（石油与天然气工程专业论文）靖安油田结垢趋势预测及防治技术研究.pdf

中文摘要 论文题目：靖安油田结垢趋势预测及防治技术研究 专业：石油与天然气 硕士生：唐鑫( 签名) 指导教师：李天太( 签名) 摘要 玉- j ，1 r 油田水结垢是油田生产中常见的问题，严重影响油田生产的顺利进行和开发的经济 效益。为了解决油田结垢伤害问题，国内外各油田采用了机械除垢、化学除垢等多种方 法，并开发了针对不同油田、不同垢类的除垢、防垢产品。本文综述了国内外有关研究概 况，分析了结垢类型及成垢原因，讨论了油田水质和水垢的分析方法、结垢趋势预测的 原理以及对防垢剂评价的有关问题，简述了结垢预测研究的发展现状和各类除垢防垢工 艺技术和方法。结垢造成了油田开采过程中较大的经济损失，低渗透油田损失更大。为 高效开发低渗透油田，应对结垢进行科学预测，并提出相应合理的防垢措施。通过对靖 安油田水样、垢样、配伍性试验及清防垢技术的分析，建立靖安油田结垢趋势预测计算 模型，对靖安油田结垢趋势进行预测并现场应用，选择出合适的清防垢药剂，提出适合 靖安油田的清防垢措施，确定了合理的清防垢工艺技术及参数，建立了一套有效的防垢 体系，在油田生产中取得了较好的经济效益。 关键词：靖安油田，结垢，趋势预测，防治技术 论文类型：应用基础 i i 英文摘要 s u b j e c t ：s t u d yo ns c a l i n gt e n d e n c yp r e d i c a t i o na n di t sp r e v e n t i o na n dt r e a t m e n t t e c h n i q u e si nj i n g a no i lf i e l d s p e e i a l i t y ：p e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a se n g i n e e r i n g n a m e ：t a n gx i n ( s i g n a t u r e ) ! ! ! ：! 盈：墨! ! i n s t r u c to r l it i a n t a i ( s i g a t u r e ) 兰：五堡望当，f a b s t r a c t s c a l eo c c u r r e n c eh a sb e e no n eo ft h em a j o rp r o d u c t i o np r o b l e m se n c o u n t e r e dd u r i n g w a t e rf l o o d i n g , w h i c hs e v e r e l yi n f l u e n c e ss m o o t h l yd e v e l o e m e n ta n de c o n o m i ce f f e c t 。t o r e s o l v et h ep r o b l e mo ff o r m a t i o ns c a l i n ga n df o r m a t i o nd a m a g e ，m e c h a n i cd e s c a l i n ga n d c h e m i c a ld e s c a l i n ga r eu s e da th o m ea n da b r o a d ，a n dm a n yp r o d u c t sa r cd e v e l o p e da g a i n s t d i f f e r e n tk i n d so fo i lf i e l da n ds c a l i n gf o rd e s c a l i n ga n da n t i s c a l i n g i nt h i sp a p e r ，t h er e a s o n s o fs c a l i n gf o re a c hl d n do fs c a l ea r es u m m a r i z e da n dt h ea n a l y s e so fo i l - f i e l dw a t e ra n ds c a l e s a r er e v i e w e d t h ep r i n c i p l eo fs c a l i n gt e n d e n c yp r e d i c t i o ni sd i s c u s s e da n dt h ew a y sf o r e v a l u a t i n gi n h i b i t o r sa r ea l s od e s c r i b e d t h ed e v e l o p m e n to fs e a l i n gt e n d e n c yp r e d i c t i o na n d a l lk i n d so f d e s c a l i n ga n da n t i s c a l i n gt e c h n o l o g i e sa n dm e t h o d sa r es u m m a r i z e dt o o s c a l e r e s u l t si nl o t so fe c o n o m i cl o s sd u r i n go i lp r o d u c t i o n ，e s p e c i a l l yl o wp e r m e a b i l i t yo i lf i e l d ， l o s st o om u c h s oi n j e c t e dw a t e ra n df o r m a t i o nw a t e ra r ec a r r i e do u tt os c i e n i i f i cp r e d i c t i o n a n dt h er e a s o n a b l es c a l ep r e v e n t i o nm e a s u r ei sp u tf o r w a r df o rl o wp e r m e a b i l i t yo i lf i e l d e c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h ew a t e rs a m p l e ，s c a l es a m p l e ，c o m p a t i b i l i t yt e s ta n dt h ed e s c a l e t e c h n i q u eo fj i n g a no i lf i e l da r ea n a l y s i s e d ，t h e nt h ec a l c u l a t em o d e lo fs c a l i n gt e n d e n c y p r e d i c t i o ni ss e t e du p a n df o r ms c a l i n gt e n d e n c yp r e d i c t i o na n da p p l i c a to nt h es p o ti nj i n g a n o i lf i e l d c h o o s et h es u i t a b l es c a l ed r u g ，p r o p o s et h es c a l em e a s u r e sw h i c ha r es u i tt oj i n g a n o i lf i e l d ，c o n f i r mr a t i o n a ls c a l et e c h n o l o g ya n dp a r a m e t e r , t h e ns e tu pas e to fe f f e c t i v es c a l e s y s t e m s a l lo f a b o v eb r i n go i lb e t t e re x t e n d k e y w o r d s ：j i n g a no i lf i e l d ；s e a l i n g ：t e n d e n c yp r e d i c a t i o n ；p r e v e n t i o nt e c h n i q u e t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y 1 1 1 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；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己在论文中做 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： 学位论文使用授权的说明 丛坚：兰：坚 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： 导师签名 日期：批、s 心 日期：担竺：三7 乡 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 结垢是油田注水过程中的一个常见的破坏性问题。每年由于井下和地面设备的盐类 沉积对油田造成的的经济损失十分巨大。结垢可能发生在油田用水系统的任何位置，如 注水管线下部、弯头、泵头及井筒内或地层中。地面注水设备和井筒内的结垢可以造成 堵塞，而地层内结垢则会导致地层伤害。油田注水通常有三种：一是清水，即油田地面 或地下水：另一种是污水，即与原油同时采出的油层水；第三种海水，也有将不同水混 合注入的。无论是哪一种水，在注入地层后由于存在与地层流体的不配伍的可能，因此 结垢问题便十分突出，结垢原因也十分复杂。 在油田实际开发过程中，每个油田从第一口井打开油气层生产到这个油气田开发结 束的整个过程中，油气藏中的流体( 油、气、水) 从油气层中流出，经井筒、井口到地 面集输系统，在这些不同的部位，由于温度、压力、油气水平衡状态都在发生变化，只 要流体中遇到有两种以上不配伍的水存在或在流动过程中随着压力和温度的变化或流体 的化学组分不平衡，都存在结垢的可能。因此，必须根据预测结果有针对性地采取必要 的防治措施，已经成为油田工作的重点之一。 在油田生产过程中，地下储层、采油井井筒、地面油气集输设备管线内均可能产生 无机盐结垢。产层岩芯分析表明，一些岩芯中硫酸钙含量高达4 1 ，而一般平均含量仅 为0 0 2 1 0 0 ；硫酸钙垢沉积不仅发生在近井地带，而且发生在相当大的延伸范围 内；油田生产已证实了地层中碳酸盐类直接沉积的可能性。地下油藏内由于油、水共存， 各种采油工艺的实施不可避免地导致平衡状态的改变。随着温度、压力的改变，地层水 的平衡状态相应改变。在含有大量c a ”和h c 0 ”的地层水中，压力下降时c o 。分压下降， p h 值、温度发生相应改变，导致井简及管线设备内产生沉积，有些具有天然结垢倾向。 油田的结垢问题给正常的生产及维护带来了很大的困难，造成相当多的原油损失和 欠产。所以人们一直在研究预测，防治及处理各种垢的方法，在一定程度上缓解了沉积 垢的危害。我国内陆油田大多采用注入清水或者混配污水，结垢问题变的日趋现实，对 其进行系统的研究已经十分必要。结垢趋势预测结果对认识油层结垢规律和指导油田开 发具有一定的理论和实际意义。对不同种垢( b a s 0 4 、c a s 0 4 和c a c 0 3 ) 在一定环境下 如温度、压力及p h 值等条件下，总结出结垢的机理和趋势，并对这些结果进行分析，通 过室内试验和统计结果的分析，选择出有针对性的清防垢措施、工艺及清防垢药剂。最 终在研究的基础上，总结出结垢原因，提出合理的清防垢工艺技术及参数，增加经济效 益。 西安石油大学硕士学位论文 1 2 国内外发展现状 对油田结垢沉积程度的预测一直是不断研究的课题，在结垢预测方面，国内外出现 了一系列针对某些垢的预测模型。这些预测模型通过对地层条件进行假设，然后应用数 学模型进行计算，计算中涉及的参数有溶解度、溶度积、饱和度、和离子强度等，这些 参数与温度、压力和p h 值有关，而垢沉积程度取决于过饱和度，影响过饱和度的因素 众多且复杂多变。具有代表性的预测模型包括：1 9 5 2 年s t i f f 和d a v i s ，1 9 6 9 年s k i l l m a n ， 1 9 7 0 年v e t t e r 和p h l i l i p s ，1 9 8 2 年o d d o 和t o m s o n ，1 9 8 9 年t o d d 和y u a n 等。早期预测 方法简单，使用方便，但忽略了压力、温度、离子强度以及其它因素，使应用的有效性 受到影响。1 9 9 4 年o d d o 和t o m s o n 在以前的基础上得到了更完善的预测模型。我国许 多专业人士也编制了许多预测软件，如袁明东等人的迭代法，吉林油田的p i o s ，j h c p s 软件及朱义吾等人的s d c q p c 系统，都是比较出色的软件。这些方法及模型为油田的生 产提供了很好的帮助。 其中c p s 软件吸收了国内及国际上最先进的科研技术成果，采用结垢量计算、结 垢指数计算等方法，能够准确计算出油田注入水，地层水在不同的混配比、不同压力、 不同温度、不同p h 值的结垢情况，并已具有自动以表格形式输出预测结果，以文件形 式保存预测结果的功能。j h c p s 软件主要采用v b 语言编译而成，具有由菜单、工具栏、 快捷键驱动的人机界面，因此其界面友好，操作方便，宜于使用。 在除垢和防垢方面，已经形成了三大类方法：物理法、化学法和工艺法。物理法防 垢主要是通过一些物理条件如磁场、电场和超声波等对产出或者注入的流体进行除垢， 破坏结垢形成的有利条件，从而达到防垢的目的。化学方法是投加一定的化学药剂，增 大成垢离子的溶解度，或者将成垢离子进行螯合，使其成为可溶性的物质。而工艺法主 要是通过改变生产条件达到防垢的目的，如：正确选择注入水水源，增加沉没泵的下放 深度，采用内表面带涂层的设备等。 1 3 论文研究思路及主要内容 利用油田开发多学科专业知识及数理研究方法，综合分析结垢的影响因素，建立适 合靖安油田结垢趋势预测计算模型；采用理论分析与现场实践相结合的技术路线，采取 从关键井到整个目的层段、从单井到多井的途径对所建立的计算模型进行验证，提高和 强化分析方法的适应性、准确性及可操作性，满足生产的若干特殊要求和需要，为靖安 油田结垢趋势预测提供参考，提出适合靖安油田的清防垢措施。 论文研究的内容包括： ( 1 ) 系统调查油田分区、分层水的性质和组分，油井井筒及地面集输系统结垢情况， 综合分析油田常见垢的类型，形成条件，结垢机理： ( 2 ) 通过室内微观模型及油藏岩芯水驱油试验，在微观孔隙系统中观察结垢情况， 第一章绪论 在室内进行高温高压条件下多个反应点的化学模拟试验； ( 3 ) 在现有结垢趋势预测模型的基础上，提出更合理的假设条件和边界条件，建立 更合理靖安油田结垢趋势预测计算模型；对靖安油田结垢趋势预测并现场应用； ( 4 ) 选择合适的清防垢药剂，提出适合靖安油田的清防垢措施，如何在清防垢的同 时降低经济损失，减少设备损坏。各类防治结垢的工艺和方法。 西安石油大学硕士学位论文 2 1 结垢类型 第二章油田常见垢的类型及形成条件 结垢现象发生在油田的各个地方，如地层、井筒、地面输送管线等。对于不同的油 田，或者同一油田不同的区块，不同的部位，都会有不同的结垢产生。 在地层中 由于压力、温度、p h 值变化及外来流体的影响，就会使地层平衡状态发生改变，导 致垢的生成。一般的常见垢有碳酸钙，碳酸钙镁，碳酸亚铁，铁的氧化物和氢氧化物( 腐 蚀产物) ，氯化钠，石膏( c a s 0 4 2 h 2 0 ) ，重晶石( b a s 0 4 ) ，b a c 0 3 和s r s 0 4 ，m g ( o h ) 2 和其它组分。还有其它有机成分如胶质、沥青质、石蜡( c 1 7 h 3 6 c 6 0 h 1 2 2 ) 以及重油等。 由于近井地带温度、压力的变化，在低于溶解度或凝固点时，有机成分就会析出，造成 堵塞。低粘度、高含蜡、高凝点原油易引起结蜡，一般出现在近井地带。在有些环境下， 结蜡非常严重，在很大程度上影响油井正常生产。 在井筒中 由于各个油田的地层以及设备条件各不相同，所结垢的部位也不尽相同。靖安油田 近年来陆续发现井、站结垢，并且呈不断上升趋势，从井站结垢垢型分析发现具有明显 的规律性。 动液面 獭 结垢段 射孔段 图2 - 1靖安油田油井油管结垢示意图 c a c 0 3 垢一般出现在油井井简射孔段以上5 0 m 以内的井下压降区，如井下油管内外 壁、筛管、尾管、抽油泵及套管内壁等部位。如图2 1 所示。 在谭南、塞一、招安井区经过调查，共有l l 口结垢油井，结垢站3 座。平均垢厚 3 1 0 m m ，垢型为c a c 0 3 ，在招安井区有少量的钡垢存在。这些井采油层位为长2 、长3 第二章油田常见垢的类型及形成条件 和延1 0 ，水型大都为c a c l 2 型，个别井为n a h c 0 3 型。c a c 0 3 垢的形成主要是由于油井 生产过程中物理条件的改变，使水中c o ：分解。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地层时，压力下降，温度变化，使c 0 2 释放而形成垢。另外地面集 输系统的加热系统的加热炉、热交换器是一个升温环境，有利于c a c 0 3 垢的产生，在炉 管与换热器弯管处常常有c a c 0 3 垢产生。地面系统有压降的部位，如生产分离器等处， 也多为c a c 0 3 垢。 c a s 0 4 垢一般在井筒底部的油管外或套管内壁。c a s 0 4 结垢，主要由于套损而使两 种不配伍的水相混合，导致结垢，一般为混合垢。如w 1 2 1 5 井，w 1 6 2 5 井，主要因 为不同层位合采。在地面站，也常常因不同层位的生产井来水混合而结c a s o 。垢，主 要结垢部位在收球筒及总机关处。 b a ( s r ) s 0 4 垢一般在油井中少见，由于不同层位混采，使不配伍的两层水相混合， 导致结垢，一般为混合垢。这类井较少，如w 3 2 0 0 1 5 ，塞1 5 2 。 地面管线中 长输油气管道输送介质中的石蜡、铁屑、胶质、凝油砂子和其它机械杂质的混合物 不断沉积在管道内壁上就形成结垢。这类垢层有明显的分层，一般紧贴管壁的是黑褐色 细砂薄层，其上是厚度大得多的黑色发亮的沉积物，其中含蜡4 0 5 0 、含胶质 2 0 - - - 2 4 、其它2 6 - - 4 0 。其特点是紧贴管壁的褐色细砂层致密而坚硬，对结块有较 强的吸附力。表层垢很脆，易破碎，并沿管长结垢厚度不均匀。油田进入高含水开发后 期时，长期回注开发过程中，大量的含油污水造成生产系统腐蚀与结垢。这类垢样为黑 色和褐色残渣且略有磁性。结垢是因水中结垢离子含量较高，在一定条件下，使溶解在 水中的某些物质变为不溶的结晶而逐渐形成的。这类垢样中含硫化铁达5 5 - - 7 5 ，碳 酸镁7 一2 0 ，其它8 2 0 ，垢层致密坚硬，粘附力强。 根据统计资料显示，直径2 0 0 m m 无防腐层钢管在水流速为l m s 条件下，腐蚀率大 概为6 i n m a 。我国油田有防腐层的输油、污水和水管线的腐蚀率达1 以1 8 m m a ，有的 已达2 4 m r r d a 。锈块、蜡块、盐块及旧涂层混凝在一起形成的结垢致密、硬度大、有脆 性，厚度增长迅速，这会使管道流通面积减小，管道表面的粗糙度和液体流动阻力增大， 直接影响管道的正常生产。 2 2 垢的形成条件 在油田生产中，结垢主要受到下面一些因素的影响： 1 ) 离子浓度：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p h 值下的可溶性界限时，垢就沉积下来。当不同水源的两种 水混合或所处系统条件的改变，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。 2 ) 水的成分：水中盐含量增加，通常能够增大垢的溶解度，这是一种盐效应。由 西安石油大学硕士学位论文 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比较少。相对来说，它在 2 0 0 9 l 盐水中溶解度比在纯水中大2 5 倍；而在1 2 0 9 l 盐水中溶解度比纯水中大1 3 倍。 3 ) 压力和温度：碳酸钙的溶解度随着温度的升高和分压的降低而减小，而后者的 影响尤为重要。因为在系统任何部位，压力降低都可能产生碳酸钙沉淀。这种情况下， 还会使低粘度、高含蜡、高凝点原油引起结蜡。 p h 值：降低p h 值使溶解度增大，减弱了成垢倾向，但这种作用对碳酸 钙垢的影响明显，对硫酸钙次之，对硫酸钡的影响很小。 5 ) 润湿和粘附：在油田生产过程中使用不同材料，其内表面有不同的润湿物性。 如用塑料内衬，表面润湿角大于9 0 。，而裸钢表面润湿角小于9 0 0 ，这对于晶核的形成 和在材质表面的粘附作用是十分重要的。润湿角越小，成核所需能量越小，晶核形成越 容易，结垢趋势就越大。而油田无内涂的管线内壁常见结垢，一旦垢生成( 底层垢) ， 对新的晶核粘附力很强，就很容易继续积垢，即产生次生垢。若管线内衬粗糙，加大了 沉淀面积，垢就更容易形成【6 】。 在集输过程中，也会有垢形成。管线中流体的流态，会导致垢的形成。在一般生产 井中，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 区域于发生，如射孔段，其次在层流区。在地面系统结构，也易产生于输油管线及注水 管线弯头、闸门的滞流区。液流速度快，垢不易沉积，如果流速突然改变或流向改变， 都易于造成结垢，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 流态流形导致的结垢 在盐结晶过程中，一般溶度积小的硫酸盐易沉积形成主垢层( 底垢层) ，而溶度积 大的形成次垢层。但当底垢层硫酸盐含量很小，水的组成及过饱和程度的因素，则会发 生底垢层向次垢层的转变，即在结垢因素中，必须考虑硫酸盐晶体成长的地理动力学。 另外次生垢结垢过程与底层垢表面上吸附的离子的性质和数量有关。 在实际生产过程中，由于不可避免地要发生以上几点情况，单一或者混合条件改变， 都会造成结垢，而导致这些情况发生的原因是多方面的，主要有以下几点： ( 1 ) 注入水与地层水在地层中混合 当注入水进入油层后，形成一个由注入水一地层水一束缚水一含溶解气原油一地层 岩石构成的复杂多组分体系，其中最重要的是注入水与地下水( 地层水与束缚水) 的混 合过程。由于热扩散、水动力扩散及岩石非均质性导致的分散作用，在油层中产生一个 6 第二章油田常见垢的类型及形成条件 热过度带和水混合带，如图2 3 所示。 在混合带之前，岩石孔隙中只有地层水、原油和气；在混合带之后，只有与该处地 层温度和压力平衡了的注入水与残余油。 在混合带，注入水由于与储层岩石的滤蚀浸溶和与原油本身的相互渗溶、离子交换、 矿物以及碳氢化合物的氧化、温度及p h 值的变化等作用，化学成分变得更加复杂，过 饱和度增加，因而容易与地层水在混合带中发生引发结垢的化学沉淀反应。其余注入水 继续向前移动，再度与地层水混合，水垢可能再度产生，循环往复进行，直到注入水抵 达生产井。这样由于注入水在地层中沿不同距离的流动通道接近油井，如图2 t 3 所示。 在通道中与地层水混合，造成结垢和可能的堵塞。随着见水时间的延续，结垢量将逐渐 增加。 图2 3两种水在地层相混示惹图 渗入地层的水( 地层水和夹层水) 与岩石的接触是油田在投入开采后，水在多孔介 质中活性过滤的结果。当水沿着储油层流动时，由于可溶解组分的浸滤而改变了自身的 成分。 ( 2 ) 原油中的活性水溶性组分扩散到水里 这是地层原油的某些有机组分在结构过程中的作用。水溶性的石油酸以及表面活性 剂比较大的石油酸盐就是这种组分。从原油中出来扩散到水相并吸附，在溶液与形成的 结晶盐界面处的天然表面活性剂对这种分界面会产生影响，这种变化促进了固体相的增 长和颗粒在地层、设备和管线上的附着。 ( 3 ) 合成的化合物渗入水中 由于采油过程的高度化学反应，结垢过程被增强了。例如有些类型的破乳剂、杀菌 剂、酸、碱以及挤入到地层的其它化学剂都可以促进地区和矿场设备的结垢。 ( 4 ) 水中的二氧化碳转化为气相 水中c 0 2 的释放，促进了碳酸钙的沉淀。因为水中c 0 2 浓度的减小就会降低c a c 0 3 7 西安石油大学硕士学位论文 的溶解度。造成水中脱气以及向气相转化的原因是：压力降低、温度升高和紊流。钙的 沉淀总是出现在电动沉没离心泵区和油管的上部。碳酸钙在蒸馏水中的溶解并不高，在 2 5 时接触空气的条件下，起溶解度只有0 0 5 3 m g l ，大概是硫酸钙的四十分之一。 碳酸钙的溶解度随着温度的升高会大大降低，如图2 - 4 所示。随着温度的升高，碳 酸钙的沉淀可能性增加。温度因素的影响也可以用来解释在某地层温度较高注水井中注 入被碳酸钙饱和了的地面水后形成碳酸钙沉淀的现象。 水中存在c 0 2 对碳酸钙的溶解度显示出很大的影响。 图2 4 在水中的溶解度与温度的关系( 在大气压条件下) 碳酸钙在含c 0 2 的水中溶解时，将会发生化学反应，并形成易溶解的c a ( h c 0 3 ) c 0 2 + c a c 0 3 + h 2 0 ；孑2c a ( h c 0 3 ) 2 ( 2 1 ) 为了形成碳酸氢钙而不致使碳酸钙从溶液中析出来，就必须有一定量的c 0 2 保持 在水中。因此，由于在气水系统中压力下降会导致c 0 2 分压的相应下降，这就成为 碳酸钙的溶解度下降并析出的原因之一。如表2 1 所示，正是这一过程造成生产井的液 体脱气点或气举井供气点以上的油管壁经常产生致密的沉积物。 表2 1c 0 ：不同分压和温度下碳酸钙的溶解度( m g i ) 分压温度， m p a 3 7 85 1 76 5 67 9 49 3 _ 31 0 7 21 2 1 11 3 5 01 4 8 9 0 1o 2 1 60 1 4 20 0 9 40 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 70 0 1 5 0 0 0 80 0 0 6 0 40 3 6 0 o 2 4 4o 1 5 8 0 0 9 70 ，0 6 30 0 3 90 0 2 4o 0 1 3o 0 0 9 1 20 5 5 50 3 5 70 2 2 l0 1 4 4o 0 9 l0 0 5 90 0 3 60 0 2 00 0 1 2 6 20 4 0 50 2 5 5o 1 5 20 0 8 9 0 ，0 5 10 0 2 8o 0 1 4 在含水生产井中，随着产液的升举会引起温度的下降( 此时碳酸钙的溶解度增大) 和压力降低( 造成碳酸钙溶解度的减小) 。因此，在说明碳酸钙在生产井中以及在管汇 中沉积的原因时，必须研究两个同时出现的影响。 ( 1 ) 水的蒸发 会引起盐浓度的直线上升，因此也就增加了溶液的过饱和度。这个因素对高温矿场 设备，如沉没电动机、原油处理装置上的热交换器等影响最严重。地层流体的急速蒸发 第二章油田常见垢的类型及形成条件 是在低温下的气举采油过程发生的，因为从地面提供的高压气，在举升过程中，气举管 内足见形成了不饱和的水分。 f 2 ) 热力学条件的改变即压力和温度的影响。在没有蒸发和脱气的情况下，温度的 升高引起水中矿化物溶解度的提高，同时也使石膏、重晶石、氢氧化镁和碳酸钙在强碱 介质中( p h 1 0 ) 溶解度的提高。根据文献资料显示，钙在酸性、中性和弱碱性介质中 的溶解度随着温度的升高而减小。 石蜡、胶质及沥青质在油层条件下通常为溶解状态。当温度、压力降低或者原油脱 气，石蜡会以晶体形式析出，沉积在油管及井下其它设备上，大大降低生产系统的生产 能力。 综上所述可以得知，对垢形成的影响因素比较多。通过大量的数据分析，得出了对 某些特定垢影响比较大的因素，如表2 2 所示，根据具体因素我们可以采取适当的措施 来防垢。 表2 - 2 盐垢溶解度的决定条件 c a c o ，c a s o a b a s o ds r s 0 4有机质 温度 含盐量 压力 p h 值 c a 2 + 。浓度 、， 碱度 s 0 4 2 - 浓度 b a 2 + 浓度 s r 2 + 浓度 m 9 2 + 浓度 溶液中c 0 2 注：表示某因素对盐垢溶解度有较大影响 2 3 结垢机理研究 结构的形成过程是一个复杂过程，一般分成下面四步： ( 1 ) 水中离子结合形成溶解度很小的盐类分子； c a 2 + + s 0 4 2 - 一c a s o d b a 2 + + s 0 4 2 - 一b a s 0 4 c a 2 + + c 0 3 2 - 一c a c 0 3 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 西安石油大学硕士学位论文 ( 2 )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； ( 3 )大量晶体堆积长大，沉积成垢： ( 4 )由于不同条件，形成不同产状的结垢。如在加热炉中，由于温度高或局部 过热，使垢脱水，石膏变成硬石膏，使垢坚硬致密。而在加热沉降罐中，流速较缓慢， 沉积作用起决定因素，所以结垢比较疏松。而在油井中，特别是在油套环形空间，由于 有很好的结晶中心，有充分的结晶时间，温度也不太高，所以井中发现的垢均为结晶很 好的晶体。 由于油田最常见的垢物主要为碳酸盐、硫酸盐及其它一些沉积物，下面分别说明 这几种垢的结垢机理。 1 ) 碳酸盐垢( c a c 0 3 ，c a m g ( c 0 3 ) 2 ) 是由于钙、镁离子与碳酸根或碳酸氢根结合 而生成的。 反应式为： c a 2 + + c 0 3 2 | c a c 0 3l ( 2 5 ) c 一十+ 2 h c 0 3 。c a c 0 3l + c 0 2f + n 2 0( 2 - 6 ) m g 。十+ 2 h c 0 3 一m g c 0 3 + c 0 2f + h 2 0 ( 2 7 ) 碳酸盐垢是油田生产过程中最为常见的一种垢。常温下，碳酸钙溶度积为4 8 1 0 。9 ， 在2 5 0 溶解度为0 0 5 3 m g 1 ，在油田地面集输系统，由于温度升高，压力降低释放，使 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比较低的井筒时， 分压降低就成为溶解度下降并析出的主要原因之一。 2 ) 硫酸盐结垢机理，硫酸盐垢主要为c a s 0 4 、b a s 0 4 和s r s 0 4 ，而以c a s 0 4 最为 常见。 硫酸盐水中沉淀的反应式如下： c a 2 + + s 仇2 。一c a s 0 4i b a 2 + + s 0 4 2 、一b a s 0 4i s r 2 十+ s 0 4 2 。s r s 0 4 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) r 2 1 0 ) 对于c a s 0 4 垢，在3 8 以下时，生成物主要是石膏c a s 0 4 2 h 2 0 ，超过这个温度 主要生成硬石膏c a s 0 4 ，有时还伴有半水硫酸钙c a s 0 4 1 2 h e o 。由于油田地层水中其 含量较高，所以生成的钡垢即重晶石较锶垢常见。 硫酸盐垢形成主要由于不相容水的混合，即在富含阳离子的油层中注入含s 0 4 2 的 注入水，致使在油层、近井地带或井筒生成硫酸盐垢。有时同一口油井，采出不同层位 的产出液，或不同水型的油井产出液在计量站混合，都可能产生硫酸盐结垢。 1 0 第二章油田常见垢的类型及形成条件 c a s o 。主要以地面站为主，凡结钡垢的站所辖油井均高含，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，则会导致垢的生成。 在注入不含8 0 4 2 - 的淡水时，也会有严重的硫酸盐结垢现象。在这种情况下，地层 中的硫酸盐富集是由于下列过程产生的： 岩石中所含石膏的溶解作用。如某岩层孔隙度2 0 ，体积为l m 3 ，岩石中含水 2 0 0l 。岩石密度2 ，3 9 c m 3 ，石膏含量1 。就这种情况来说，l m 3 岩石中含石膏2 3 k g ， 而石膏最大溶解度5 k g m 3 ，所以2 0 0i 水中仅能溶l k g c a s 0 4 。这个值足以使2 3 倍体积 的水达到完全饱和，当条件改变时，就会导致石膏垢的沉淀发生。 岩石中硫化物被水中所含溶解氧氧化并产生。硫化物是生产层中常见的成分， f e s 含量一般占岩石o 5 1 0 ，在地面水与土壤中，溶解氧一般为5 1 4 m g 1 。所以未经 除氧的系统中，注入水在产层中发生如下反应： 2 f e s 2 + 7 0 2 + 2 h 2 0 一2 f e s 0 4 + 2 h 2 s 0 4( 2 - 1 1 ) 注入水与油藏内封存水的混合。注入的水一旦与封存水相混合，就会形成比注 入水的硫酸盐含量更高的水混合物。而s 0 , ”的来源是岩石孔隙空间表面脱附作用所致， 这已经为室内试验所证实。 3 ) 其它沉积物 结垢物中常常存在f e s 、f e 0 与f e ：0 。，其主要来源是集输管线与设备遭受腐蚀而产 生的。这些腐蚀产物常与碳酸盐、硫酸盐垢混杂而沉积下来。还存在有机质如石蜡、胶 质等，主要是由于压力和温度的变化而凝固下来，形成结蜡。 2 3 1 结垢机理研究物理模型 ( 1 ) 油层岩芯物理模拟研究： 为了有效地进行结垢流动试验，专门设计了一套适合结垢试验的岩芯夹持器和试验 流程，如图2 5 所示。夹持器堵头端面伸出的两个金属头试验时可以插入岩芯内部，这 样就避免了两种水在岩芯进口前就混合沉淀，保证其在岩芯内部混合。 试验用的岩芯是油层实际岩芯，沿水平方向加工成直径为2 5 c m 的小岩芯柱子，磨 平端面并在一端面上钻两个直径为o 3 5 c m 的小孔，用超声波洗净端面，用酒精苯洗净 残余油后，测常规孔隙度和渗透率。 试验用的地层水为油田实际注入水。通过对一些油田的注入水与地层水混合试验 后，可以得出以下几点结论：注水速度对结垢的影响程度不大，但注入水与油层水的混 合比对结垢的影响非常大。对于不同离子含量的地层水与注入水，不同混合比时会产生 不同的结垢量。随着注入水的进入，注入压力相应地增加，压力升到一定程度则把堵塞 物冲开而使渗透率变大，变化几次后趋于稳定。如图2 - 6 所示。 西安石油大学硕士学位论文 图2 - 5 岩芯结垢流动试验流程 1 地层水进口管线2 注入水进口管线3 控制阀们4 夹持器进口堵头5 胶皮垫 6 岩芯夹持器7 试验岩芯8 出口管线9 量筒1 0 温度控制器 注水倍数r v 图2 - 6 流动试验过程中渗透率变化曲线 从岩芯结垢试验前后孔隙度变化数据来看，岩芯经过结垢流动试验，孔隙度普遍降 低。为了了解结垢量可能有多大，假定孑l 隙度的减少值全部是垢矿物造成的，则垢矿物 含量就可以用下式求出： 垢矿物百分含量= 孔隙度减少值( 1 - 结垢试验后的孔隙度) 1 0 0 ( 2 - 1 2 ) 通过与计算的结果对比，发现该式计算的垢矿物含量具有一定的可信度。 ( 2 ) 微观玻璃模型： 利用已有的岩芯铸体照片，通过缩微处理光刻到平面玻璃上制成微观透明模型并装 #晕髫口甜蝌番 第二章油田常见垢的类型及形成条件 入特制的模型夹持器里。如图2 7 所示。 出口 oo 0 。j ：。：- ：j1 ：- - 。：t i 1 。- ，? ：- - 。7 。- ： 1 ：- - ：- o o 地层水进口 注入水进口 图2 7微观透明模型试验流程 把安装好的模型接入显微摄像试验流程。试验用的地层水是油田从原油中分离出来 的地层水。试验时模型孔隙系统首先饱和地层水，接着从两个入口端用相同的压力同时 注入地层水和注入水，通过显微镜放大和摄像机摄像。在监视器里观察微观模型里两种 水混合后的结垢情况，并通过录像机对结垢现象进行观察。 试验在室温下进行，注入水中加入少量的甲基蓝以观察两种水在模型中的流动状 态。地层水和注入水都是在1 0 0 水柱压力下分别从两个入口注入模型，流动试验2 4 h 连 续进行，时间1 5 天。试验中发现垢晶体的生长是比较缓慢的，模型孔隙系统的喉道处， 由于流速相对比较高，一般不易形成垢晶体。但是在大孔隙里由于流速减慢，这两种不 相容的水混合比较充分，垢晶体首先在孔壁比较粗糙的地方逐步生长起来。试验中还发 现有时在孔壁上形成的比较小的垢晶体，在水流作用下发生迁移，在喉道口的前缘滞留 下来并逐步生长为比较大的晶体而堵塞喉道。一旦发生这种情况就会严重影响模型的渗 透能力，流速就会明显地降下来。通过录象，也明显地看到了新生垢晶体的存在，这种 垢晶体在孔隙中形成的垢晶体一般都比较大，大的晶体可达5 - 4 0 p - m 。 2 3 2 结垢机理研究化学模型 结垢机理研究的化学模型主要是通过在实验室模拟地层水质情况，如矿化度、p h 值、温度等条件，然后在试验装置上模拟地层条件进行结垢趋势与结垢量的试验，定量 地研究两种不相容水的结垢情况，如图2 - 8 所示。 整个试验系统置于恒温箱中，先将一定配比的注入水与地层水的混合液在容器5 中 混合，之后加入足量新制得的活性b a s 0 4 ，加压、恒温平衡2 4 h 。经沉淀平衡后的溶液 经高压微孔过滤器6 ，进入接受容器7 ，取样分析。取样时，为了防止条件改变水样发 生变化，用二次蒸馏水接受滤液。 试验溶液采用长庆油田含钡地层水与洛河层注入水，分别以2 8 、4 6 、6 4 、8 2 的 配比制成试验溶液，如表2 3 所示。 西安石油大学硕士学位论文 高压气源 1 压力调节器2 阀们3 压力表4 a 溶液容器5 b 溶液容器6 微孔过滤器 7 接受器8 直径3 c m 不锈钢管线9 三通阀 图2 8 结垢趋势试验流程示意图 表2 - 3 实验水质资料 水质组分 模拟地层水 洛河层注入水 n a + 十k +3 5 1 0 47 9 6 c a 2 + 5 6 3 73 l m a 2 + 3 0 93 3 b a 2 +1 3 9 8 o s 0 4 2 一 o 1 0 9 3 c 1 6 4 9 2 7 4 7 9 h c o ， 9 l1 5 7 总盐量( g 1 ) 1 0 7 1 72 5 9 用原子吸收分光光度法测定b a 2 + 、c a 2 + 、s r 2 + 的含量，s 0 4 2 用光电浊度法或络合滴 定法测定。实验数据：4 种不同配比的水溶液分别在4 种不同压力，3 种不同温度条件下 进行反应，组成4 x 4 x3 反应交叉点。每个点经2 4 充分反应后取样测定。 试验条件分别为常压、8 m p a 、1 2 m p a 、1 6 m p a ，试验温度分别为2 0 * ( 2 、4 0 * ( 2 、6 0 。实验证明在不同压力条件下，随温度升高，b a s 0 4 的沉淀量减少，溶解度增大，结 垢趋势减弱。b a s 0 4 结垢时，往往伴生有共生垢，因而研究在共沉淀条件下，这几种常 见结垢物质的成垢规律及相互间的影响程度，更合乎生产实际的需要。 试验条件：压力为常压与1 6 m p a ，温度2 5 。c 与6 0 。c 。试验溶液：含三种离子的模 拟地层水与高含的洛河层注入水，按l ：9 、3 ：7 、5 ：5 、7 ：3 、9 ：l 五种配置制成。水 质资料如表2 4 所示。 1 4 第二章油田常见垢的类型及形成条件 表2 - 4 实验水质资料 水质组分 模拟地层水( m g 1 ) 洛河层注入水( m g i ) n a + + k +3 5 1 0 41 3 6 1 7 c a 2 + 3 3 0 93 l m a 2 + 5 2 53 3 b a 2 +3 2 70 s 0 4 2 。 5 4 50 c 1 6 5 4 9 24 7 9 h c o ，1 1 51 5 7 总盐量( g n ) 1 0 5 4 24 3 4 试验步骤同前，最终发现硫酸钡最容易沉淀，其次为硫酸锶，而硫酸钙比较难生成 沉淀。当温度上升时，b a s 0 4 沉淀量减少，而s r s 0 4 和c a s 0 4 沉淀量增加，当压力增大 时，所有的硫酸盐溶解度增加，沉淀量减少。通过以上试验发现： ( 1 ) 在共沉淀条件下，硫酸盐结垢的难易程度与化学溶度积原理一致，沉淀速度 b a s 0 4 s r s 0 4 c a s 0 4 。 ( 2 ) 当温度上升时，b a s 0 4 的结垢趋势减弱，而s r s 0 4 与c a s 0 4 的结垢趋势增强。 ( 3 ) 当压力上升时，三种硫酸盐的溶解性增大，结垢减少。 ( 4 ) 受共沉淀影响，当注入水占1 0 左右时，b a s 0 4 的沉淀量最大；注入水占3 5 时，s r s 0 4 的沉淀量最大。 西安石油大学硕士学位论文 第三章常见垢形成趋势、预测技术、模型及评价方法 对于开发初期的油田，结垢形成趋势以及预测技术是十分重要的，它可以将垢的形 成扼杀在萌芽状态，阻碍垢的进一步生成。要准确地预测结垢的趋势，我们需要正确的 数学模型、模拟软件以及评价方法。 对油气日结垢趋势进行预测，目的是探求流体通道结垢的可能性，为防垢和除垢提 供有用的资料。油田结垢涉及到许多因素，除了水的组成、温度、压力等热力学条件外， 还有其它因素如垢附着力、结晶动力学、生产中的流体动力学等。目前国内外对结垢预 测方法的研究主要是对油气田水结垢机理的研究。几十年来，对有关结垢倾向的研究， 形成了不少有效的预测方法。 美国研制的“结垢预测模型”，可用来预测油田注水操作中出现的盐垢沉淀，其预 测参数包括：不同水的混合比、注入水和地层水的成分、油藏任一点的温度和油藏任一 点的压力。前苏联则认