華北油田油井腐蝕結(jié)垢原因分析與治理方法優(yōu)選

吳澤美， 孫玉民，馬偉娜

(中石油華北油田分公司第五采油廠，河北 辛集 052360)

卜廣平

(中石油長慶油田分公司第六采油廠，陜西 定邊 718600)

劉倩

(中石油華北油田分公司第三采油廠，河北 河間 062450)

李明

(中石油煤層氣有限責任公司韓城分公司，陜西 韓城 715400)

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華北油田油井腐蝕結(jié)垢原因分析與治理方法優(yōu)選

吳澤美， 孫玉民，馬偉娜

(中石油華北油田分公司第五采油廠，河北 辛集 052360)

卜廣平

(中石油長慶油田分公司第六采油廠，陜西 定邊 718600)

劉倩

(中石油華北油田分公司第三采油廠，河北 河間 062450)

李明

(中石油煤層氣有限責任公司韓城分公司，陜西 韓城 715400)

油田進入高含水開發(fā)期，抽油桿、油管腐蝕結(jié)垢問題日益嚴重，影響油田的正常生產(chǎn)。分析了腐蝕結(jié)垢的原因,對油井腐蝕結(jié)垢治理方法進行了優(yōu)選。采出水礦化度高是腐蝕結(jié)垢的共性原因，主要腐蝕因素包括Cl-、CO2、H2S、SRB(硫酸鹽還原菌)等，主要結(jié)垢因素是鈣鎂鹽及鐵腐蝕產(chǎn)物的沉淀。化學加藥抑制腐蝕結(jié)垢是相對經(jīng)濟有效的治理方式，咪唑啉類表面活性劑對抑制Cl-、CO2、H2S腐蝕有良好效果，有機膦酸通過鰲合成垢金屬離子，起到阻垢作用。通過室內(nèi)試驗篩選配方，緩蝕率≥75%，阻垢率≥85%。現(xiàn)場采用井口加藥的方式，在65口油井進行了5年的連續(xù)試驗，有效遏制了腐蝕結(jié)垢，油井檢泵周期延長2～3倍，取得良好經(jīng)濟效益。

油井；腐蝕結(jié)垢；緩蝕率；阻垢率；檢泵周期

在油田開發(fā)中后期，隨含水升高，油井腐蝕結(jié)垢問題日益突出。華北油田J45、J95 、Z57、H8等區(qū)塊，部分油井產(chǎn)出水在50℃時腐蝕率在0.125～0.320mm/a，桿管斷脫、穿孔頻繁，平均檢泵周期不到150d。腐蝕結(jié)垢導致的修井作業(yè)不僅增加了生產(chǎn)成本，也影響了油井的開井時率。為此，筆者對華北油田油井腐蝕結(jié)垢的成因及治理方法進行了研究。

1　腐蝕結(jié)垢原因分析

腐蝕結(jié)垢區(qū)塊綜合含水都在70%以上，產(chǎn)出水礦化度高，表1中列出的6口嚴重腐蝕結(jié)垢油井的采出水礦化度在10000～45000mg/L，導電性強，這是腐蝕結(jié)垢的共性原因，油井的腐蝕介質(zhì)包括Cl-、CO2、H2S及硫酸鹽還原菌(SRB)等，結(jié)垢因素主要是鈣鎂鹽和鐵腐蝕產(chǎn)物的沉積，其他一些物理條件如井筒溫度、壓力、桿管表面光滑程度也是影響因素，油井腐蝕結(jié)垢往往是多種因素共同作用的結(jié)果，需要綜合分析。

表1　油井采出水分析結(jié)果

1.1Cl-腐蝕

華北油田J95斷塊Cl-含量高，平均值在20000mg/L以上，Cl-腐蝕表現(xiàn)明顯。Cl-的離子半徑小，有較強的穿透能力，易吸附在金屬表面破壞保護膜，逐步形成點蝕坑，點蝕坑呈酸性小環(huán)境，腐蝕進一步加劇，造成油管穿孔，抽油桿斷脫[1]。在作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)斷塊內(nèi)油井桿管表面呈現(xiàn)密集的點蝕坑，圖1是J95-7井因Cl-點蝕造成油管穿孔的現(xiàn)場圖片。

1.2CO2腐蝕

Z57、J45斷塊CO2含量高，表1中Z57-6井CO2含量達到53.53mg/L。CO2溶于水中形成酸，會對鋼鐵造成嚴重腐蝕。CO2腐蝕表現(xiàn)為點蝕、癬狀腐蝕和面狀腐蝕[2]，圖2是Z57-6井現(xiàn)場作業(yè)圖片，油管上既有點蝕坑，又有癬狀腐蝕面，表現(xiàn)為典型的CO2腐蝕，該井新油管下井僅126d，就發(fā)生腐蝕穿孔，也印證了CO2腐蝕的嚴重性。

圖1　J95-7井油管腐蝕

圖2　Z57-6井油管腐蝕

1.3H2S及硫酸鹽還原菌腐蝕

1.4垢下腐蝕

結(jié)垢產(chǎn)物CaCO3、FeCO3溶解度小，沉積在金屬表面，形成閉塞效應，腐蝕點與周圍形成濃度差電池，腐蝕點為陽極，其周圍為陰極。腐蝕所產(chǎn)生的Fe2+離子通過疏松的二次產(chǎn)物層向外擴散，遇到水中S2-、OH-等離子，又形成新的二次產(chǎn)物，逐步積累，導致桿管表面鼓包形成，鼓包下面的金屬形成腐蝕坑，極易腐蝕穿孔。華北油田在J45斷塊發(fā)現(xiàn)有較明顯的垢下腐蝕情況。

結(jié)垢是因為隨溫度、壓力的變化，地層水的離子平衡被打破，在桿管表面沉積并長大。碳酸鈣、硫酸鈣的溶解度是隨溫度的升高而降低，而油井從井底到地面是溫度、壓力下降的過程，所以油井結(jié)垢主要發(fā)生在井筒下部。

通過水性分析可以判斷某一口油井產(chǎn)出水的腐蝕結(jié)垢趨勢。以表1 中6口井為例，對產(chǎn)出水進行水性分析可以看出，J45-229井 Mg2+、Ca2+總量高，結(jié)垢趨勢明顯；Z57-6井總鐵含量高，說明腐蝕嚴重。在油井作業(yè)時選取井筒中的垢樣進行成分分析，可以更直觀地反映一段時間以來該井的腐蝕結(jié)垢情況，垢樣以鐵腐蝕產(chǎn)物為主，表明腐蝕是主要矛盾；垢樣以鈣鎂鹽為主，表明結(jié)垢是主要矛盾[4]，在實際生產(chǎn)中腐蝕和結(jié)垢幾乎都是同時存在，只是不同單井側(cè)重可能不同。從華北油田看，腐蝕和結(jié)垢比較，腐蝕是主要矛盾，腐蝕的主要介質(zhì)是Cl-、CO2。

2　油井腐蝕結(jié)垢治理方法優(yōu)選

目前油井腐蝕結(jié)垢治理分為物理方法和化學方法2大類，物理防腐包括使用合金材料、表面涂層等方法，合金材料成本高，表面涂層的方法有效期短，在桿、管、泵的互相摩擦過程中，防腐層容易損壞。內(nèi)襯油管近幾年得到廣泛應用，通過在油管里面內(nèi)襯一層聚乙烯，能隔斷腐蝕介質(zhì)和鋼鐵表面的接觸，且聚乙烯表面光滑，附著力低，能有效抑制結(jié)垢和桿管偏磨，其缺點是聚乙烯層不耐高溫，影響油井洗井作業(yè)[5]。超聲波和磁防垢技術(shù)通過改變垢體晶核結(jié)構(gòu)，用文石晶體取代方解石晶體，使垢體不能在井筒吸附長大，在地面設(shè)備防腐防垢中得到了廣泛應用[6]，但是在油井里因為不便維護，難以推廣。

對油井采取化學加藥防腐防垢是相對經(jīng)濟有效的方式，加藥方式分為2種，一種是把藥劑固化，在作業(yè)時掛在泵筒下，在井筒中緩慢釋放[7]，這種方式操作簡單，缺點是固體藥劑承載量有限，有效期短；另一種是液體藥劑，在井口周期性加藥，針對不同的腐蝕結(jié)垢原因，化學藥劑復配成分不同。

2.1防腐作用機理

化學防腐機理有覆蓋效應、阻活效應、改變雙電層性質(zhì)3種。覆蓋效應指緩蝕劑分子均勻地吸附在金屬表面上，無選擇的抑制整個腐蝕反應。阻活效應指緩蝕劑分子吸附在金屬表面上的腐蝕反應活性中心，增加了腐蝕反應活化能，減少了活性中心的數(shù)量，使腐蝕速度降低，低覆蓋度時緩蝕作用是以阻活效應為主。改變雙電層性質(zhì)指緩蝕劑分子在金屬界面的吸附改變了雙電層的結(jié)構(gòu)和分散層電位差，從而減緩腐蝕反應[8]。表面活性劑類緩蝕藥利用的是覆蓋效應，筆者選取的緩蝕藥劑也是依據(jù)這一原理。

2.2阻垢作用機理

阻垢劑的作用可分為鰲合、分散和晶格畸變，一方面阻垢劑以螯合和絡合的形式，把易沉淀的金屬離子變成可溶性的螯合離子和絡合離子，從而抑制陰、陽離子結(jié)合發(fā)生沉淀；另一方面是通過晶體變形作用，即在晶體形成過程中阻垢成分進入晶體結(jié)構(gòu)，破壞晶體正常增長，造成晶體畸變，從而改變原有的晶體規(guī)則結(jié)構(gòu)，使其不再增長，防止或減輕結(jié)垢[9]。藥劑篩選中用的阻垢劑羥基乙叉二膦酸(HEDP)利用的是螯合作用。

3　藥劑復配

選取市場上易于采購、安全經(jīng)濟的藥劑，進行緩蝕阻垢劑復配，選擇的單劑均為水溶性，便于配伍。咪唑啉類緩蝕劑對Cl-、CO2腐蝕有良好效果，在 J95、Z57區(qū)塊作為緩蝕劑的主劑。聚丙烯酸(PAA)互溶性好，既有緩蝕作用，又能對碳酸鈣、氫氧化鈣進行分解，有溶垢作用,在晉45斷塊作為緩蝕劑的主劑。羥基乙叉二膦酸(HEDP)是阻垢劑主劑，能與鐵、銅、鋅等多種金屬離子形成穩(wěn)定的絡合物，耐高溫(250℃)，耐酸堿性。H8區(qū)塊含有較高硫酸鹽還原菌，在緩蝕劑、阻垢劑的基礎(chǔ)上，再加入殺菌劑。

3.1試驗藥品與材料

咪唑啉聚氧乙烯醚，工業(yè)品，棕色液體，有效成分≥90%；聚丙烯酸，工業(yè)品，黃色液體，有效成分≥30%；羥基乙叉二膦酸，工業(yè)品，淡黃色液體，有效成分≥50%；十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227)，工業(yè)品，淡黃色液體，有效成分≥40%；水樣取試驗井產(chǎn)出水，除去浮油，密封保存，24h內(nèi)使用。

3.2試驗方法

按照SY/T5273-2000《油田采出水用緩蝕劑性能評價方法》、SY/T5673-1993《油田用防垢劑性能評價方法》進行試驗。配方中所用溶劑為清水。

以J95-7井藥劑復配為例，取咪唑啉聚氧乙烯醚、聚丙烯酸、羥基乙叉二膦酸，按照表2所列3因素3水平進行正交試驗，優(yōu)選緩蝕率、阻垢率高的配方。

根據(jù)室內(nèi)復配試驗結(jié)果，J95-7井的緩蝕阻垢劑配方取表2中的第7種。對于H8區(qū)塊含硫酸鹽還原菌的油井，在室內(nèi)篩選時再加入殺菌劑十二烷基二甲基芐基氯化銨，進行4因素3水平的試驗，殺菌劑用量根據(jù)單劑試驗選取15%、20%、25%共3個濃度。

表2　J95-7井緩蝕阻垢劑正交試驗表

不同區(qū)塊，選擇不同藥劑種類及濃度，按照一井一法的原則，逐井篩選藥劑配方，完成室內(nèi)試驗。

4　現(xiàn)場試驗及效果評價

加藥方式采用井口周期性加藥，用加藥車將藥劑注入油井油套環(huán)空。加藥濃度100～200mg/L,加藥周期設(shè)定為7～10d，每次加藥量的計算公式如下：

加藥量=0.001×加藥濃度×日產(chǎn)水量×加藥周期

表3　6口井加藥效果評價

通過加藥前后取樣，監(jiān)測總鐵濃度的變化，掌握緩蝕效果的好壞；阻垢效果通過監(jiān)測鈣鎂離子濃度的變化進行評價，鈣鎂離子用標準EDTA溶液滴定，阻垢劑對鈣鎂離子有增溶作用，加入阻垢劑后鈣鎂離子含量會增加，增加幅度的大小，反映了阻垢效果好壞，效果評價結(jié)果見表3。

通過5年的持續(xù)治理，65口試驗井的平均檢泵周期從145d延長到696d。1口井1年需藥劑1～1.5t，單井藥劑成本在3萬元以內(nèi)，而減少作業(yè)費及提高開井時率產(chǎn)生的效益每年可達21萬元。

4　結(jié)論

1)在高含水開發(fā)階段，油井腐蝕結(jié)垢問題逐步凸顯，腐蝕結(jié)垢有多種原因，產(chǎn)出水物性是主因，同時要全面分析井筒溫度、壓力、井下工具材質(zhì)等因素，采取綜合措施。

2)在現(xiàn)有技術(shù)條件下，化學加藥方式抑制腐蝕結(jié)垢具有技術(shù)成熟和成本低的優(yōu)勢。取試驗井水樣進行藥劑復配，針對性強，能避免加藥的盲目性。井口加藥方式操作簡單，便于推廣。

3)在加藥治理工程中需要細化效果監(jiān)測，特別是在作業(yè)現(xiàn)場觀察桿管泵的腐蝕結(jié)垢情況，是最直觀的反映。當換層開采、調(diào)驅(qū)等措施導致油井產(chǎn)出水物性發(fā)生變化時，需要重點監(jiān)測。

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[編輯]洪云飛

2016-04-26

中石油華北油田分公司科技攻關(guān)項目(2014-HB-C15)。

吳澤美(1973-)，男，高級工程師，現(xiàn)主要從事油田化學方面的研究工作；E-mail:cy5_wuzemei@petrochina.com.cn。

TE358.5

A

1673-1409(2016)22-0041-04

[引著格式]吳澤美， 孫玉民，馬偉娜,等.華北油田油井腐蝕結(jié)垢原因分析與治理方法優(yōu)選[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(22)：41～44.