（石油与天然气工程专业论文）盘古梁油田防垢技术研究.pdf

中文摘要 论文题目； 专业： 硕士生： 指导老师： 盘古梁油田防垢技术研究 油气田开 郑明科( 谭成仟( 摘 要 油田开发过程中，结垢是一个伴随始终的严重问题。结垢会使原油产量下降；降低 设备传热效率，缩短油井使用寿命，甚至使油井停产、报废，这些都严重影响油田开发 效益。目前，大多数油田都使用阻垢剂来延缓、减少或抑制结垢。研究阻垢机理以及影 响阻垢性能的各种因素，开发新型高效阻垢剂，对于改进和指导阻垢技术的现场应用有 着重要的意义。 根据共聚物结构与阻垢性能的关系以及长庆油田实际情况，本文阐述了l s b 3 阻垢 剂的聚合物合成及其阻垢性能和综合性能，探讨了合成条件和介质条件对聚合物阻垢性 能的影响，用红外光谱法对聚合物进行了表征，并对其阻垢机理做了粗略地探讨。 首先以水为溶剂，过硫酸盐为引发剂，以富马酸、甲基丙烯酸、苯乙烯磺酸、顺酐 乙醇胺为原料，依照自由基聚合原理，通过溶液聚合方法，合成了聚合物阻垢剂l s b 3 。 考察了单体配比、引发剂用量、聚合温度和反应时间对聚合物合成及其阻垢性能的影响。 合成实验结果表明，l s b 3 阻垢剂的合成工艺条件为：单体配比n ( a ) ：n ( b ) ：n ( c ) = l ：0 4 ：0 6 ，引发剂占单体总质量百分数1 0 1 5 ，反应温度为7 5 8 5 ，反应时间 为4 h 。聚合物对垢物的抑制效果表明，l s b 3 聚合物阻垢剂阻硫酸钙垢和硫酸钡垢效果 良好，当聚合物用量为1 5 m g l 时对硫酸钙垢的阻垢率可达9 3 8 ，聚合物用量为8 0 m g l 时对硫酸钡垢的阻垢率为9 6 7 ；但对碳酸钙垢和硫酸锶垢的阻垢率都不高，分别仅为 6 0 8 和5 2 1 。 然后论文分析了介质条件如聚合物浓度、介质p h 值、温度、矿化度对阻垢性能的 影响。实验结果表明，共聚物阻垢剂的阻垢效果受介质条件影响较大，适当增加阻垢剂 的量、降低成垢阳离子浓度、调整介质p h 值和温度，能提高聚合物的阻垢性能。共聚 物l s b 3 对硫酸钡垢、硫酸锶垢的阻垢率随共聚物浓度的增加而升高；随成垢阳离子浓 度的增加而下降；对硫酸钡垢的阻垢率随温度的升高而稍微上升，对硫酸锶垢的阻垢率 随温度的升高而下降；共聚物阻硫酸钡垢、硫酸锶垢的性能基本不受p h 值的影响。共 聚物l s b 3 对阻硫酸钡垢的应用条件为：共聚物加量为5 0 1 0 0 m g l ，钡离子浓度小于 4 0 0 0 m g l ；阻硫酸锶垢的应用条件为：共聚物加量为5 0 1 0 0 m g l ，锶离子浓度小于 2 5 0 0 m g l ，介质温度为5 0 8 5 。 此外还对所合成的聚合物做了红外光谱分析。证明l s b 3 分子结构中，含有活性基 团羟基( 伽) 、酯基( - c o o ) 和羧酸基( - c o o h ) 。 论文对聚合物阻垢剂l s b 3 的阻垢机理进行了研究，其机理为螯合作用、凝聚作用、 n 中文摘要 分散作用以及晶格歪曲作用的综合表现。 最后将所合成的阻垢剂进行现场应用，效果显著。 关键词：结垢聚合物合成阻垢剂性能评价现场应用 i i i 茎茎塑薹 s u b j e c t ：s t u d yo f s c a l ei n h i b i t o r st e c h n o l o g yi np a n g u f i a n go i l f d e d a b s t r a c t d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fp o o l ，t h es c a l i n gi st h es e r i o u sp r o b l e ma l lt h et i m e f o r m i n g t h e s c a l ew i l lm a k et h eo u t p u to fo i ld r o p , r e d u c et h es p r e a d i n gt h e r m a le f f i c i e n c yo f e q u i p m e n t ，s h o r t e nt h e 蝌v i g el i f eo fo i lw e l l , c v e nm a k eo i lw e l ls t o pp r o d u c i n 舀a n d t 0b c r e j e c t e d a l lt h e s ew i l la f f e c to i lf i e l d se x p l o i t a t i o nb e n e f i ts e v e r e l y n o wm o s to i l f i e l d st a k e t h es t e po f a d d i n gs c a l ei n h i b i t o r st os u s p e n d , r e d u c eo ri n h i b i ts c a l i n g s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n t t os t u d yn e w l ys c a l ei n h i b i t o r sh a v i n gp r e m i u mp r o p e r t i e s ，a n f i s c a l em e c h a n i s ma n dt h e f a c t o r so f i n f l u e n c i n gt h ea n t i s c a l e o nt h eb a s i so ft h er e l a t i o na b o u tc o p o l y m e rs 缸 u c t u r ea n da n t i s c a l ep r o p e r t y , a sw e l la s t h ec o n d i t i o no ft h ew a t e rq u a l i t ya n ds c a l i n gi nc h a n g i n go nf i e l d , w ed e v e l o pm a l e i c a n h y d r i d eg r o u pp o l y m e rs c a l i n gi n h i b i t o r s s y n t h e s i sa n da n t i s c a l ep e r f o r m a n c ea sw e l la s s y n t h e t i cp r o p e r t i e so f t h ep o l y m e r i cs c a l ei n h i b i t o r sa r cs t u d i e d ，e f f e c t so f r e a c t i n gc o n d i t i o n s a n dc h a n g e so fw a t e rq u a l i t y0 1 1t h ea n t i s c a l ep 既f 0 时m 愀o ft h ep o l y m e ra r ed i s c u s s e d , t h e m a c r o m o l e c u l a r sa r ec h a r a c t e r i z e db yi rs p e c s a , a n dt h ea n t i s c a l em e c h a n i s mo fm a l e i c a n h y d r i d eg r o u pp o l y m e r a l - ed i s c u s s e dr o u g h l y a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ff r e er a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n , t h ew a t e r - s o l u b l ep o l y m e r sa r e p r e p a r e db ys o l u t i o np o l y m e r i z a t i o nt e c h n i q u e sw i t hw a t e ra ss o l v e n ta n dp e r s u l p h a t ea s i n i t i a t o r t h em o n o m e r sa m a l e i ca n h y d r i d e ( a ) ，a c r y l i ca c i d ( a ) ，a c r y l i ce s t e r , a n ds u c h i n h i b i t o ri so b t s j n 烈 嬲l s b - 3n 圮e f f e c t so ft h em o n o m e rr a t i o ，i n i t i a t o ra m o u n t , r e a c t i o n t e m p e r a t u r ea n dr e a c t i o nt i m eo nt h es y n t h e s i sa n da n t i s c a l ea b i l i t i e sa r ei n v e s t i g a t e d 1 1 把 s y n t h e t i c m e t h o d o l o g y o f s c a l e i n h i b i t o r l s b - 3i s ：m o n o m e rr a t i o i s n ( a ) ：n 毋) ：n ( c ) 2 l ：o 4 ：0 6 ， i n i t i a t o rc o n s u m p t i o ni s1 0 - 1 5 o ft o t a lm o n o m e rq u a l i t y , r e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s7 5 8 5 c ， r e a c t i o nt i m ei s4 h t h er e s u l t so fs t a t i cs c a l ci n h i b i t i n ge x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e p e r f o r m a n c eo fl s b - 3i s9 0 0 da ti n h i b i t i n gt h ed e p o s i t i o no fc a s 0 4a n db a s 0 4 ，a n dt h e c a s 0 4s c a l ei n h i b i t o r yr a t ec a nb eu pt o9 3 8 w h e nt h ec o n s u m p t i o no f t h el s b 一3i s1 5 m g l ， t h eb a s 0 4s c a l ei n h i b i t o r yr a t ec a nb eu pt o9 6 8 w h e nt h ec o n s u m p t i o no ft h el s b 一3i s 8 0 m g l ；b u tt h ec a c 0 3 s c a l ei n h i b i t o r yr a t ea n dt h es r s 0 4s c a l ei n h i b i t o r yr a t eo f t h el s b - 3 i so n l y6 0 8 a n d5 2 1 r e s p e c t i v e l y t h e nt h ec h a n g e so fw a t e rq u a l i t ys u c ha sp o l y m e rc o n c e n t r a t i o n , p hv a l u e 。t e m p e r a t u r e a n ds a l i n i t yb | f i n g i n gg r e a te f f e c t so nt h es c a l ei n h i b i t o r yh a v eb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r t h e 英文摘要 r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n d i t i o n so fw a t e rq u a l i t yc a ne f f e c tt h ea n t i s c a l ep e r f o r m a n c eo f p o l y m e rs c a l ei n h i b i t o r sg r e a t l y b yi n c r e a s i n gp o l y m e ra m o u n t , d e c r e a s i n gc a t i o nf o r m i n g s c a l ec o n c e n t r a t i o na n da d j u s t i n gp hv a l u ea n dt e m p e r a t u r ea p p r o p r i a t e l y , t h ea n t i s c a l e p e r f o r m a n c eo ft h ep o l y m e r sw i l lb ei m p r o v e d t h eb k s 0 4s c a l ea n ds r s 0 4s c a l ei n h i b i t o r y r a t eo f t h ec o p o l y m e rl s b 一3i si n c r e a s i n gw i t ht h ee n h a n c i n go f t h ec o p o l y m e rc o n c e n t r a t i o n a n di sd r o p p i n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fc a t i o nf o r m i n gs c a l ec o n c e n t r a t i o n , t h eb a s 0 4s c a l e i n h i b i t o r yr a t eo f t h ec o p o l y m e rl s b 3i si n c r e a s i n gs o m e w h a tw i t hr i s i n go f t e m p e r a t u r e ，t h e s r s 0 4s c a l ei n h i b i t o r yr a t ei sd r o p p i n gw i t hr i s i n go f t e m p e r a t u r e ，p hv a l u eh a v en o ta f f e c t e d a n t i s c a l ep r o p e r t i e so fl s b 3o nb a s 0 4s c a l ea n ds r s 0 4s c a l e t h ep o l y m e rs c a l ei n i f i b i t o r l s b - 3o nb a s 0 4s c a l ei sf i tf o rc o n d i t i o na sf o l l o w s ：t h ec o n s r m p t i o no fp o l y m e r 5 0 1 0 0 m g l ，b a 2 + c o n c e n t r a t i o nl e s st h a n4 0 0 0m g l ，0 1 3s r s 0 4s c a l ei s ：t h ec o n s u m p t i o n o f p o l y m e r5 0 1 0 0 m g l ，s pc o n c e n t r a t i o nl e s st h a n2 5 0 0 m g l ，w a t e rt e m p e r a t u r e5 0 - 8 5 。c f u r t h e r m o r e ，s y n t h e t i z e dp o l y m e r sh a v eb e e na n a l y z e db yi n f i a r e ds p e c t r u m f r o mt h e i n f i a r e da b s o r p t i o ns p e c t r u mo fl s b - 3 ，w ec a nk n o wt h a tt h e r ea r er e a c t i v er a d i c a lh y d r o x i d e r a d i c a l ( 一o h ) ，e s t e rr a d i c a l ( c o o - ) a n dc a r b o x y l i cr a d i c a l o o 聊i nt h em o l e c u l a rs t r u c t u r e o f l s b 3 t h em e c h a n i s mo fp o l y m e ri n h i b i t o rl s b - 3w a ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o w t h a tt h em e c h a n i s mi sc o m p r e h e n s i v em a n i f e s t a t i o no f s e q u e s t e r i n ga c t i o n , c o a l e s c e n c ea c t i o n ， d i s p e r s i o na c t i o na n dl a t t i c ed e f o r m a t i o na c t i o n f i n a l l y , p o l y m e ri n h i b i t o rl s b 一3w a su s e di nf i e l da p p f i c a t i o na n d h a dg o o de f f e c t s k e yw o r d s ：s c a l e ，p o l y m e r , s y n t h e s i s ，s c a l ei n h i b i t o r , p r o p e r t ye v a l u a t i o n , f i e l da p p l i c a t i o n v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写的研究成果，也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：日期：兰兰：! 兰：! ： 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即；研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名：日期! ! ! 三：! ： 导师签名：瑶p 牛日期：j ! 互丝l 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 油田开发过程中，结垢是一个伴随始终的严重问题。结垢一般是指具有反常溶解度 的难溶或微溶盐类物质在储层、管线及设备中形成密实的结晶体。油田进入中后期开发 后，普遍采用注水采油工艺；同时为消除环境污染，对油田污水又主要采取回注处理。 在上述生产过程中，由于压力、温度等条件的变化以及水的热力学不稳定性和化学不相 容性，往往会造成注水地层、油套管、井下附件、地面设备及集输管线出现结垢。结垢 会使油井产量下降；降低设备传热效率，缩短油井使用寿命，甚至使油井停产、报废， 这些都严重影响油田开发效益“1 。因此，解决井下及地面集输管线的结垢问题对提高油 田开发效益有很重要的意义。 1 1 选题意义及依据 本论文主要是针对长庆油田采油三厂盘古梁油田的结垢问题提出的。 1 1 1 盘古梁油田结垢现状 靖安油田注水开发以来，共发现结垢的油井有3 7 口，所涉及的2 0 个增压点、计量 站和接转站、3 个联合站都有不同程度的结垢。结垢主要集中在盘古梁油田，郝坨梁、 五里湾一区和二区结垢比较轻微。 盘古梁油田是长庆油田采油三厂的主力油田，2 0 0 1 年投入开发，目前已达到年产原 油5 5 万吨的生产能力。生产的主力层位是三叠系长6 层，其次是侏罗系的y 9 、y i o 层。 2 0 0 3 年初开始发现地面集输系统结垢严重( 长6 产液自身结垢) ，其结垢部位主要在增 压点、接转站的加热炉及外输离心泵等处，导致频繁更换加热盘管和集输管线、维修外 输泵，严重影响日常生产。其中盘二转、盘6 0 - 2 1 增等六个站点结垢最为严重，仅仅一 个月，加热炉盘管结垢堵死，造成生产设备损坏。 1 1 2 结垢对油田生产的影响 a 地层结垢： 注入水与地层水相遇，由于水的不相容性产生的结垢是地层垢。目前只是对注入水按 标准进行水质控制以确保能注入地层，但对预防注入水在地层中引起的结垢问题并没有 相应的技术规范，特别是对那些中低渗透率的油藏，地层中结垢造成的渗透率下降，致 使注水压力不断升高，注入能力不断下降，吸水厚度逐渐减薄，甚至注不进，钻结垢检 查井也能证实有地层垢存在。结垢一旦堵塞地层，通常是很难再清除掉的，因此地层垢 造成的地层伤害常是永久性的。 b 近井地带结垢： 有一部分生产井见水后产液量会急剧下降，实施压裂或酸化处理后，产液量虽然大增， 西安石油大学硕士学位论文 但很快又下降，其原因是近井油层的快速集中结垢所致，因此效果不大。向生产井运移 的含水地层流体在经过近井地层时，这是一个“压降漏斗区”，压降可达几个m p a , 甚至 更多。水中同时含有c 0 2 ，那么c 0 2 会因压力降低而逸出，这一过程破坏了水的原始平 衡状态，可能有碳酸盐垢“就地”生成，近井地层遭受盐垢堵塞，这类垢是近井垢。近 井垢造成渗透率下降，产液量也就相应减少。近井垢直接影响油井产液量，应采取清防 结合的措施来解决。 有一部分生产井见水后产液量会急剧下降，实施压裂或酸化处理后，产液量虽然大 增，但很快又下降，其原因是近井油层的快速集中结垢所致，因此效果不大。向生产井 运移的含水地层流体在经过近井地层时，这里是一个“压降漏斗区”，压降可达几个m p a , 甚至更多。水中同时含有c 0 2 ，那么c 0 2 会因压力降低而逸出，这一过程破坏了水的原 始平衡状态，可能有碳酸盐垢“就地”生成，近井地层遭受盐垢堵塞，这类垢是近井垢。 近井垢造成渗透率下降，产液量也就相应减少。近井垢直接影响油井产液量，应采取清 防结合的措施来解决。 c 井筒结垢： 采油时，当流体从相对高温高压地层流入井筒时，由于压力和温度的急速降低，能产 生以碳酸盐为主的结垢；若不同储集层合采，由于不同层的产液中水的不相容性，还可 能有硫酸盐垢产生。回注污水时，由于污水中成垢离子含量较高，加上管柱流体层流的 特性和温度压力的变化，管壁容易结垢，而且垢质复杂坚硬，难以清除。这些垢称为井 筒垢，聚集在油管内外壁、筛管、尾管、套管内壁等处，可致使管径缩小，并对产液阻 流，造成抽油杆断脱、卡泵等故障。同时还存在严重的垢下腐蚀即垢蚀现象，使管材变 形和破断，迫使油井停产，因此井筒是防垢的重点部位。 因测吸水剖面遇阻，2 0 0 6 年2 月对遇阻注水井检串，发现井筒结垢严重，见下图 卜1 所示： 图卜1盘古梁污水回汪井油管结垢严重 d 地面管线及设备结垢油井产出液离开井口后，在经过不同的管线和设备时， 会经历不同的介质、压力、温度、流速、停留时间、分离而可能生成各种盐垢。地面各 种设备中的这类结垢统称为设备垢，通常具有“点状”特征，结垢位置普遍在加热炉、 阀门、泵头和叶轮以及流量计、死弯头等处，结垢后引起集油回压上升、泵卡及设备管 线穿孔、加热炉效率降低等等。如盘3 6 3 1 、盘3 4 3 3 、盘3 8 3 8 、盘3 9 2 8 等4 个 2 第一章绪论 增压点，加热炉盘管结垢厚达5 l o n m ，分别在2 0 0 3 年8 月份、1 1 月份被迫更换盘管。 盘6 0 - 2 1 增压点2 0 0 3 年l o 月3 日投运，同年1 1 月2 4 日由于加热炉进出口压差大，打 开盘管发现内壁结垢厚达8 1 2 m m ，随之采取在上游盘5 5 2 1 井口添加当时的z g 9 3 0 阻 垢剂，但无效，只得更换。 圈1 - 2 盘6 0 - 2 1 增压点加热炉盘管结垢图片( 2 0 0 4 年1 1 月拍摄) 2 0 0 5 年5 月份5 口注水井地面注水管线锯断检查结垢情况，结果发现结垢严重， 个别管线基本被垢堵实。见下图卜3 所示： 盘4 9 - 2 2盘5 3 - 2 0 盘5 1 - 2 0盘5 1 - 2 2 图1 - 3盘古梁区块污水回注井地面注水管线结垢图片 1 1 3 盘古梁油田水质分析数据 盘古梁油田自投入开发以来，先后对不同层位的采出水和注入水做了大量水性分析 工作，结果见表1 - 1 。 从表中得知，盘古梁油田的水质复杂，盘古梁油田的水质复杂，其采出污水水型主 3 西安石油大学硕士学位论文 要为c a c l 。型，富含b 矿、s r ”离子；注入清水水型为n a 。s 0 , 型，富含h c 0 3 - 离子，而c a c l z 水型与n a 2 s 0 , 水型不配伍，混合容易产生c a c 0 , 、c a s 0 , 垢以及b a s 0 ( 、s r s 0 4 垢，而硫酸 钡锶垢的防治难度大，成效低。，“。 表1 - 1 盘古粱油田水质数据表 井号 i 【+ n a + c a 斗 m 9 2 + 8 a + s t c 1 。s 0 c 吖。 眦执。总矿化度 水型 盘5 9 1 92 3 4 4 9 4 2 1 0 3 2 2 64 9 0 9 1 1 8 62 5 2 2 25 5 7 8 2 0 61 6 508 8 9 89 0 1 3 5 6 7c a c l 2 盘5 1 3 1 1 9 9 8 5 61 4 7 2 3 22 9 7 6 11 0 6 02 3 3 55 7 6 8 8 2 19 8 8o3 6 0 79 2 7 4 0 5 4c a c l 2 盘3 2 2 81 4 8 3 4 7 72 0 6 3 3 1 8 02 6 9 73 0 8 0 9 55 9 0 8 3 8 19 0 5 1 1 2 5 11 3 9 8 39 4 8 9 4 6 5c a c l 2 盘5 8 2 91 2 8 “6 6 3 “6 93 8 7 5 19 2 5 22 2 2 4 83 2 1 3 4 5 48 2 3o7 8 1 55 1 8 1 7 7 c a c l 2 盘3 8 - 4 01 8 7 6 4 12 1 5 0 4 81 4 8 2 3 8 1 51 6 7 3 5 16 7 8 1 8 5 43 1 2 80 2 4 0 51 0 8 1 5 7 5 8c a c l 2 盘3 4 2 9 4 1 6 7 64 5 3 9 6 46 23 4 2 71 0 3 1 41 4 4 1 1 3 13 4 5 706 0 1 22 3 2 1 9 “ c a c l 2 盘2 2 3 77 6 8 6 8 3 1 3 4 5 9 8 76 1 3 72 0 1 59 6 6 8 23 5 7 9 7 8 48 2 305 7 25 7 0 7 1 3 4c a c t 2 盘2 8 3 1 9 3 6 3 7 61 2 6 9 7 3 44 8 1 2 42 6 4 85 1 5 7 13 8 2 3 0 76 0 9 l03 8 1 46 0 8 7 2 0 9c a c l 2 盘4 8 2 95 8 8 5 4 7 2 8 7 6 7 41 2 6 3 38 6 _ 3 36 6 3 7 21 4 4 2 3 42 3 0 501 5 2 5 42 3 4 8 7 ，5 3c a c l 2 盘2 9 3 11 2 0 8 9 9 5 1 9 7 3 4 3 91 2 2 7 44 6 0 52 5 4 0 35 3 8 7 0 5 33 2 9 05 0 8 58 5 8 7 1 7 5c a c l 2 盘“1 9 1 0 0 1 6 55 2 59 7 9 65 3 9 44 0 3 7 l6 1 6 5 3 25 202 2 2 4 38 0 2 3 8 8 c a c l 2 盘3 2 - 2 9 2 4 1 52 5 3 0 0 53 0 6 91 7 2 76 18 1 6 7 4 75 7 6 201 3 3 4 71 3 3 3 4 3 c a c l 2 盘4 7 2 65 3 5 3 2 5 3 5 7 1 1 31 2 6 3 31 4 9 7l j 4 11 4 5 9 7 1 81 6 9 5 703 6 8 6 42 4 1 8 6 1 c a c l 2 盘5 6 2 1 1 6 7 0 3 81 1 9 7 42 7 7 9 6o02 7 6 2 4 0 71 2 7 2 601 9 2 3 4 7 2 6 8 1 2c a c l ， 盘3 6 2 92 2 0 2 4 8 1 8 0 7 2 l3 0 6 1oo6 5 9 3 4 71 4 8 201 3 2 2 61 0 7 8 0 8 5m g c l 2 盘3 7 2 8 1 5 5 7 l6 2 68 3 2 7 0 01 9 8 73 5 0 71 1 8 22 l o 4 11 0 7 3 1 3n a 2 s 0 4 ( 注) 盘5 7 - 2 4 1 7 8 4 86 0 7 28 2 2 4o02 2 9 33 5 2 302 2 8 8 l1 1 3 1 9 3n a 2 s 0 4 ( 注) 1 1 4 盘古梁油田结垢物分析 将从现场所取的垢物进行分析，结果见表卜2 。 表1 - 2 盘古梁油田垢样分析结果 矿物成分 酸不 水分 结垢点 溶物 及挥 发物 c a s 0 4c a c 0 3m g c 0 3f e c 0 3f e sf e of e 0 3n a c lm g o 盘一转 02 5 24 2 30000 4 6o 3 508 9 5 0 1 3 2 盘二转 o1 5 2 l6 4 200 4 91 0 52 6 3o 1 307 0 2 41 7 8 盘三转3 85 1 7 11 8 4 o 0 0 51 5 9 1 2 2 0 2 8 0 4 53 2 7 45 3 盘四转 2 0 48 6 3o00o 8 21 1 20 2 32 0 48 3 9 70 5 1 盘3 4 - 3 1 1 4 68 6 0 3 oo0 4 4o 3 7o 7 20 1 3o6 6 53 5 1 并 柳1 3 2 1 6 35 9 3 30 8 34 9 2o1 4 oo0 0 8，1 4 3 77 2 8 增 靖一联 3 24 4 9 5o5 2 7oo1 5o 1 7|3 7 8 26 4 6 注：酸不溶物主要是硫酸钡、硫酸铭垢。 从上表可以看出靖安油田的结垢物主要为碳酸钙垢、硫酸钡锶垢。因此，解决盘古 4 第一章绪论 梁油田结垢尤其是硫酸钡锶垢问题迫在眉睫。 1 2 结垢理论 水垢的种类很多0 1 ，但通常油田水中只含有其中少数几种水垢。最常见的水垢有碳酸 盐垢( 如c a c o 。、m g c 0 3 ) ，但易被酸化去除，危害相对较小；硫酸盐垢( 如c a s o , 、b a s o 。、 s r s 0 ) ，一般很难去除，因此危害很大；铁化物垢( 如f e c o s 、f e s 、f e ( o h ) t 、f e ：0 3 ) 及 n a c i 垢因含量低而危害较小。实际上一般的垢都不是单一的组成，往往是混合垢，只不 过是以某种垢为主而已。 有关结垢的机理主要有以下几种。一： 1 2 1 不相容论 两种化学不相容的液体( 不同层位的地层水，地层水与地面水、清水与污水) 相混， 因为含有不相容的或不同浓度的离子，就会产生不稳定的、易于沉淀的液体。 1 2 2 热力学条件变化论 当井下热力学和动力学条件不变时，即使有不相容的离子，并且为过饱和溶液也会处 于稳定的状态。在油井生产的过程中，压力下降，温度上升，或流速变化，高矿化度水 就会结垢。对油井来说，一般井下3 0 0 4 0 0 米处结垢最严重，而在弯管处、阀门处更易 结垢。 1 2 3 吸附论 结垢可分为三个阶段：垢的析出、长大和沉积。垢是晶体结构，管线设备表面是凹 凸不平的，是微观的毛糙面，垢离子会吸附在壁面，以其为结晶中心，不断长大，成为 坚实致密的垢。在油田水中，水垢的形成过程往往是一个混合结晶的过程，水中的悬浮 粒子可以成为晶种，粗糙的表面或其他杂质离子都能强烈的催化结晶过程，使得溶液在 较低的饱和度下就会析出结晶。 1 3 国内外现状及进展 目前国内外对油田结垢预防方法有很多，但都有相应的适用条件。因为油田水产量 大而水质差，因此在选用结垢控制方法时必须考虑工程可行性、投资和经济效益。目前 结垢控制技术主要有下面几种：扭1 ”1 ” 1 3 1 物理方法防垢 水的组成，结垢环境的温度、压力以及电磁场情况，是否使用涂料塑料等，这些是 影响结垢的物理因素，控制或调节其中一些因素，可以实现防垢目的。 a 避免不相容的水混合不相容的水是指两种水混合时，会沉淀出不溶性产物， 导致垢的生成。在油田生产过程中，应尽可能的避免不相容水的混合，如对于套管损坏 5 西安石油大学硕士学位论文 井，不同层位水互窜，可能引起结垢，则必须用隔水采油工艺。注入水如果与地层水不 相容，尽量选择优良水质，否则应施加处理措施。污水回注时，将清水和污水进行分注， 以免引起结垢。 b 维持压力防止碳酸钙结垢压降是碳酸钙垢的一个主要成因，一般c o , 分压升 高，c a c o , 溶解度也随之上升，因此碳酸钙垢沉淀就相应减少。通过结垢预测技术可以知 道某些生产部位是否有碳酸钙垢产生，如果有，那么在这些生产部位上保持压力，避免 压降，就可以防止碳酸钙垢的生成。 c 塑料涂料防垢各类设备与水接触的表面如果是憎水性的，那么水就难以在这类 表面上结垢，应用塑料和涂料可以达到这个目的。采油过程中尽管某些特定设备和附件 可以使用涂料涂层或用塑料制造，但其局限性是显而易见的。 d “声场”、“电磁场”防垢结垢过程是无机盐垢晶体的析出、长大和沉积过程， 超声波、磁场、电场可对这一过程产生影响而抑制结垢，如果在那些需要防垢的生产部 位进行超声波处理或磁场、电磁场处理，也可以实现防垢目的。 e 磁防垢技术磁防垢技术是利用磁场对碳酸钙结晶过程中晶核生成和晶粒长大 速度的影响而阻止垢的生成。在磁场作用下，水中的成核速度远远大于晶体生长速度， 在水中弥散分布着大量的微晶，在长大的同时与晶核发生分离。这时，水垢的颗粒已不 是分子状态，而是由无数分子形成的颗粒，能量的释放也不同于原来的相变能，而是胶 体小颗粒转变为大颗粒的界面能，因此水垢呈现出能被水流带走的松软的泥渣状态，从 而达到防垢目的。 f 降低油田水中成垢离子浓度，预防结垢如果油田水中成垢阳离子浓度降低 到结垢预测中饱和度指数以下，那么就不会产生结垢。用沉淀法、离子交换法、薄膜分 离法都可以降低水中成垢阳离子的浓度，由于这些作业需要增添辅助设备，用前要进行 综合分析和技术经济比较。 1 3 2 化学方法防垢 化学方法防垢主要是使用防垢剂，它能抑制晶体垢盐的生成和聚集，因此能够防垢。 在油田水中添加少量阻垢剂就能起到延缓、减少或抑制结垢的作用。这种方法简便、 易行，因而成为油田常用的控制结垢措施。 关于阻垢剂的阻垢机理研究，目前还不成熟。仅阻垢机理的研究本身，就涉及到许 多学科，如表面化学、结晶化学、化学动力学、化学热力学及结晶动力学等，并需要严 格的测试方法和试验手段。一般认为成垢物质和溶液之间存在着动态平衡，阻垢剂能够 吸附到成垢物质上，并影响垢的生长和溶解的动态平衡。下面有关机理的一些探讨，还 只是初步的解释。 a 螯合增溶作用“”1 这种观点认为，阻垢剂能与水中c a “、m 9 2 + 等阳离子形成稳 定的可溶性螯合物，从而提高了水中c a ”、m 9 2 + 离子的允许浓度，相对来说就增大了钙、镁 6 第一章绪论 盐的溶解度。 b 阈值效应在水中投加几种阻垢剂( 数量级为每升数毫克) ，可将比按化学 计量比高得多的钙离子稳定在水中。文献啪1 认为，产生这一现象的原因在于阻垢剂的阴离 子和金属阳离子的螫合作用并非按化学计量比而进行。而文献乜1 1 则认为是由于c a c o , 微 晶吸附上阻垢剂后可抑制c a c o 。晶体的析出。 c 晶格畸变作用n ”t 捌在c a c o , 微晶成长过程中，若晶体吸附有阻垢剂掺杂在 晶格的点阵中，就会使晶格发生畸变，或者使大晶体内部的应力增大，从而使晶体易于破 裂，阻碍了沉积垢的生长。 d 凝聚与分散作用n ”对于聚羧酸盐类聚合物阻垢剂，在水溶液中解离生成的 阴离子在与c a c o 。微晶碰撞时，会发生物理化学吸附现象而使微晶表面形成双电层。聚羧 酸盐的链状结构可吸附多个相同电荷的微晶，它们之间的静电斥力可阻止微晶的相互碰 撞，从而避免了大晶体的形成。在吸附产物又碰到其它聚羧酸盐离子时，会把已吸附的晶 体转移过去，出现晶粒的均匀分散现象。从而阻碍晶粒问及晶粒与金属表面间的碰撞，减 少溶液中的晶核数，进而将c a c 0 3 稳定在水溶液中。 e 再生一自解脱膜假说。”研究认为聚丙烯酸类阻垢剂能在金属传热面上形成 一种与无机晶体颗粒共同沉淀的膜，当这种膜增加到一定厚度时，会在传热面上破裂并脱 离传热面。由于这种膜的不断形成和破裂。使垢层生长受到抑制。 f 双电层作用机理对有机膦酸类阻垢剂的阻垢作用，g i l l 等提出了双电层 作用机理。认为阻垢剂的作用是在生长晶核附近的扩散边界层内富集，形成双电层并阻碍 成垢离子或分子簇在金属表面的聚结。 阻垢剂的研制一直是水处理工作者研究的热点。从6 0 年代初的a t m p 、聚丙烯酸、 木质素磺酸钠到现在广泛使用的p b t c 和多元共聚物，阻垢剂已形成品种繁多的一大家 族。另外对阻垢剂机理的不断深入研究，也使阻垢剂的开发更有规律可循。 1 3 3 常用阻垢剂 a 无机磷酸盐( 聚磷酸盐)无机磷酸盐的缺点是会受潮而部分水解生成正磷 酸盐，其与二价金属离子反应而结垢。同时正磷酸盐又是菌藻的营养物，因此长期使用 聚磷酸盐，对杀菌灭藻又不采取有效措施的话，这必然会促进系统中菌藻的繁殖。此时 硬垢虽解决了，软垢又会发生。因此，单纯用聚磷酸盐阻垢己逐渐被淘汰，代之而起的 是复合磷酸盐配方。 b 有机膦酸有机膦酸主要有以下一些优点。首先，它们分子结构中都有c - p 键， 而这种键比无机磷酸盐中的p 一旷p 键要牢固的多，因此它的化学稳定性好，不易水解， 并且耐高温，在使用中不会因水解生成正磷酸而导致菌藻过度繁殖。其次，它与聚磷酸 盐一样也有临界值效应，就是只需用几m g l 的有机膦酸就可以阻止几百m g l 的碳酸钙 发生沉淀。同时，它的阻垢性能比无机磷酸盐好。第三，它还与其他药剂有良好的协同 7 西安石油大学硕士学位论文 效应。 c 膦羧酸膦羧酸分子同时含有磷酸基一p o ( 0 h ) ：和羧基- c o o h 。根据它们在化合 物中的位置和数目的不同，可以有很多品种。但目前在实际应用中，使用较多的是2 一膦 酸基丁烷一1 ，2 ， 三羧酸( p b t c a ) ，p b t c a 在高温、高硬度和高p h 的水质条件下，具 有较好的阻垢作用。同时它还具有缓蚀作用。p b t c a 与锌盐和无机磷酸盐复配可产生良 好的协同效应。 d 有机磷酸酯有机磷酸酯抑制硫酸钙垢的效果较好，但抑制碳酸钙垢的效果较 差。有机磷酸酯分子结构中有c 一沪p 键，它虽比无机磷酸盐难水解，但比有机膦酸盐容 易水解生成正磷酸。由于有机磷酸酯对水生动物的毒性很低，且会缓慢水解，水解后的 产物还可以生物降解，因此对环境没有什么影响。 e 高分子阻垢剂高分子阻垢剂也称为聚合物，其典型特征是具有分散性，不仅 能阻碳酸钙等无机盐垢，而且具有分散氧化铁、粘泥和颗粒物的作用。高分子阻垢剂主 要有均聚羧酸阻垢剂、丙烯酸丙烯酸羟丙酯共聚物、含磺酸的共聚物、含膦基共聚物等 环保型绿色阻垢剂。 随着社会的进步和科技的发展，对阻垢剂的要求越来越高。研究和开发综合性能好、 适用范围宽的共聚物类阻垢剂等环保型绿色阻垢剂是近阶段研究的热点。国内较新的研 究动态有：崔小明1 以异丙烯膦酸、丙烯酸和丙烯酸羟丙酯为单体合成的异丙烯膦酸一 丙烯酸一丙烯酸羟丙酯三元共聚物y s s 9 5 ，不仅具有优良的阻碳酸钙、磷酸钙垢的性能， 而且具有优异的稳定