廖鑫海

長慶油田采油三廠

油井結(jié)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(jié)垢形成；化學法是采用某些物質(zhì)阻止結(jié)垢的形成。油井采出水與油井注入水進行混合后，加入質(zhì)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(jié)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(jié)果得出最佳防垢劑是POCA。

結(jié)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(chǎn)過程中的結(jié)垢問題。

1 結(jié)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(zhì)結(jié)晶形成析出的固體物質(zhì)，通常是溶解度比較小的無機鹽物質(zhì)，最常見的形成結(jié)垢的物質(zhì)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(chǎn)生是一個非常復雜的物理化學變化過程，與油井所在地質(zhì)條件和巖石層物質(zhì)組成有關(guān)。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(zhì)，與此時存在的Ca2+、Mg2+、Ba2+等金屬離子進行反應并結(jié)合，從而析出固體物質(zhì)變成垢。

（2）鐵垢的形成機理。油井結(jié)垢物質(zhì)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(zhì)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(fā)生反應產(chǎn)生鐵垢，二氧化碳溶于水形成碳酸，發(fā)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(fā)生反應：Ca（HCO3）2→CaCO3↓+CO2+H2O，溫度升高上述反應發(fā)生，從而產(chǎn)生碳酸鈣垢。

2 防垢方法及防垢劑篩選

油井結(jié)垢后對油田生產(chǎn)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(jié)垢形成；化學法是采用某些物質(zhì)阻止結(jié)垢的形成。具體防垢方法如表1所示。

表1 油井防垢技術(shù)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(shù)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(huán)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(xiàn)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(tài)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(jié)果分析

（1）水質(zhì)分析和配伍性實驗結(jié)果。由水質(zhì)的成分分析可以得出，實驗溶液中含有大量的Ca2+、HCO3-、SO42-，根據(jù)相關(guān)標準分析可知，該油井溶液具備結(jié)垢的條件，垢質(zhì)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(jié)果可以看出，無論何種配伍都具備明顯的結(jié)垢趨勢。

（2）鈣容忍度實驗結(jié)果。采取上述防垢劑鈣容忍度計算方法對實驗結(jié)果進行分析，得出選取的11種防垢劑鈣容忍度。從結(jié)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(zhì)的油井設備防垢。

（3）高溫常壓下防垢劑篩選實驗結(jié)果。油井采出水與油井注入水進行混合后，加入質(zhì)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(jié)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(jié)果得出最佳防垢劑是POCA。

圖1 按防垢率篩選防垢劑結(jié)果

4 結(jié)語

（1）總結(jié)得出了油井結(jié)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(jù)油井結(jié)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(shù)、磁處理技術(shù)、注酸或二氧化碳氣體、加入防垢劑4種防垢技術(shù)方法進行了介紹，認為防垢劑是最經(jīng)濟實惠、效果最佳的防垢技術(shù)方法。

（3）選擇11種防垢劑進行篩選實驗，根據(jù)失鈣率分析油井水的成分和結(jié)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(jù)防垢率實驗結(jié)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(jié)垢機理研究與防治[J]．內(nèi)蒙古石油化工，2009（12）：18-22.

[2]汪小君．貝中油田油井結(jié)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(xiāng)學院學報，2012，29（6）：506-510.

（欄目主持 楊 軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.8.018