油井结垢机理及防垢剂筛选实验

廖鑫海

长庆油田采油三厂

油井结垢机理及防垢剂筛选实验

廖鑫海

长庆油田采油三厂

防垢有很多种方法，大致可以分为物理法和化学法。物理法是采用仪器设备抑制结垢形成；化学法是采用某些物质阻止结垢的形成。油井采出水与油井注入水进行混合后，加入质量浓度为20 mg/L的防垢剂，在高温常压条件下测定防垢剂的防垢率。从测定结果可以看出，实验选取的11种防垢剂的防垢率均超过了50%，其中PAPEMP的防垢率最高，达到84.38%，其次是防垢率为81.32%的POCA，而HPMA的防垢率最低，只有57.02%。综合考虑防垢剂筛选结果得出最佳防垢剂是POCA。

结垢；防垢剂；配伍性；钙容忍度；筛选

防垢剂的配备和成分组成等具有许多种方式，只有选取最佳防垢剂才能达到最好的防垢效果[1-2]。因此，对防垢剂进行筛选分析，选择出成本最低、防垢率高的防垢剂，可以减少油田生产过程中的结垢问题。

1 结垢机理

垢物是在一定的条件下由水、二氧化碳和其他离子物质结晶形成析出的固体物质，通常是溶解度比较小的无机盐物质，最常见的形成结垢的物质是碳酸钙、硫酸钙、铁化合物和硅铝盐等[3]。

（1）硅铝垢的形成机理。硅铝垢的产生是一个非常复杂的物理化学变化过程，与油井所在地质条件和岩石层物质组成有关。随着油井地下水pH值的升高，油井岩层中的二氧化铝、二氧化硅、铝化合物被大量溶解形成离子物质，与此时存在的Ca2+、Mg2+、Ba2+等金属离子进行反应并结合，从而析出固体物质变成垢。

（2）铁垢的形成机理。油井结垢物质中铁成分较多。铁垢的形成有多种机理，大部分由油井管道、铁质设备腐蚀形成，主要包含以下3个方面：①硫酸盐还原菌的腐蚀形成铁垢物，在有硫酸盐还原菌的条件下造成管壁腐蚀；②二氧化碳腐蚀与铁发生反应产生铁垢，二氧化碳溶于水形成碳酸，发生电离造成腐蚀；③硫化氢的腐蚀，硫化氢溶于水就可以直接导致管道设备的腐蚀。

（3）碳酸钙垢的形成机理。碳酸钙在水中发生反应：Ca（HCO3）2→CaCO3↓+CO2+H2O，温度升高上述反应发生，从而产生碳酸钙垢。

2 防垢方法及防垢剂筛选

油井结垢后对油田生产造成重大损失和影响，需要采取有效措施进行防垢。防垢有很多种方法，大致可以分为物理法和化学法[4]。物理法是采用仪器设备抑制结垢形成；化学法是采用某些物质阻止结垢的形成。具体防垢方法如表1所示。

表1 油井防垢技术方法及原理

3 防垢剂筛选实验

3.1 实验准备

防垢剂筛选实验设备包括电子天平、数显恒温水浴锅、电热鼓风干燥箱、X线衍射仪等。选取某油田1号和2号油井采出水、回注污水、水站清水等作为实验用水样，防垢剂从当前常用的有机膦酸类、有机羧酸聚合物、绿色环保类等3类中进行选择，如表2所示。

表2 实验选用的防垢剂

3.2 实验方法及原理

（1）水质和配伍性分析。按照一定的比例要求将选取的油井采出水与污水、清水混合，将得到的混合水溶液注入锥形瓶中再加橡皮塞密封保存，并放置到80℃的恒温水浴锅中进行36 h沉淀；然后测定混合水的失钙率，由此分析该油田采出水和注入水的配伍性，再测定Ca2+浓度，失钙率=（M1-M2）/M1×100%。式中M1、M2分别是静止前、后溶液中Ca2+的浓度（mg/L）。

（2）防垢剂钙容忍性分析。将实验水质配伍性分析后得到的垢样放置于烤箱中进行干燥，再用XRD对垢样成分进行分析。进行防垢剂筛选时，一般测定溶液钙容忍度来对防垢剂进行评价。分别将质量浓度为1 000 mg/L的防垢剂10 mL装入不同的锥形瓶中，向其中滴加钙离子溶液（Ca2+浓度为48.5 g/L），将pH=10的氨水氯化氨混合液稀释至20 mL；然后在40℃下加热30 min，在出现混浊时加入钙离子溶液，体积为V（mL），钙容忍度= V×ρ（Ca2+）。

（3）高温常压下静态防垢剂筛选。将11种防垢剂溶液加入已配置好的水溶液中，在80℃恒温条件下放置24 h，然后快速进行过滤操作；测定实验前后溶液中的钙离子浓度，按照防垢率=（M2-M1）/（M0-M1）×100%公式计算。式中M1、M2分别为溶液中加入防垢剂实验前、后钙离子浓度，M0为原来水溶液中钙离子浓度。

3.3 实验结果分析

（1）水质分析和配伍性实验结果。由水质的成分分析可以得出，实验溶液中含有大量的Ca2+、HCO3-、SO42-，根据相关标准分析可知，该油井溶液具备结垢的条件，垢质为碳酸钙和硫酸钙。在60℃条件下进行实验，从1号井的采出水与污水、2号井的采出水与污水、2号井的采出水与清水按照4∶1比例混合液的失钙率计算结果可以看出，无论何种配伍都具备明显的结垢趋势。

（2）钙容忍度实验结果。采取上述防垢剂钙容忍度计算方法对实验结果进行分析，得出选取的11种防垢剂钙容忍度。从结果可以看出，PAPEMP、POCA、HPMA 3种防垢剂具有较好的钙容忍性，远远比其他防垢剂好；EDTMP比PASP稍微差一些；而剩下的ATMP、HEDP、PESA、PAA、PBTCA几种防垢剂的钙容忍性最差，不适合用于高钙水质的油井设备防垢。

（3）高温常压下防垢剂筛选实验结果。油井采出水与油井注入水进行混合后，加入质量浓度为20 mg/L的防垢剂，在高温常压条件下测定防垢剂的防垢率，测定结果如图1所示。由图1可以看出，实验选取的11种防垢剂的防垢率均超过了50%，其中PAPEMP的防垢率最高，达到84.38%，其次是防垢率为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还需要考虑成本问题，PAPEMP的价格十分昂贵，虽然防垢效果最好，但是成本难以承受；POCA的防垢率效果较好且满足需要，而且价格较为低廉。因此，综合考虑防垢剂筛选结果得出最佳防垢剂是POCA。

图1 按防垢率筛选防垢剂结果

4 结语

（1）总结得出了油井结垢包括硅铝垢、铁垢、碳酸钙垢3种主要垢物，本文选取最常见的碳酸钙垢进行防垢剂筛选实验。

（2）根据油井结垢原理提出了物理防垢法和化学防垢法2种防垢方法，对超声波技术、磁处理技术、注酸或二氧化碳气体、加入防垢剂4种防垢技术方法进行了介绍，认为防垢剂是最经济实惠、效果最佳的防垢技术方法。

（3）选择11种防垢剂进行筛选实验，根据失钙率分析油井水的成分和结垢情况，采用钙容忍率分析了实验水样的自身防垢情况。根据防垢率实验结果得出各种防垢剂的防垢效果并且筛选出最佳防垢剂。

[1]陈远清．油井结垢机理研究与防治[J]．内蒙古石油化工，2009（12）：18-22.

[2]汪小君．贝中油田油井结垢预测与防垢剂的筛选[J]．油气田地面工程，2012，31（11）：31-33.

[3]田楠，刘晖，杨秘，等．CFD油田防垢剂的筛选与性能评价[J]．应用化工，2013，42（11）：2 124-2 130.

[4]徐素鹏，李亚静，黄翼，等．油田采油阻垢剂筛选研究[J]．新乡学院学报，2012，29（6）：506-510.

（栏目主持 杨 军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.8.018