油田集輸及污水系統(tǒng)碳酸鈣結(jié)垢預測研究

陳園園，王寶輝，隋欣

（大慶石油學院，黑龍江大慶163318）

油田集輸及污水系統(tǒng)碳酸鈣結(jié)垢預測研究

陳園園，王寶輝，隋欣

（大慶石油學院，黑龍江大慶163318）

結(jié)垢是油田采出水集輸過程中遇到的最嚴重的問題之一，為了避免由于結(jié)垢而造成的不良影響，應對結(jié)垢類型及趨勢進行科學而準確的預測，現(xiàn)場可以根據(jù)預測結(jié)果采取相應的防垢和除垢措施。大慶油田集輸及污水系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)垢問題，對系統(tǒng)中各節(jié)點的水質(zhì)指標以及特征垢樣的外貌特征和組成成分進行分析，結(jié)果表明集輸及污水系統(tǒng)水質(zhì)有碳酸鹽和硅酸鹽結(jié)垢趨勢，現(xiàn)場垢樣是碳酸鹽、有機物、硅酸鹽和氫氧化鐵等的混合垢，主要成分是碳酸鈣。使用穩(wěn)定指數(shù)法（SAI）對大慶油田集輸及污水系統(tǒng)碳酸鈣結(jié)垢趨勢及最大結(jié)垢量進行預測。預測結(jié)果：穩(wěn)定指數(shù)4.0＜SAI＜5.0，最大結(jié)垢量 100＜PTB＜250，嚴重結(jié)垢。

大慶油田；集輸及污水系統(tǒng)；碳酸鈣垢；結(jié)垢預測；垢樣

結(jié)垢現(xiàn)象在注水、采油、輸油、熱采和化學采油中普遍存在，它同腐蝕一樣嚴重威脅著油田的正常生產(chǎn)。大慶油田集輸及污水系統(tǒng)結(jié)垢問題日益嚴重，在回油管線、脫水泵進口閥、摻水爐出口、摻水泵進口、摻水管線及摻水閥門等處都已經(jīng)出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。在這些不同流經(jīng)部位，溫度、壓力、油、氣、水的平衡都在發(fā)生變化，只要流體中遇到兩種以上不配伍水存在或在流動過程中隨著壓力和溫度的變化，都存在著結(jié)垢的可能。集輸系統(tǒng)結(jié)垢已經(jīng)造成了油氣產(chǎn)量降低，井下工作量增加，管線堵塞，加熱爐和鍋爐嚴重結(jié)垢等問題[1，2]。所以對地面集輸及污水系統(tǒng)的結(jié)垢趨勢進行預測具有十分重要的意義。

目前，有許多專業(yè)軟件[3～5]可以比較準確的預測碳酸鈣結(jié)垢情況，但是，對于一般工程選擇多是通過查圖版，用飽和指數(shù)法進行計算，計算比較復雜。本文采用多元回歸的方法對待查圖版[6]的曲線進行擬合，快速準確的預測碳酸鈣結(jié)垢趨勢和最大結(jié)垢量。

1 水質(zhì)分析

本文水樣取自大慶油田地面集輸及污水系統(tǒng)，選取油井井口、三項分離器入口、三項分離器油出口、三項分離器水出口、脫水泵出口、污水泵出口、過濾罐進口、過濾罐出口和污水外輸水泵出口等節(jié)點。各個油井的采出液一起匯集到集輸系統(tǒng)，水質(zhì)成分較復雜，當各成分不配伍時就會出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。為了全面了解集輸及污水系統(tǒng)的結(jié)垢情況，首先分析各項水質(zhì)指標，確定結(jié)垢類型。水質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 集輸及污水系統(tǒng)各節(jié)點水質(zhì)指標分析結(jié)果

由表1分析結(jié)果可以看出，水質(zhì)呈弱堿性；鈣、鎂、硅等離子濃度均隨著集輸系統(tǒng)各節(jié)點降低較多，結(jié)垢趨勢明顯，結(jié)垢產(chǎn)物主要為碳酸鹽和硅酸鹽。

2 垢樣分析

為了對地面集輸及污水系統(tǒng)的結(jié)垢規(guī)律進行更加準確的預測，除單純分析水質(zhì)指標外，還需要明確現(xiàn)場垢樣中垢樣組成成分、結(jié)構(gòu)及形態(tài)。采用化學分析（CA），并借助現(xiàn)代儀器分析（XRD、AAS）等分析手段對生成的垢樣進行了測試和表征。

集輸及污水系統(tǒng)中結(jié)垢的部位很多，選取其中有代表性的井口垢樣和脫水爐垢樣進行分析，垢樣外觀描述見表2。將垢樣與酸反應，垢很快溶解并伴隨放出大量白色小氣泡，可初步確定垢樣中含有碳酸鹽。

表2 垢樣外觀描述

2.1 XRD衍射分析

本實驗采用日本理學生產(chǎn)的D/MAX-2200型X-射線衍射儀，儀器使用Cu靶，在電壓為40V，電流為20A的狀態(tài)下工作，以10°min-1的速度對垢樣進行掃描。以2角進行分析，得到井口垢樣的XRD衍射譜圖（圖1）。

XRD衍射譜圖分析表明，掃描峰值與純碳酸鈣的峰值完全吻合，并且晶型較好。垢樣以碳酸鈣垢為主，還有二氧化硅及氫氧化鐵垢。

2.2 垢樣CA和AAS分析結(jié)果

將垢樣酸溶，采用原子吸收光譜儀（AAS）進行元素分析，主要檢測了鈣、鎂、鐵、鉀、鈉等離子。并結(jié)合化學分析方法（CA），確定垢樣的基本組成，列于表3。根據(jù)X衍射分析，鈣鎂以碳酸鹽計，鐵以腐蝕產(chǎn)物氧化鐵計，其余金屬元素的含量按氧化物計。

表3 垢樣的CA和AAS分析

從表3可以看出，井口生成的垢不是單一垢，而是碳酸鹽垢、硅鋁酸鹽垢及有機物等的混合垢，以碳酸鹽垢為主；脫水爐垢樣含水率及含油率較高，以碳酸鈣垢和碳酸鎂垢為主。

由垢樣分析可以看出，現(xiàn)場垢樣成分較復雜，各種垢樣混合在一起更難于去除。硅酸鹽垢容易與鈣、鎂、鐵離子形成堅硬的垢，用一般的方法較難去除[7]。所以，現(xiàn)場應根據(jù)垢樣組成采取相應的防垢措施，阻止垢的進一步形成。

3 碳酸鈣結(jié)垢預測

由XRD衍射、CA和AAS分析可知垢樣的主要成分是碳酸鈣，所以對碳酸鈣的結(jié)垢趨勢進行預測，以更好的適用于現(xiàn)場。

3.1 預測方法

3.1.1 穩(wěn)定指數(shù)(SAI)法[8]

式中，pH—水的實際 pH值；pHs—水體系中CaCO3飽和時的pH值；K—常數(shù)，為水溫與離子強度的函數(shù)，可由離子強度μ和水溫的關系曲線求得，μ=0.5(C1Z12+C2Z22+C3Z32+……+CnZn2)；pCa—鈣離子濃度的負對數(shù)，pCa=-log[Ca2+]，其濃度單位為mol/L；pAlk—總堿度濃度的負對數(shù)，pAlk=-log[CO32-+HCO3-]，其濃度單位為mol/L；

當 SAI=4.0～5.0 時嚴重結(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 時輕度腐蝕；SAI＞7.5 時嚴重腐蝕。

該法可半定量地表示水結(jié)垢或腐蝕情況。當SAI=2～7時，可按下列公式估算CaCO3的沉淀量（W）:W=44700/（2pHs-pH）4.78（mg/L）

3.1.2 碳酸鈣最大結(jié)垢量預測方法

目前常用Valone和Skillern提出的生成CaCO3垢的最大數(shù)量預測公式[6]來預測碳酸鈣最大結(jié)垢量(見表2)，計算方法如下：

表4 CaCO3結(jié)垢量預測判斷標準

式中：PTB為CaCO3最大結(jié)垢量預測值，無因次；C、X為離子濃度，mol/L，C=CO32-+HCO3-，X=CO32--HCO3-。

3.2 預測結(jié)果

使用飽和指數(shù)法和穩(wěn)定指數(shù)法分別預測地面集輸及污水系統(tǒng)碳酸鈣的結(jié)垢趨勢。由于地面集輸及污水系統(tǒng)中各節(jié)點的溫度在30～45℃之間，對于如何求K值較麻煩，本文采用多元回歸的方法對待查圖版中30～45℃溫度曲線進行擬合，得到相應的K值，可以快速準確的預測碳酸鈣結(jié)垢趨勢。穩(wěn)定指數(shù)（SAI）計算結(jié)果如表5。

表5 碳酸鈣結(jié)垢預測結(jié)果

由表5中預測結(jié)果可以看出，穩(wěn)定指數(shù)預測結(jié)果各節(jié)點均嚴重結(jié)垢，最大結(jié)垢量的預測結(jié)果，[油井井口]最大結(jié)垢量小于100，其他節(jié)點垢多且硬，與穩(wěn)定指數(shù)法預測結(jié)果一致。由于[油井井口]含泥沙、膠質(zhì)物質(zhì)較多，而且壓力、溫度等因素變化較大，使得碳酸根、碳酸氫根變化較大，結(jié)垢離子降低，所以預測值低。

4 結(jié)論

4.1 通過對大慶油田地面集輸及污水系統(tǒng)水質(zhì)分析和垢樣分析，確定垢樣是碳酸鹽、有機物、硅酸鹽和氫氧化鐵等的混合垢，其主要成分是碳酸鈣。

4.2 采用飽和指數(shù)法和穩(wěn)定指數(shù)法對碳酸鈣結(jié)垢趨勢進行預測，預測結(jié)果 4.0＜SAI＜5.0，嚴重結(jié)垢，而且結(jié)垢量也較高。

［1］賈海波，郭焱，李昱江，等.陜北油田集輸系統(tǒng)結(jié)垢機理研究[J].油氣田地面工程,2009,10(28):9-10.

［2］陳李斌，楊濤，易成高，等.魏崗油田集輸系統(tǒng)結(jié)垢分析及清垢新技術(shù)探討[J].河南石油,2002,16(2):36-39.

［3］蔣官澄，馬先平，紀朝鳳，等.注水系統(tǒng)結(jié)垢趨勢預測及影響因素研究[J].天然氣勘探與開發(fā),2006,29(2):49-52.

［4］賈紅育，曲志浩.注水開發(fā)油田油層結(jié)垢趨勢研究[J].石油勘探與開發(fā),2001,28(1):89-91.

［5］鄭勇，張榮，孫建華，等.文留油田儲層碳酸鈣結(jié)垢趨勢預測[J].河南石油,2005,19(1):71-72,75.

［6］查理斯C帕托.實用水技術(shù)[M].李敬波等譯.北京:石油工業(yè)出版社,1992:69-71.

［7］王立.油田水結(jié)垢研究[J].石油大學學報(自然科學版),1994,18(1):107-119.

［8］李化民.油田含油污水處理 [M].北京:石油工業(yè)出版社,1992:245-251.

Research of calcium carbonate scaling prediction on oil gathering and sewage system

CHEN Yuan-yuan,WANG Bao-hui,SUI Xin
(Daqing Petroleum Institute,Heiolngjiang,Daqing 163318)

Scale occurrence is one of the most serious problems in the process of gathering of oilfield produced water encountered in,it is necessary to scientifically and accurately predict scaling types and trends,in order to avoid the adverse effects caused by scaling.Field can take corresponding measures for anti-scaling and descaling through the results.Gathering and sewage system is in the scaling in Daqing Oilfield,water quality indicators;appearance and composition of characteristics scale of each node were analyzed.Results showed that water quality of the gathering and sewage system trends CaCO3,scale was a carbonate,organic matter,silicate and iron hydroxide mixed fouling,etc.,the main component was calcium carbonate.Using stability index method (SAI)to predict calcium carbonate scaling tendency,and predict maximum amount of scaling.The results showed that stability index 4.0＜SAI＜5.0,100＜PTB＜250.Calcium carbonate scaling is severe.

Daqing Oilfield;gathering and sewage systems;calcium carbonate;scaling prediction;scale

10.3969/j.issn.1008-1267.2010.05.010

TE358+.5

A

1008-1267（2010）05-030-03

2010-04-19

陳園園（1984～）女，大慶石油學院在讀碩士，研究方向為油田化學。