王 波，安高君，李 浩，鄭 武

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津300457)

1 油田結(jié)垢問(wèn)題概述

某海上油田投產(chǎn)將近 10年，油田綜合含水目前已達(dá) 72%，且產(chǎn)出的地下水礦化度高，在原油處理流程分離器水相管線、調(diào)節(jié)閥處存在不同程度的結(jié)垢現(xiàn)象。如圖 1所示，油田原油二級(jí)分離器于 2016年12月27日出現(xiàn)水相出口回?fù)剿萌肟趬毫档停蛛x器油水界面居高不下無(wú)法調(diào)節(jié)的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)拆卸發(fā)現(xiàn)，水相整條管線都出現(xiàn)不同程度的結(jié)垢現(xiàn)象，嚴(yán)重降低了原油二級(jí)分離器的處理能力，平臺(tái)組織人力對(duì)該條管線進(jìn)行了機(jī)械切割除垢。

2017年6月，為了鞏固機(jī)械除垢效果，通過(guò)外委對(duì)該條管線進(jìn)行了酸洗除垢。在 2018年再次出現(xiàn)泵入口壓力下降的故障現(xiàn)象，同年 8月 22日，申請(qǐng)停產(chǎn)檢修，將靠近分離器罐體、不可隔離的管線進(jìn)行了拆卸除垢，同時(shí)拆卸 2016年切割段管道，觀察結(jié)垢情況是否得到緩解。如圖 2所示，通過(guò)拆卸發(fā)現(xiàn)，罐入口段結(jié)垢非常嚴(yán)重，雖然經(jīng)過(guò) 2016年機(jī)械除垢和2017年酸洗的管道，管壁依然存在輕微結(jié)垢現(xiàn)象，問(wèn)題并未得到根本性解決。

圖1 原油二級(jí)分離器水相出口管線結(jié)垢Fig.1 Scaling of water phase outlet pipeline of crude oil second separator

圖2 2018年垢樣實(shí)拍Fig.2 Real photos of scale samples in 2018

2017年6月原油一級(jí)分離器出口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度接近 90%，查閱調(diào)節(jié)閥流通量，判斷該閥出現(xiàn)堵塞。經(jīng)過(guò)拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)閥芯堵塞嚴(yán)重，清洗后閥開(kāi)度從90%降至25%，見(jiàn)圖3。

圖3 原油一級(jí)分離器水相出口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度曲線Fig.3 Opening curve of water phase outlet control valve of crude oil primary separator

2 結(jié)垢因素分析

2.1 垢樣分析

針對(duì) 2016年 12月底原油二級(jí)分離器水相出口嚴(yán)重結(jié)垢堵塞的情況，平臺(tái)委托對(duì)原油二級(jí)分離器、原油一級(jí)分離器水相垢樣進(jìn)行了化驗(yàn)分析，結(jié)果如表1、2所示。垢樣最主要的成分為碳酸鈣，鈣含量占垢樣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近50%。

2.2 水樣分析

2.2.1 地下水分析

油田生產(chǎn)水主要產(chǎn)自沙三段，約占生產(chǎn)水的90%，其中沙三段油井又以 A15井和 A24井為突出代表，兩口井的生產(chǎn)水接近 800m3/d。如表 3所示，沙三段生產(chǎn)水礦化度高，水型為 NaHCO3型，成垢陽(yáng)離子Ca2+、Mg2+適中，而成垢陰離子含量非常高。因此，生產(chǎn)水本身也具有一定結(jié)垢可能，A15井地面流程單流閥就出現(xiàn)過(guò)結(jié)垢堵塞的現(xiàn)象，如圖4，與分析相符合。

表1 樣本信息Tab.1 Sample information

表2 檢測(cè)項(xiàng)目及檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Test items and results

表3 A15井水樣分析Tab.3 Water sample analysis of oil well A15

圖4 A15井結(jié)垢實(shí)例Fig.4 Scaling of pipeline in oil well A15

2.2.2 水源井水分析

原油分離器中水源井水組分來(lái)自于反洗水，通過(guò)化驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可知水源井水水型為 CaCl2型，成垢陽(yáng)離子Ca2+、Mg2+含量非常高，而成垢陰離子含量則非常低，見(jiàn)表4。

表4 水源井水樣分析Tab.4 Water sample analysis of water well

2.3 生產(chǎn)水和水源井水混合后結(jié)垢趨勢(shì)分析

根據(jù)SY/T 0600—2009《油田水結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)》采用 Stiff和 Davis經(jīng)驗(yàn)(SI)法、穩(wěn)定指數(shù)(SAI)法、飽和系數(shù)法及 PTB結(jié)垢程度預(yù)測(cè)法，對(duì)油田館陶組水源井水與沙三段地層水進(jìn)行碳酸鹽垢預(yù)測(cè)。

結(jié)垢指數(shù)(SI)是描述水樣是否結(jié) CaCO3垢的指標(biāo)。若 SI＜0，CaCO3未飽和，不結(jié)垢；若 SI＞0，可能結(jié)垢。從圖 5 SI值與預(yù)測(cè)溫度及混合水比例變化關(guān)系可以看出，在預(yù)測(cè)溫度范圍(40～80℃)內(nèi)，A16井館陶組水源井水與沙三段地層水不同比例混合后 SI均大于0，說(shuō)明CaCO3已飽和，有可能結(jié)垢。且SI值隨著溫度的升高而增大，也即結(jié)垢能力隨著溫度的升高而增強(qiáng)。同一溫度下，單一館陶組水源井水 SI值最小，與沙三段地層水混合后，SI值逐漸增大，在混合比例 1∶2～1∶3時(shí)出現(xiàn)最大值，即結(jié)垢能力最大。

SAI為穩(wěn)定指數(shù)，是描述水樣 CaCO3結(jié)垢能力的數(shù)值。具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：SAI＝4.5～5.0為嚴(yán)重結(jié)垢；SAI＝5.0～6.0為輕度結(jié)垢；SAI＝6.0～7.0為輕微結(jié)垢或腐蝕；SAI＝7.0～7.5時(shí)輕度腐蝕；SAI＞7.5時(shí)嚴(yán)重腐蝕。從圖6可以看出，溫度為80℃時(shí)，單一水源井水、沙三段地層水以及二者不同比例混合水的SAI值均小于5.0，為嚴(yán)重結(jié)垢程度，且水源井水與地層水比例為1∶2～1∶3時(shí)，SAI值最小，結(jié)垢能力最大。隨著溫度的降低，SAI值有所增大，即結(jié)垢能力有所減小。溫度為 70、60℃時(shí)，水源井水與沙三段地層水比例在 5∶1～0∶1，SAI均在 5.0以下，有嚴(yán)重結(jié)垢趨勢(shì)。溫度為 50℃時(shí)，水源井水與地層水比例為 3∶1～1∶7，SAI在 5.0以下，有嚴(yán)重結(jié)垢趨勢(shì)，其他比例 SAI值在 5.0～6.0，有輕度結(jié)垢趨勢(shì)。溫度低于50℃時(shí)，SAI各比例混合水SAI值在5.0～6.0，有輕度結(jié)垢趨勢(shì)。

圖5 SI與溫度的變化關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve of scaling index with temperature change

圖6 SAI與溫度的變化關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve of saturation index with temperature change

如圖7所示，以CaCO3垢最大結(jié)垢量來(lái)判斷，水源井水與沙三段地層水混合后，在 5∶1～3∶1時(shí)，CaCO3最大結(jié)垢量逐漸增大，混合水比例在 2∶1～1∶7時(shí)，CaCO3最大結(jié)垢量隨沙三段地層水比例增大而降低。在混合比例1∶3時(shí)，出現(xiàn)最大峰值，且隨溫度升高，最大結(jié)垢量也隨之增加。溫度為 80℃、混合比例為 1∶3時(shí)，CaCO3最大結(jié)垢量可達(dá)566.7mg/L，相比混合前的單一水源井水、沙三段地層水最大結(jié)垢量增加了近 400mg/L。因此，以水源井為注入水，會(huì)對(duì)沙三段油藏近井地帶造成嚴(yán)重的結(jié)垢堵塞。

圖7 CaCO3最大結(jié)垢量與溫度的變化關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve of CaCO3 maximum scaling with temperature change

PTB值是描述水體CaCO3結(jié)垢程度的另一種表述。當(dāng) PTB＜0時(shí)，無(wú)垢；0＜PTB＜100時(shí)，小量垢；100＜PTB＜250時(shí)，垢多且硬；PTB＞250時(shí)，結(jié)垢極其嚴(yán)重。圖8為結(jié)垢程度PTB值與溫度及混合比例的關(guān)系圖，由圖可知，當(dāng)A16井館陶組水源井水與沙三段地層水以不同比例混合后，PTB值均高于未混合前的單一水源井水以及沙三段地層水。在混合比例為 5∶1～1∶3，PTB值大于 100，結(jié)垢程度為垢多且硬，混合水比例為 3∶1時(shí)出現(xiàn)最大值，隨著地層水比例的升高，PTB值進(jìn)一步降低。當(dāng)混合水比例達(dá)到 1∶5～1∶7時(shí)，PTB 值小于 100，結(jié)垢程度為少量垢。

綜上可知，無(wú)論哪種比例混合，都有結(jié)垢可能，在原油二級(jí)分離器的高溫低壓環(huán)境，結(jié)垢能夠達(dá)到最大化，這也是為什么原油一級(jí)分離器水相結(jié)垢程度輕，原油二級(jí)分離器水相結(jié)垢程度嚴(yán)重的主要原因。

3 防垢措施

通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)了油田原油分離器管線結(jié)垢的原因，只有避免沙三段生產(chǎn)水和水源井水混合后進(jìn)入原油分離器，不讓生產(chǎn)水中高濃度的HCO3-、CO32-等成垢陰離子和水源井水中高濃度的 Ca2+等成垢陽(yáng)離子結(jié)合，才能真正地遏制住原油分離器的水相結(jié)垢。結(jié)合油田實(shí)際，平臺(tái)采取了以下措施。

3.1 避免生產(chǎn)水和水源井水混合進(jìn)入原油分離器

水源井水進(jìn)入原油分離器的途徑，為核桃殼反洗污水轉(zhuǎn)液進(jìn)入原油流程，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，反洗污水直接進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，不會(huì)對(duì)水質(zhì)處理造成影響。因此，反洗污水流程經(jīng)過(guò)優(yōu)化，調(diào)整至生產(chǎn)水除氣罐入口，可從根本上避免水源井水和生產(chǎn)水混合進(jìn)入原油分離器，也就阻斷了水源井水的成垢陰離子和生產(chǎn)水成垢陽(yáng)離子的結(jié)合。

3.2 控制進(jìn)入原油二級(jí)分離器的水量

因?yàn)樯橙蔚叵滤陨淼母鞣N離子成分，也有結(jié)垢的可能性，且污水系統(tǒng)各設(shè)備收油、排底水等操作，少量的水源井水還是會(huì)通過(guò)污油泵、閉排泵進(jìn)入原油處理系統(tǒng)。對(duì)于原油二級(jí)分離器來(lái)說(shuō)，只要降低了進(jìn)入原油二級(jí)分離器的水量，也就從總量上降低了各種成垢離子濃度。通過(guò)投用和調(diào)試原油二級(jí)分離器水室調(diào)節(jié)閥，同時(shí)結(jié)合原油一級(jí)分離器水腿的調(diào)節(jié)，讓進(jìn)入原油二級(jí)分離器的原油含水率從 20%降至5%，從而進(jìn)入原油二級(jí)分離器的水從200m3/d減少到大約40m3/d。在總體上，控制了原油二級(jí)分離器各種成垢離子的濃度。

3.3 優(yōu)化藥劑注入流程

原防垢劑注入流程只是從污水處理第一級(jí)開(kāi)始注入，而從井口到原油分離器出口，都沒(méi)有防垢劑注入。因此原油分離器分離出的水是不含防垢劑的。雖然原油一級(jí)分離器的壓力和溫度對(duì)成垢不是有利條件，但是在水相調(diào)節(jié)閥處，也容易結(jié)垢。通過(guò)對(duì)防垢劑進(jìn)行重新選型，確定了能夠同時(shí)滿足油相和水相注入的防垢劑 BHF-16，注入到生產(chǎn)管匯，讓原油分離器中的生產(chǎn)水中含有防垢劑而減緩結(jié)垢。

3.4 調(diào)整原油二級(jí)分離器的溫度

原油二級(jí)分離器的溫度受海管原油外輸溫度的制約，可調(diào)整的范圍很小。根據(jù)結(jié)垢的趨勢(shì)預(yù)測(cè)圖，溫度越低越有利于緩解結(jié)垢，操作班組將原油二級(jí)分離器的溫度從70℃調(diào)至67℃。

4 應(yīng)用效果及結(jié)論

2018年12月項(xiàng)目完成前，對(duì)原油分離器水相出口管線先后進(jìn)行了2次機(jī)械除垢，1次申請(qǐng)停產(chǎn)檢修專項(xiàng)除垢，不但造成的人力物力以及產(chǎn)量損失是巨大的，且可能出現(xiàn)重復(fù)性工作，是制約油田穩(wěn)定生產(chǎn)的頑疾。采取上述措施后，原油一級(jí)分離器水相出口調(diào)節(jié)閥拆卸清洗頻率從每季度1次降低到1年1次，之前原油一級(jí)分離器至原油二級(jí)分離器之間的原油加熱器清洗頻率也從 1年 1次外委清洗，降低至 2年1次清洗。通過(guò)定期拆卸管道檢查，各原油分離器水相出口管線內(nèi)部結(jié)垢趨勢(shì)也得到了緩解。

本油田打破傳統(tǒng)的防垢方式，屬于一種創(chuàng)新的防垢思維，也為其他油田在類似問(wèn)題處理方面提供了理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。