油田注水井管防結垢試驗研究

(中石化石油工程造價管理中心，山東 東營 257000)

油田采用注水開發的目的是補充地層能量，提高采收率。然而，注水量的不斷增加及水質問題的存在，給油田注水井管以及油氣集輸管線帶來十分嚴重的腐蝕及結垢問題。傳統防結垢技術存在經濟效益差、環保不達標、防垢保護范圍有限等問題。經過實驗室反復研究篩選與現場試驗，發現疏水性環氧玻璃鋼復合材料的防腐蝕、防結垢效果最為顯著。

1 注水井管結垢現狀分析

1.1 腐蝕結垢與水質狀況

油田注入水多為經處理后的油田采出水，礦化度高，含有多種易引起結垢、腐蝕的介質成分，注水井管使用一定時間后均會出現腐蝕結垢現象。嚴重者使用不足一年即因結垢、腐蝕而報廢[1]。圖1為勝利油田某注水井井下鋼質油管結垢和腐蝕情況。

圖1 油田注水井管腐蝕結垢情況

表1為勝利油田某區塊(管理區)注入水水質成分。從表1可見，注入水中含有高濃度易造成結垢的離子成分(碳酸氫根和鈣鎂離子)。在注水過程中，因壓力、溫度、流向及流速等因素的變化，改變了原先的離子化學平衡狀態而產生垢的分子，繼而產生微結晶體，在粗糙的金屬油管內壁沉積，形成管內壁結垢[2]。

表1 勝利油田辛一管理區注入水水質 mg/L

1.2 注水井管結垢機理

油田采出水結垢可分為3種情況。

(1)隨污水溫度、壓力、流速及流向等條件的改變，導致水中離子平衡狀態隨之改變，成垢組分溶解度降低而結晶沉積。如含鈣鎂離子和碳酸根、碳酸氫根離子的水會形成碳酸鈣垢。碳酸鈣垢的形成反應如下：

(2)兩種不配伍的水混合而反應產生垢沉淀。如含鋇鍶離子的水與含硫酸根離子的水混合后會很快產生鋇鍶垢沉淀。硫酸鋇垢的形成反應如下：

成垢分子結合并排列形成垢結晶體，結晶體大量堆積、沉積在管道內表面,造成管道截面減小甚至堵塞，影響管道的正常運行。2017年12月24日，對某油田注水管道內壁垢類沉積物進行分析，結果見表2。由表2可見，垢類沉積物主要成分為鈣、鎂、鋇、鍶及鐵等構成的鹽類或金屬氧化物等。

(3)鋼質管道在使用中會發生腐蝕，腐蝕產物堆積也會形成結垢，這是注水井管結垢的另一個原因。

表2 某油田注水管道內沉積物分析結果 μg/g

1.3 防結垢技術及存在的問題

目前，傳統的防垢除垢技術從技術原理上可以分為物理除垢、化學除垢、機械除垢及工藝除垢。工藝除垢與機械除垢比較簡單，但除垢效果受限。化學防垢法是用化學防垢劑來阻止垢物生成，大多數化學防垢劑會腐蝕金屬設備，且污染環境，需要連續投加，防垢保護范圍小。物理除垢主要是利用電、磁、聲波等物理現象與垢體相互作用達到防垢除垢的目的，但該類設備比較復雜，作用區域有限，對一些硬垢效果不明顯。因此，綠色環保、高效的新型防垢除垢技術成為工業防結垢領域的發展方向之一。

勝利油田營47×34注水井原注水井管為鋼質油管，該鋼質油管運行16個月后，于2017年2月6日因不能正常注水停運。抽出井下注水井管，檢查發現，該注水井管結垢、腐蝕嚴重，局部堵塞，外壁及垢下發生嚴重的局部腐蝕。注水井管外觀照片見圖2。

圖2 營47×34注水井管腐蝕和結垢狀況

2 新型防結垢技術現場試驗與分析

2.1 試驗井概況

選擇結垢、腐蝕嚴重的勝利油田某采油廠營47×34注水井作為試驗井。該井最大井斜37.8°，注入水為油田采出水，注入水溫度60 ℃，水質成分如表1所示。

2.2 試驗管柱設計

采用勝利油田某管業公司新研制生產的環氧玻璃鋼長效分層注水管作為試驗管。該管道抗拉強度432.64 MPa，彈性模量31.44 GPa，管道公稱直徑為DN65 ，管道連接方式為新型“4牙”結構玻璃鋼螺紋連接。分層注水試驗管柱結構示意見圖3。該管柱采用壓縮式封隔器，配套長距補償丟手裝置、錨定裝置及測調一體化配水器。

圖3 試驗管柱結構示意

2.3 現場試驗結果

2017年2月6日，將營47×34井注水井管更換為環氧玻璃鋼油管，長度2 245.8 m。2017年2月13日開井注水。分兩層配水，上層20 m3/d、下層160 m3/d。注水運行參數見表3。

表3 防結垢試驗井管運行參數

連續注水23個月后，于2019年1月取出玻璃鋼注水井管檢查，其內外表面及管端螺紋完好，基本無腐蝕結垢現象，繼續下井使用(見圖4),已持續運行26個月。玻璃鋼注水井管與原鋼管使用情況對比見表4。

圖4 玻璃鋼注水井管使用后狀況

管 材鋼管玻璃鋼管結垢速率/(mm·a-1)2.30.05腐蝕速率/(mm·a-1)0.90平均檢查周期/a25更新年限/a2～3>5

現場試驗表明，在同樣的工況及介質條件下，環氧玻璃鋼管道與鋼管道相比，具有優異的防結垢、耐腐蝕性能。

2.4 試驗結果分析

管道結垢的原因除與介質的物理化學性質有關外，還與固體表面的粗糙度和疏水性有關。相關研究表明，材料表面能與結垢有著密切的關系，降低材料表面能有利于減緩垢的形成。姜春花等[3]研究YH-16環氧材料和帕羅特環氧涂層在油田注水和輸油環境下防結垢和防結蠟性能，經過15 d動態浸泡，兩種環氧涂層相比基材結蠟量分別下降 85.3%和 83.3%, 結垢量分別下降 71.1% 和72.4%，表現出良好的防結垢和防結蠟性能。環氧材料涂層表面能較低，表面光滑，不利于蠟晶及垢晶在涂層表面吸附，同時在流體作用下結蠟和結垢容易脫附，最終蠟質和污垢在涂層表面的沉積速率降低。

通常將表面張力在100 mN/m以上者稱為高能表面，100 mN/m以下者稱為低能表面。幾種常用管材的臨界表面張力見表5(通常可用表面張力表征其表面能的大小)。玻璃鋼及其他幾種常用管材的粗糙系數見表6。

表5 幾種常用管材的臨界表面張力 mN/m

表6 幾種管道的粗糙系數

環氧玻璃鋼管道采用環氧樹脂基體與玻璃纖維增強材料復合制造，其管材臨界表面張力只有鋼的48%，具有較低的表面能，且具有與有機聚合物環氧涂層相類似的性能，屬于疏水性材料。由表6可見，玻璃鋼管道內壁光滑，粗糙系數只有鋼管的48%，不利于垢蠟沉積，且流體阻力小，在同等壓力下可以縮小管徑、提高流速運行，有較好的沖刷效果，因此具有良好的防結垢、防結蠟性能。綜合兩方面原因，玻璃鋼管的結垢速率比鋼管大幅降低。

3 結論及建議

(1)環氧玻璃鋼在油氣田防腐蝕方面得到大量應用，并取得了顯著的防腐蝕效果和經濟效益，在防垢方面研究較少。現場試驗表明，玻璃鋼管有優異的防結垢性能。

(2)試驗表明，低表面能非金屬復合材料具有優異的防結垢和防腐蝕性能，經濟環保，使用周期長，效費比高，為解決油氣田管道防結垢難題提供了一條新的途徑。

(3)研究開發低表面能超疏水環氧玻璃鋼管材，經過系列防結垢試驗研究，進一步提高材料的防結垢效果和對各種不同介質條件的適應性，具有重要意義和可觀的經濟價值。