油井結垢機理及防垢劑篩選實驗

廖鑫海

長慶油田采油三廠

油井結垢機理及防垢劑篩選實驗

廖鑫海

長慶油田采油三廠

防垢有很多種方法，大致可以分為物理法和化學法。物理法是采用儀器設備抑制結垢形成；化學法是采用某些物質阻止結垢的形成。油井采出水與油井注入水進行混合后，加入質量濃度為20 mg/L的防垢劑，在高溫常壓條件下測定防垢劑的防垢率。從測定結果可以看出，實驗選取的11種防垢劑的防垢率均超過了50%，其中PAPEMP的防垢率最高，達到84.38%，其次是防垢率為81.32%的POCA，而HPMA的防垢率最低，只有57.02%。綜合考慮防垢劑篩選結果得出最佳防垢劑是POCA。

結垢；防垢劑；配伍性；鈣容忍度；篩選

防垢劑的配備和成分組成等具有許多種方式，只有選取最佳防垢劑才能達到最好的防垢效果[1-2]。因此，對防垢劑進行篩選分析，選擇出成本最低、防垢率高的防垢劑，可以減少油田生產過程中的結垢問題。

1 結垢機理

垢物是在一定的條件下由水、二氧化碳和其他離子物質結晶形成析出的固體物質，通常是溶解度比較小的無機鹽物質，最常見的形成結垢的物質是碳酸鈣、硫酸鈣、鐵化合物和硅鋁鹽等[3]。

（1）硅鋁垢的形成機理。硅鋁垢的產生是一個非常復雜的物理化學變化過程，與油井所在地質條件和巖石層物質組成有關。隨著油井地下水pH值的升高，油井巖層中的二氧化鋁、二氧化硅、鋁化合物被大量溶解形成離子物質，與此時存在的Ca2+、Mg2+、Ba2+等金屬離子進行反應并結合，從而析出固體物質變成垢。

（2）鐵垢的形成機理。油井結垢物質中鐵成分較多。鐵垢的形成有多種機理，大部分由油井管道、鐵質設備腐蝕形成，主要包含以下3個方面：①硫酸鹽還原菌的腐蝕形成鐵垢物，在有硫酸鹽還原菌的條件下造成管壁腐蝕；②二氧化碳腐蝕與鐵發生反應產生鐵垢，二氧化碳溶于水形成碳酸，發生電離造成腐蝕；③硫化氫的腐蝕，硫化氫溶于水就可以直接導致管道設備的腐蝕。

（3）碳酸鈣垢的形成機理。碳酸鈣在水中發生反應：Ca（HCO3）2→CaCO3↓+CO2+H2O，溫度升高上述反應發生，從而產生碳酸鈣垢。

2 防垢方法及防垢劑篩選

油井結垢后對油田生產造成重大損失和影響，需要采取有效措施進行防垢。防垢有很多種方法，大致可以分為物理法和化學法[4]。物理法是采用儀器設備抑制結垢形成；化學法是采用某些物質阻止結垢的形成。具體防垢方法如表1所示。

表1 油井防垢技術方法及原理

3 防垢劑篩選實驗

3.1 實驗準備

防垢劑篩選實驗設備包括電子天平、數顯恒溫水浴鍋、電熱鼓風干燥箱、X線衍射儀等。選取某油田1號和2號油井采出水、回注污水、水站清水等作為實驗用水樣，防垢劑從當前常用的有機膦酸類、有機羧酸聚合物、綠色環保類等3類中進行選擇，如表2所示。

表2 實驗選用的防垢劑

3.2 實驗方法及原理

（1）水質和配伍性分析。按照一定的比例要求將選取的油井采出水與污水、清水混合，將得到的混合水溶液注入錐形瓶中再加橡皮塞密封保存，并放置到80℃的恒溫水浴鍋中進行36 h沉淀；然后測定混合水的失鈣率，由此分析該油田采出水和注入水的配伍性，再測定Ca2+濃度，失鈣率=（M1-M2）/M1×100%。式中M1、M2分別是靜止前、后溶液中Ca2+的濃度（mg/L）。

（2）防垢劑鈣容忍性分析。將實驗水質配伍性分析后得到的垢樣放置于烤箱中進行干燥，再用XRD對垢樣成分進行分析。進行防垢劑篩選時，一般測定溶液鈣容忍度來對防垢劑進行評價。分別將質量濃度為1 000 mg/L的防垢劑10 mL裝入不同的錐形瓶中，向其中滴加鈣離子溶液（Ca2+濃度為48.5 g/L），將pH=10的氨水氯化氨混合液稀釋至20 mL；然后在40℃下加熱30 min，在出現混濁時加入鈣離子溶液，體積為V（mL），鈣容忍度= V×ρ（Ca2+）。

（3）高溫常壓下靜態防垢劑篩選。將11種防垢劑溶液加入已配置好的水溶液中，在80℃恒溫條件下放置24 h，然后快速進行過濾操作；測定實驗前后溶液中的鈣離子濃度，按照防垢率=（M2-M1）/（M0-M1）×100%公式計算。式中M1、M2分別為溶液中加入防垢劑實驗前、后鈣離子濃度，M0為原來水溶液中鈣離子濃度。

3.3 實驗結果分析

（1）水質分析和配伍性實驗結果。由水質的成分分析可以得出，實驗溶液中含有大量的Ca2+、HCO3-、SO42-，根據相關標準分析可知，該油井溶液具備結垢的條件，垢質為碳酸鈣和硫酸鈣。在60℃條件下進行實驗，從1號井的采出水與污水、2號井的采出水與污水、2號井的采出水與清水按照4∶1比例混合液的失鈣率計算結果可以看出，無論何種配伍都具備明顯的結垢趨勢。

（2）鈣容忍度實驗結果。采取上述防垢劑鈣容忍度計算方法對實驗結果進行分析，得出選取的11種防垢劑鈣容忍度。從結果可以看出，PAPEMP、POCA、HPMA 3種防垢劑具有較好的鈣容忍性，遠遠比其他防垢劑好；EDTMP比PASP稍微差一些；而剩下的ATMP、HEDP、PESA、PAA、PBTCA幾種防垢劑的鈣容忍性最差，不適合用于高鈣水質的油井設備防垢。

（3）高溫常壓下防垢劑篩選實驗結果。油井采出水與油井注入水進行混合后，加入質量濃度為20 mg/L的防垢劑，在高溫常壓條件下測定防垢劑的防垢率，測定結果如圖1所示。由圖1可以看出，實驗選取的11種防垢劑的防垢率均超過了50%，其中PAPEMP的防垢率最高，達到84.38%，其次是防垢率為81.32%的POCA，而HPMA的防垢率最低，只有57.02%。但是由于防垢率的使用還需要考慮成本問題，PAPEMP的價格十分昂貴，雖然防垢效果最好，但是成本難以承受；POCA的防垢率效果較好且滿足需要，而且價格較為低廉。因此，綜合考慮防垢劑篩選結果得出最佳防垢劑是POCA。

圖1 按防垢率篩選防垢劑結果

4 結語

（1）總結得出了油井結垢包括硅鋁垢、鐵垢、碳酸鈣垢3種主要垢物，本文選取最常見的碳酸鈣垢進行防垢劑篩選實驗。

（2）根據油井結垢原理提出了物理防垢法和化學防垢法2種防垢方法，對超聲波技術、磁處理技術、注酸或二氧化碳氣體、加入防垢劑4種防垢技術方法進行了介紹，認為防垢劑是最經濟實惠、效果最佳的防垢技術方法。

（3）選擇11種防垢劑進行篩選實驗，根據失鈣率分析油井水的成分和結垢情況，采用鈣容忍率分析了實驗水樣的自身防垢情況。根據防垢率實驗結果得出各種防垢劑的防垢效果并且篩選出最佳防垢劑。

[1]陳遠清．油井結垢機理研究與防治[J]．內蒙古石油化工，2009（12）：18-22.

[2]汪小君．貝中油田油井結垢預測與防垢劑的篩選[J]．油氣田地面工程，2012，31（11）：31-33.

[3]田楠，劉暉，楊秘，等．CFD油田防垢劑的篩選與性能評價[J]．應用化工，2013，42（11）：2 124-2 130.

[4]徐素鵬，李亞靜，黃翼，等．油田采油阻垢劑篩選研究[J]．新鄉學院學報，2012，29（6）：506-510.

（欄目主持 楊 軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.8.018