000 mg/L 的水溶液。加酸或注CO2:加盐酸等使pH值在6.5-7.2，防止碱性垢；但加酸量不易控制，过多会造成腐 蚀，高温系统中注C
14、O2会产生碳酸钙垢。加防垢剂：防垢剂可通过反应+络合（螯合）作用与成垢阳离子生成稳定的水溶性环状结构而 防垢；也可通过吸附作用使其结垢晶格发生畸变或通过静电排斥阻止垢的沉积而起到防垢目的，对 钡锶垢和钙垢均有效。工艺法防垢：选择与地层水配伍的注入水，选择性封堵生产井中地层产出水。控制油气井投产 流速，使井中油水混合液形成紊流状态，减小成垢离子沉淀机率。1、物理法防垢 物理法防垢是通过某种作用阻止无机盐沉积于系统壁上，同时允许无机盐在溶液中形成晶核 甚至结晶，但要求这种结晶悬浮于溶液中而不粘附于系统壁上。常用的方法主要有使用超声波防 垢技术和磁防垢技术。（ 1）超声波防垢技术超声波即频率大于20
15、 kHz 的声波, 是一种具有很多功能的机械波, 其优点在于传播的方向性 好, 穿透力强，在固体、液体中传播时衰减小，因此广泛用于固体及液体介质中。在功率超声技术 方面，超声波除垢防垢用途很广泛，主要是利用强声场、低频超声波处理流体，破坏成垢条件，并 且能使流体中成垢物质在超声场的作用下，物理形态和化学性发生一系列变化，使之分散、粉碎、 松散、松脱，而不易附着管壁、器壁形成积垢。超声波防垢主要是对溶液结晶过程的影响，当超声波声场强度达到一定时，液体介质随超声波 振动拉伸挤压形成的微细泡爆炸现象加剧，产生高温、高压的冲击波能量，将液体介质中的垢微粒 粉碎、细化, 改变垢微粒形体，使垢微粒团间的亲
16、合力降低。上述过程就是声学中的超声空化效应, 通过超声波辐射声场的垢微粒粉碎、细化, 降低了垢微粒间的亲和力并改变其形体, 阻碍了垢晶体 在容器上的板结。同时由于空化作用打破了电离平衡，增大电离度，使离子数目增多，可以反映出 液体电导率的提高。由于使用的横波在震荡传播过程中对金属表面产生交变剪切力，垢在疲劳状态 下附着力降低，会产生疏松、脱落现象。 超声波的空化作用当超声波作用于流体时，流体内产生空穴和气泡，当其破裂时，在一定范围内产生强大的压力峰，加速Ca2 +、Mg2 +的析出，并且能够将已析出的碳酸盐垢及颗粒杂质击成细小颗粒悬浮于流 体介质中，从而起到防垢效果 。 超声波的机械作用一方面，超声波在介质中传播时会使周围介质作剧烈的受迫振动，由于垢层与器壁的固有振动 频率不同，当超声波振荡器发生的振荡信号使附着在器壁的垢层发生共振时，垢物将逐步脱离
