油田结垢机理及防治技术

油田结垢机理及防治技术2009年6月·西安油田结垢机理及防治技术一、油田结垢的分布规律二、结垢机理及影响因素三、结垢的预测技术四、防垢技术及应用效果油田进入含水期开发后，由于水的热力学不稳定性和化学不相容性，往往造成油井井筒、地面系统及注水地层的结垢问题，给生产带来极大的危害。由于结垢等影响，造成了油井产液量下降，管线及加热炉堵塞，同时结垢也增加了油井的起下作业，严重者造成油井停产或报废，造成经济损失。前言以长庆油田为例长庆马岭、安塞等油田，525口井、100多个站存在结垢问题。极个别井的修井周期仅一个月或十天左右；有的井套损后，结垢严重，隔水采油封隔器座封困难；有的井因结垢堵死，抽油杆被拉断，油井被迫关井。注水地层结垢，则可堵塞油层，使采油指数下降，从而影响油田的开发效果与经济效益。油田结垢概况2008年资料CaC03垢一般出现在油井井筒射孔段以上50m内的井下压降区，如井下油管内外壁、筛管、尾管、抽油泵及套管内壁等部位。经调查的86口结垢井，结CaC03垢的有42口，占48.8%。这些井采油层位一般为单层，如延9、延10，水型大都为CaCl2型，个别井为NaHC03型(4.76%)。在油井生产过程中，当流体从相对高压地层流向压力较低的井筒时，压力下降，温度变化，使CO2释放而生成CaC03垢。这类井一般合HC03-较高，如岭69井，含HC03-5097mg／L，中12井HC03-为1331mg／L，所以，这两口井都结CaC03垢。地面集输系统的加热炉、换热器是一个升温环境，有利于CaCO3垢生成，在炉管与换热器弯管处常有CaC03垢产生。一、油田结垢的分布规律●CaCO3垢地面集输系统与油井结垢分布CaS04垢在调查的86口井中，有l1口，占12.8%，水型多为Na2SO4型。也有CaCl2型的。油井CaS04结垢一般在井筒底部的油管外或套管内壁。CaS04结垢，主要由于两种不相容水的混合，如南176井，Na2S04水型，采油层位为Y4+5与Y9，即不同层位合采；岭405井，采油层位Y4+5，Y8及Y10，这两口井都在井筒油管内(外)结CaS04垢。岭212井在采油初期生产层位Y7，Na2SO4水型，Y10系CaCl2型，但产出液中不含水，无结垢，后来Y10层位见水，两层合采，即在尾管发现CaSO4结垢。在地面站，也常因不同层位的生产井来水混合而结CaS04垢，主要结垢部位在收球筒及总机关处。●CaS04垢分布规律●Ba(Sr)SO4垢Ba(Sr)S04垢一般在油井中少见，尽管马岭南区调查112口生产井，产出水含Ba2+的井有57口，且Ba2+含量很高，但这些井却并不结垢，如南11井、南75井，Ba2+高达1600mg／L以上，因无S042+，未见结垢。调查的86口结垢井，结BaS04垢仅有5口，水型为CaCl2型，结垢部位在井下油管及筛管外。Ba(Sr)S04垢绝大多数出现在地-面集输(计量)站，如马岭油田中区及南区20个站中，结BaS04垢的有11个站。结垢部位为集油管线管汇、收球包及输油泵内。Ba(Sr)SO4结垢完全是两种不相容水混合的结果。分布规律分布规律转油站结垢部位示意图油井管柱结垢示意图分布规律依据室内水驱模拟试验资料、结垢机理研究结果、现场防垢试验和结垢取芯井岩矿鉴定资料，已有充分论据说明地层结垢是存在的。尤其是结垢检查井从1300多米以下地层所获得的岩芯及其分析资料，说明马岭注水地层结垢的主要机理是富含S042-的注入水与地层水中的Ba2+、Sr2+、Ca2+混合后发生化学沉淀引发的。结垢的分布规律与过去仅以热力学理论为基础所进行的物理模拟和数值模拟不尽相同，地层中发现有大量与粘土伴生的硫酸钙、含锶硫酸钡垢。一般距油井井筒50～330米。分布规律近井地带与注水地层结垢滞留水新生矿物（CaSrBa）SO4·2H2O120CaCl2Y10交潜带水热力学条件变化产生CaCO3垢次生硫酸盐矿物新生CaSO4·2H2O（Ca·Ba）SO415-75.590-120Na2SO4NaHCO3CaCl2延4+5Y6Y7Y9渗透带水1.8-2.0Na2SO4洛河层水地表水＜2Na2SO4环河水水特征及可能生成矿物总矿（g/l）水型产层马岭油田水化学特征与结垢关系结垢的形成过程是个复杂过程，一般可分成下面四步:第一步：水中离子结合形成溶解度很小的盐类分子：Ca2++S042-—CaS04Ba2++S042-—BaS04Ca2++C032-—CaC03第二步：结晶作用，分子结合和排列形成微晶体，然后产生晶粒化过程。第三步：大量晶体堆积长大，沉积成垢。第四步：由于不同的条件，形成不同产状的结垢。二、油田结垢机理及影响因素1．油田结垢机理①碳酸盐结垢机理碳酸盐垢[CaC03，CaMg(C03)2]是由于钙、镁离子与碳酸根或碳酸氢根结合而生成的，反应式如下：Ca2++C032-=CaC03↓Ca2++2HC03-=CaC03↓+C02↑+H20Mg2++2HC03-=MgC03↓+C02↑+H20结垢机理结垢机理碳酸盐垢是油田生产过程中最为常见的一种沉积物。常温下，碳酸钙溶度积为4.8×10-9，在25℃，溶解度0.053g／L。在油田地面集输系统，由于温度升高，压力降低，C02释放，使CaC03沉淀的可能性增加；而在油井生产过程中，当流体从高压地层流向压力较低的井筒时，C02分压下降，水组分改变，就成为CaC03溶解度下降并析出沉淀的主要原因之一。马岭油田中12井水含Ca(HC03)2为1l.81mmol／L，如果这些盐在加热炉中全部分解成为CaC03，则可能有ll.81mmol／L的CaC03生成，CaC03溶解度仅为6.9×10-5mol／L，即每吨水中可产生l.173kg的垢。结垢机理②硫酸盐结垢机理油田硫酸盐垢主要有CaS04，BaS04和SrS04，而以CaSO4最为多见。硫酸盐从水中沉淀的反应式如下：Ca2++S042-=CaS04↓Ba2++S042-=BaS04↓Sr2++S042-=SrS04↓对于CaS04垢，在38℃以下时，生成物主要是石膏CaS04·2H20，超过这个温度主要生成硬石膏CaS04，有时还伴有半水硫酸钙CaS04·l／2H20。由于油田地层水中Ba2+较Sr2+高，所以生成的钡垢(重晶石)较锶垢(天青石)为常见。结垢机理马岭油田岭77井延10地层水中CaS04的含量为19．1×10-3mol／L，而在常温下，CaSO4的溶解度为7．8×10-3mol／L，显然此水是CaS04的过饱和水。但在单一层水中，未发现CaS04垢。而当该井水与含S042-11.7g／L的中212井产出水混合则在地面系统的收球包及泵内产生大量的石膏垢沉积。岭212井合采延10与延7层，早期延10层不含水，只有延7层低产水，油井无结垢情况，后来，延10层出水，该井也同时出现了结石膏垢的情况。BaS04结垢以地面站为主，凡结钡垢的站所辖油井一般高含Ba(Sr)离子，单井结垢问题并不突出，而当不同层位生产井来水在站内混合，则导致垢的产生。结垢机理开发试验区注水地层BaSO4结垢趋势0.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0700.0800.0900.01000.000.10.20.30.40.50.60.70.80.91地层水比例BaSO4，mg/L白102董志吴93沿1沿7元48张15镇53庄19庄9结垢机理分析项目mg/l正221-4延安组27集油站原始污水处理后净化水4093井长6长7混合水K++Na+9030.0140001200041600Ca2+467.0161012507670.0Mg2+141.0337313772.0Ba2+0.0002870.0Cl-7610.0250002210081200HCO3-965.041026180.0CO32-0.01300.0SO42-9450.01330480.0pH6.46.56.55.9总矿276634300036000134292水型Na2SO4CaCl2CaCl2CaCl2结垢机理原始污水、净化水、高硫酸根水和高钡地层水配伍性试验硫酸钡结垢潜量（50℃）污水/长6长7混合水原始污水和4093井地层水净化水和4093井地层水正221-4高SO42-水和4093井地层水V/VBa(Sr)SO4mg/LBa(Sr)SO4mg/LBa(Sr)SO4mg/L0/100.000.000.001/9323.2611.672296.842/8646.5223.333901.013/7969.7835.003413.384/61293.0446.672925.765/51616.3058.332438.136/41939.5670.001950.507/31462.8881.671462.888/2975.2593.33975.259/1487.63105.00487.6310/00.000.000.00配伍性试验水质分析资料0.0500.01000.01500.02000.02500.03000.03500.04000.04500.00/101/92/83/74/65/56/47/38/29/110/0混合比例BaSO4结垢潜量（mg/L）原始污水和4093井地层水净化水和4093井地层水正221-4高SO42-水和4093井地层水结垢机理原始污水、净化水、高硫酸根水和高钡地层水硫酸钡结垢潜量对比（50℃）注入水→←高钡地层水0.0500.01000.01500.02000.02500.00/101/92/83/74/65/56/47/38/29/110/0混合比例结垢量mg/LBa(Sr)SO4mg/LCaCO3mg/L结垢总量mg/L结垢机理油田污水与地层水结垢趋势图水中成垢离子含量越高，形成垢的可能性就越大。对某一特定的垢，当超过了它在一定温度和pH值下的可溶性界限时，垢就沉积下来。当不同水源的两种水混合或所处系统的条件改变，成垢离子发生变化，趋于达到一种新的平衡，于是就产生结垢。影响因素2．结垢的影响因素分析①物理.化学因素在油田，结垢可发生在井筒、地层及集输系统的各个部位。如井下近井地层、井壁、炮眼、井下泵和油套管管柱；地面站系统如计量站总机关、分离器、输油泵、换热器、加热炉等；注水系统如注入水贮罐、管线与注水井等。▲成垢离子浓度▲水的成份水中盐含量增加，通常能增大垢的溶解度，这是一种盐效应。由于在含盐量低的水中，妨碍成垢离子吸引和结合的非成垢离子较少。如对CaC03来讲，它在200g／L盐水中的溶解度较在高纯水中大2.5倍；而BaS04，在120g／L盐水中溶解度比纯水中大13倍。▲压力和温度碳酸钙的溶解度随着温度的升高和C02的分压降低而减小，后者的影响尤为重要。因为在系统内的任何部位，压力降低都可能产生碳酸钙沉淀。Ca2++2HC03══CaC03↓+C02↑+H20如果系统内压力降低，溶液中C02减少，促使反应向右进行，导致CaCO3沉淀。影响因素硫酸钙(CaS04·2H20)的溶解度随着温度的升高而增大，可是当达到35℃一40℃以上时，溶解度又随温度的升高而减小。硫酸钙的溶解度随压力升高而增大，这完全是物理效应。硫酸钡的溶解度随温度与压力的升高而增大，因此这类垢常发生在采油井。但温度影响幅度较小，如25℃时，BaS04溶解度2.3mg／L，温度提高到94℃，BaSO4溶解度仅增加到3.9mg／L。但在100℃以上，其溶解度却随温度上升而下降，如180℃，BaS04溶解度与25℃相当。降低pH值使溶解度增大，减弱了成垢倾向，这种作用对CaC03垢的影响非常明显，对硫酸钙次之，对硫酸钡(锶)的影响甚微。▲pH值影响因素在一般生产井，结垢主要在井筒，并且垢的厚度随深度而增加，表明结垢优先在井底部高度湍流区域发生，如射孔段，其次在层流区。在地面系统结垢，也易产生于输油管线及注水管线弯头、闸门的滞流区。即如一般油田生产中常见到的，液流速度快，垢不易沉积，如果流速突然改变或流向改变，都易造成结垢。★管输流动状态在成垢过程中，一般溶