曲 直，郭東福，滿海強(qiáng)，張孝光，朱建才

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津300452)

0 引 言

某海上油田注水水源分為 2種：一是地下水；二是經(jīng)過油田污水系統(tǒng)處理的生產(chǎn)水。隨著油田進(jìn)入中期開發(fā)階段，油田生產(chǎn)流程管線的內(nèi)部結(jié)垢現(xiàn)象也逐步凸顯，嚴(yán)重影響了油田的后續(xù)生產(chǎn)開展，降低了油田生產(chǎn)流程的處理量，尤其是地下水與生產(chǎn)水接觸混合的部位結(jié)垢問題更為嚴(yán)重，對油田的安全生產(chǎn)構(gòu)成了隱患。

1 水樣及垢樣分析

該海上油田由 1座井口平臺(tái)(WHPA)和 1座中心平臺(tái)(CEP)組成，2座平臺(tái)通過棧橋連接。WHPA平臺(tái)各油井生產(chǎn)的流體經(jīng)油嘴節(jié)流后進(jìn)入生產(chǎn)計(jì)量管匯，通過棧橋運(yùn)輸至原油一級(jí)分離器、原油二級(jí)分離器進(jìn)行油、氣、水三相分離，分離出的伴生氣輸送至伴生氣處理系統(tǒng)，分離出的合格原油經(jīng)外輸泵增壓進(jìn)入原油海底管線輸送至下游，分離出的生產(chǎn)水進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)，其生產(chǎn)流程如圖1所示。

地層水中富含易結(jié)垢的鹽離子(如碳酸鹽、硫酸鹽等)，在采油過程中由于環(huán)境因素的改變而破壞了原化學(xué)平衡，使垢物增加。垢物的主要成分以碳酸鈣為主，同時(shí)還混有少量的碳酸鋇、硫酸鈣等。

多種不相容的介質(zhì)混合在一起，使多種結(jié)垢離子相互結(jié)合而生成垢物，常見垢物包括硫酸鋇和硫酸鍶等難溶性鹽類[1]。為此對油田的水樣以及垢樣進(jìn)行化驗(yàn)分析。

圖1 原油污水處理流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of crude oil sewage treatment process

1.1 水樣分析

為了全面了解油田的水質(zhì)情況，找出關(guān)鍵影響因素，我們對油田地下水和生產(chǎn)水的水樣均進(jìn)行了詳細(xì)的化驗(yàn)分析，所有分析方法均為國標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這里不再詳細(xì)說明。對生產(chǎn)水樣進(jìn)行多處取樣化驗(yàn)，結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)相差不大，水樣分析結(jié)果見表 1。由表中數(shù)據(jù)可知，地下水中鈣離子含量較高，而生產(chǎn)水中碳酸氫根離子含量較高。

表1 水樣分析結(jié)果Tab.1 Water sample analysis results

1.2 垢樣分析

流程中結(jié)垢較嚴(yán)重部位存在2處：一是在單井的出口管線；二是在原油二級(jí)分離器的水相出口管線。由于部分地下水通過流程轉(zhuǎn)至原油二級(jí)分離器中，在原油二級(jí)分離器內(nèi)地下水和生產(chǎn)水發(fā)生混合接觸，故第二處管線結(jié)垢相對嚴(yán)重。其垢樣分析結(jié)果見表 2，可知垢的主要成分為碳酸鈣。

表2 垢樣分析結(jié)果Tab.2 Scale sample analysis results

2 結(jié)垢因素分析

2.1 油田水質(zhì)的影響

由表2分析數(shù)據(jù)可知，垢樣成分以CaCO3為主，含部分MgCO3；而由表1水質(zhì)分析數(shù)據(jù)可知，地下水樣中 Ca2+含量較高，生產(chǎn)水樣中 HCO3-含量較高。因此，二者在混合后會(huì)發(fā)生結(jié)垢的現(xiàn)象，這也是原油二級(jí)分離器處管線結(jié)垢的主要原因。

2.2 固體顆粒的影響

流程管線運(yùn)行過程中，由于流體介質(zhì)中可能存在形狀不規(guī)則的固體顆粒，在介質(zhì)流速一定的條件下，其中的固體顆粒直徑越大，越容易附著在管道內(nèi)壁，日積月累逐漸形成垢物。在本油田中，對管道內(nèi)的流體介質(zhì)進(jìn)行取樣觀察后，未發(fā)現(xiàn)較明顯的顆粒物質(zhì)，可以排除該因素的主要影響。

2.3 溫度的影響

溫度影響無機(jī)鹽垢在水中的溶解度。對于以CaSO4、BaSO4和 SrSO4為主的鹽類垢，主要是因?yàn)榻橘|(zhì)中的 SO42-與 Ca2+、Ba2+、Sr2+結(jié)合而生成難溶解沉淀[2]。圖 2是幾種易結(jié)垢鹽的溶解度曲線[3]。溫度升高還會(huì)導(dǎo)致Ca(HCO3)2分解生成碳酸鈣垢：

該油田原油二級(jí)分離器內(nèi)流體介質(zhì)溫度為70℃，從圖 2可知，在原油二級(jí)分離器內(nèi) CaCO3溶解性較差，結(jié)垢傾向較大，這一結(jié)果與油田現(xiàn)狀相符。

2.4 pH值的影響

當(dāng)溶液中的 pH值較高時(shí)，碳酸鹽型的垢溶解度較低，從而析出沉淀、結(jié)垢；反之，溶液中的 pH 值降低，碳酸鹽型的垢溶解度上升，沉淀減少。對該油田管道中的水樣進(jìn)行分析得出，其 pH 值為 7.43，對油田管道結(jié)垢的影響較小。

圖2 幾種易結(jié)垢鹽的溶解度曲線[3]Fig.2 Solubility curves of several easily scaleable salts

2.5 壓力的影響

由 2.3節(jié)中的化學(xué)反應(yīng)式(1)可知，碳酸鹽結(jié)垢反應(yīng)中有氣體生成，壓力小促使結(jié)垢反應(yīng)正向進(jìn)行。該油田的原油二級(jí)分離器為低壓容器設(shè)備，正常運(yùn)行壓力穩(wěn)定在 0.03MPa，而上一級(jí)的流程壓力為0.5MPa，壓降較大。這也是原油二級(jí)分離器處管線結(jié)垢的原因之一。

2.6 介質(zhì)流速的影響

在條件一定的情況下，增加輸油管道介質(zhì)的流速，能夠減少沉積物的含量，降低結(jié)垢速度；反之，則使介質(zhì)中的微生物、固體顆粒等沉積物增多，導(dǎo)致結(jié)垢速度明顯增加。通過對其流程進(jìn)行分析得知，原油二級(jí)分離器內(nèi)介質(zhì)通過輸送泵進(jìn)行輸送，屬于流動(dòng)狀態(tài)，因此對管線結(jié)垢影響較小。

3 結(jié)垢防治措施

隨著油田地面管線結(jié)垢程度加深，對油田的生產(chǎn)主要存在以下幾方面影響：使管道有效直徑變小，影響流體流量，嚴(yán)重時(shí)將使管道堵死，使生產(chǎn)難以正常進(jìn)行[4]；閥門、調(diào)節(jié)閥等位置結(jié)垢將影響閥門的調(diào)節(jié)性能，損壞閥門等設(shè)備，結(jié)垢還會(huì)加速設(shè)備管線的內(nèi)腐蝕，給安全環(huán)保帶來隱患；若結(jié)垢發(fā)生在熱交換器位置還會(huì)降低換熱效率。

3.1 結(jié)垢預(yù)防措施

3.1.1 防垢劑優(yōu)選

根據(jù)各系統(tǒng)水樣的化驗(yàn)結(jié)果，開展室內(nèi)藥劑評(píng)選與效果評(píng)價(jià)工作，將優(yōu)選出的藥劑進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，逐步完成藥劑的評(píng)選工作，最終確認(rèn)適用于油田的化學(xué)藥劑型號(hào)和濃度。

防垢劑的評(píng)選數(shù)據(jù)見表 3。相同注入濃度條件下，對比生產(chǎn)污水、水源井水及模擬注水的靜態(tài)防垢效果，防垢劑 BHF-16A效果優(yōu)于 BHF-03，從而將防垢劑優(yōu)選為BHF-16A。

表3 防垢劑靜態(tài)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)表Tab.3 Static evaluation data of scale inhibitor

3.1.2 防垢劑注入點(diǎn)調(diào)整

結(jié)合油田生產(chǎn)流程的特點(diǎn)對防垢劑的注入點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整：一是由于地下水除砂器需定期排砂，將防垢劑水相注入點(diǎn)由地下水除砂器入口切換至生產(chǎn)水除氣罐入口，避免防垢劑隨排砂過程流失而減少注入；二是對原油管線增加防垢劑注入點(diǎn)，防止原油管線結(jié)垢。

3.1.3 生產(chǎn)流程優(yōu)化

在上述水質(zhì)分析中，已經(jīng)得知地下水樣中 Ca2+含量較高，生產(chǎn)水樣中 CO32-含量較高，二者在混合后會(huì)發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象，而原油二級(jí)分離器運(yùn)行溫度為70℃，這是導(dǎo)致原油二級(jí)分離器管線結(jié)垢嚴(yán)重的主要原因。因?yàn)樾枰Ｕ显偷耐廨敎囟?，無法對原有二級(jí)分離器溫度進(jìn)行調(diào)整，所以對油田相關(guān)的生產(chǎn)流程進(jìn)行了調(diào)整，將地下水反洗后的污水轉(zhuǎn)液流程由分離器調(diào)整至生產(chǎn)水除氣罐，目的是避免2種水源直接接觸，降低結(jié)垢速度。

3.2 結(jié)垢治理措施

3.2.1 化學(xué)除垢

化學(xué)除垢主要通過化學(xué)方法將垢物溶解清除，包括鰲合劑溶劑清洗、酸洗等，針對不同的垢物選擇不同的化學(xué)試劑。國外常用的除垢劑包括快速活性水轉(zhuǎn)化劑溶液、EDTA 除垢劑、次氮基三甲基磷酸、二烷基二硫等。國內(nèi)常用的除垢劑包括 WS系列、CTI系列化學(xué)清洗劑等，每種化學(xué)除垢劑的除垢效果不盡相同[5]。

本油田油井 N井的管線結(jié)垢情況如圖 3所示，采油樹油嘴下游單流閥處結(jié)垢嚴(yán)重，使得油井地面管線有效管徑明顯變小，嚴(yán)重影響了油井的正常生產(chǎn)。對此，根據(jù)垢樣化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)，優(yōu)選酸液對結(jié)垢管線進(jìn)行在線酸洗，通過化學(xué)除垢法進(jìn)行管線解堵后，該油井生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)如圖4所示。

圖3 N井結(jié)垢情況現(xiàn)場示意圖Fig.3 Situation of scale in oil well N

圖4 N井酸洗前后回壓曲線圖Fig.4 N well wellhead pressure curve before and after acid pickling

3.2.2 機(jī)械除垢

機(jī)械除垢是通過機(jī)械工具對管線設(shè)備內(nèi)污垢進(jìn)行強(qiáng)力清除。在原油二級(jí)分離器水相出口管線、原油一級(jí)分離器水相出口 LV調(diào)節(jié)閥、加氣浮選器入口PV調(diào)節(jié)閥以及原油加熱器盤管等處，均將隔離拆卸后通過機(jī)械除垢的方式進(jìn)行除垢。其中，原油加熱器盤管結(jié)垢情況圖 5所示，在一段時(shí)間積累情況下，加熱器內(nèi)部盤管油污結(jié)垢嚴(yán)重，經(jīng)過機(jī)械清除的方法后，如圖6所示，在同等條件下，調(diào)節(jié)閥開度由100%降至25%左右，加熱器效果得到顯著提升。

圖5 原油加熱器盤管結(jié)垢現(xiàn)場示意圖Fig.5 Situation of scale in oil heater

圖6 加熱器換熱效果對比圖Fig.6 Comparison chart of efficiency of oil heater

4 結(jié) 論

①該油田地面流程管線中所形成的垢，主要為碳酸鹽垢，以CaCO3為主，含部分MgCO3成分。

②該油田所使用的地下水中含有較高的 Ca2+，而生產(chǎn)水中含較高的HCO3-，兩者在油田流程中混合后會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的 CaCO3沉淀，這正是原油二級(jí)分離器處管線結(jié)垢嚴(yán)重的主要原因。

③由于原油二級(jí)分離器運(yùn)行的溫度較高，且流程的壓降大，促進(jìn)了原油二級(jí)分離器處管線結(jié)垢情況惡化，這是原油二級(jí)分離器處管線結(jié)垢的外部因素。

④持續(xù)優(yōu)選防垢劑，優(yōu)化防垢劑注入點(diǎn)的分布，將防垢范圍擴(kuò)大，特別是易結(jié)垢點(diǎn)位要增加防垢劑注入點(diǎn)，提高油田防垢藥劑的處理能力。

⑤結(jié)合該油田流程特點(diǎn)，針對不同的結(jié)垢情況，因地制宜，通過生產(chǎn)流程優(yōu)化、化學(xué)藥劑酸洗以及機(jī)械除垢等有效處理措施，解決了油田結(jié)垢的問題。此后仍需持續(xù)跟蹤防垢效果，做到預(yù)防為主、防治結(jié)合，以此來保證油田生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。