氣田水回注管道結(jié)垢原因及防垢技術(shù)探討

高龍　胡婧

（中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川江油　621700）

氣田水回注管道結(jié)垢原因及防垢技術(shù)探討

高龍胡婧

（中國石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川江油621700）

氣田水回注管道結(jié)垢將降低注水效率，同時會誘發(fā)注水井管線局部腐蝕、泄漏、穿孔，增加維修費用，針對如何解決管道結(jié)垢的問題，通過深入分析氣田水管道結(jié)垢機(jī)理和對比物理防垢、化學(xué)防垢和工藝法防垢3類技術(shù)的優(yōu)缺點和適用范圍，提出預(yù)防管道結(jié)垢的建議，包括將站內(nèi)金屬管道改為雙金屬復(fù)合管;氣田管理過程中需充分結(jié)合3個技術(shù)進(jìn)行管道防垢處理;建立管線結(jié)垢方面的數(shù)據(jù)庫，積累數(shù)據(jù)資料并完善結(jié)垢監(jiān)測系統(tǒng)。

氣田水回注管道結(jié)垢防垢

0　引言

隨著油氣田開采時間的增加，氣田水回注水質(zhì)不斷惡化，許多油氣田注水井的回注管道結(jié)垢現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。管道結(jié)垢將導(dǎo)致注水管網(wǎng)管線縮徑、堵塞、降低注水效率［1］，同時將誘發(fā)注水井管線局部腐蝕，增加維修費用［2］。另一方面，結(jié)垢阻塞注水井底，沉積的雜質(zhì)與腐蝕產(chǎn)物將減小注水量，注水井的免修期縮短，嚴(yán)重影響氣田建設(shè)［3］。筆者擬通過初步探討氣田水回注管道結(jié)垢機(jī)理和現(xiàn)有防垢技術(shù)，提出預(yù)防氣田水回注管道結(jié)垢的建議。

1　注水管道結(jié)垢原因分析

當(dāng)溫度、壓力等熱力條件改變時，水中離子平衡狀態(tài)遭破壞，成垢組分由于溶解度降低析出并結(jié)晶沉淀，形成水垢［4］。另外，注入水與地層水不配伍也會導(dǎo)致水垢形成。

王兵等專家總結(jié)了管道結(jié)垢的原因：①溶液中難溶或微溶的離子化合物過飽和析出，如CaCO3、CaSO4、BaSO4、SiSO4等，形成沉淀，沉淀以硫酸垢、碳酸垢居多；②管道因材質(zhì)腐蝕，形成垢下腐蝕和深層水垢。水垢覆蓋的管道表面作為電化學(xué)腐蝕的陽極，水中溶解氧通過電化學(xué)腐蝕的方式腐蝕管道基體，隨著氧濃度的增大腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重化。根據(jù)研究［5-6］，影響結(jié)垢速率的因素是多方面的，包括水的成分、成垢離子的濃度、水的流速、壓力和溫度、pH值、鹽含量、潤濕與粘附等。根據(jù)下列反應(yīng)式：

該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，當(dāng)溫度升高時，反應(yīng)向右進(jìn)行，促進(jìn)CaCO3沉淀生成；當(dāng)流速突然增加時，引起局部脫氣，CO2分壓降低，反應(yīng)向右進(jìn)行；當(dāng)管線壓力降低時，反應(yīng)向右進(jìn)行，促進(jìn)垢生成。當(dāng)pH值降低時，有助于消除碳酸鹽垢。當(dāng)回注水中鹽濃度較高時，則促進(jìn)垢生成［7］。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對某氣田易結(jié)垢回注水進(jìn)行水質(zhì)分析，結(jié)果見表1。

表1　某氣田回注水水質(zhì)分析情況表

2　注水管線阻垢防垢技術(shù)

包晨龍［8］、李海波［9］等總結(jié)分析，目前國內(nèi)外采用的注水管線阻垢防垢技術(shù)分為3大類，即物理防垢法、化學(xué)防垢法、工藝法防垢。

2.1物理防垢法

1）超聲波防垢。超聲波除垢［10］是利用聲場能量提高分子活性，破壞垢類生成和在器壁上板結(jié)的條件，使垢物在溶液中形成分散垢結(jié)晶，避免形成壁面硬垢。由于超聲空化現(xiàn)象［11］，產(chǎn)生的大量氣泡在一定程度上內(nèi)爆，瞬間釋放大量的熱，造成局部高溫，有利于液體降阻、降黏。同時，空化而成的大量空隙和氣泡破裂，產(chǎn)生強大壓力峰，起到粉碎可能的成垢物質(zhì)、已形成的硬垢使其懸浮在液體中的作用。這種物理防垢措施操作簡單，處理效果好，不需要添加化學(xué)藥劑，對環(huán)境無影響，相對于化學(xué)藥劑防垢法具有環(huán)保優(yōu)勢。

2）電子防垢。電子防垢利用信號發(fā)生器產(chǎn)生極性、振幅、頻率高速變化的電流，在管道中產(chǎn)生快速變化的磁場，對水中鈣鎂離子產(chǎn)生干擾，改變離子的電化學(xué)和物理特性，降低Ca2+、Mg2+、CO32-、SO42-之間的吸附能力，防止垢生成。此技術(shù)適用于各種類型的管材，防垢效果好，安裝施工方便，省電、運行費用低，產(chǎn)品適用壽命可長達(dá)10年［12］。

3）電磁防垢。電磁防垢是利用一定頻率范圍的掃描磁場［13］，其頻率涵蓋所有水分子的自然頻率，通過引起水分子共振，破壞水分子族團(tuán)的結(jié)構(gòu)，提高水的溶解能力。一方面，電磁作用促進(jìn)垢離子結(jié)成不帶電、易溶于水的垢晶體粒子，避免垢離子在管道及容器壁上形成垢層；另一方面，水分子共振，能量提高，逐漸破壞管壁和容器壁上的老垢，使其由外向里慢慢溶入水中，從而產(chǎn)生除垢的效果。電磁防垢特點突出，無電極、不接觸水，高效低電壓，安裝簡單，有活化水的作用，壽命長且效果穩(wěn)定，應(yīng)用范圍廣，不污染環(huán)境，除垢效果明顯。但電磁掃描的頻率范圍為水分子的頻率范圍，不同水質(zhì)以及有無電磁干擾將影響除垢防垢效果，作用具有不穩(wěn)定性。

4）涂膜防垢。管道內(nèi)壁粗糙度越高，析出的垢晶體在管壁吸附、成核的可能性越大。當(dāng)溶液中溶解的垢晶體過飽和時，晶體析出，并在粗糙的管內(nèi)壁成核、長大，隨著結(jié)垢程度發(fā)展，結(jié)垢嚴(yán)重化。故在管內(nèi)壁涂膜，降低內(nèi)壁粗糙度能有效防垢。根據(jù)陳仕男等［14］的研究，防腐蝕的涂層技術(shù)即表面處理技術(shù)，采用重防腐蝕環(huán)氧粉末涂料、H87環(huán)氧耐溫涂料、8701環(huán)氧樹脂涂料、新型環(huán)氧改性聚氨酯重防腐涂料等，能有效降低管內(nèi)壁粗糙度，形成的垢分子難以在管道內(nèi)表面附著，從而能有效防垢。緩蝕劑性能按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行評價，涂膜防垢多應(yīng)用于鋼制管道防腐，由于內(nèi)防腐層易脫落，這種方法僅是防垢的輔助措施。

5）量子管通環(huán)防垢。量子管通環(huán)［15］由某種特殊記憶材料合成，任何物質(zhì)都具有振動性，其波形可通過特定裝置進(jìn)行檢測，利用激光技術(shù)將近百種與水及相關(guān)物質(zhì)的超精微分子振動波形存儲在量子管通環(huán)亞原子級。該環(huán)直接安裝在管道上，瞬間可持續(xù)恒定地發(fā)射超精微振動波，波通過管壁傳入水中，與水分子及成垢物質(zhì)、老垢物質(zhì)等原有波形疊加，產(chǎn)生干擾波或共振波。在超精微振動波的作用下，老垢、鐵銹逐漸消除，新垢、新銹不再產(chǎn)生，同時細(xì)菌微生物被清除，避免形成垢下腐蝕。

量子管通環(huán)安裝時間短，安裝后無特殊防護(hù)要求，對水質(zhì)包括硬度、堿度，有很寬的容忍度，表現(xiàn)出良好的阻垢效果?？傮w來說，量子管通環(huán)阻垢技術(shù)較一般的電子、電磁、超聲波阻垢技術(shù)，具有更高的穩(wěn)定性和針對性。同時該技術(shù)具有運行費用低、安裝方式簡單、質(zhì)量保證可靠等優(yōu)點，值得用于生產(chǎn)實踐。

2.2化學(xué)防垢法

化學(xué)防垢法不同于物理防垢法，在管道結(jié)垢前，通過防垢劑的化學(xué)特性阻止和抑制垢的生成；對已結(jié)垢管道，通過添加化學(xué)試劑，促使板結(jié)在管壁上的老垢和過飽和析出的垢物質(zhì)再次溶解，達(dá)到除垢、防垢效果。

岳前聲、李鵬江［16］等對油氣田注水主要防垢劑的種類、適用情況、影響因素進(jìn)行了總結(jié)。廣泛使用的防垢劑包括無機(jī)聚磷酸鹽、有機(jī)聚磷酸鹽、有機(jī)多元磷酸、氨基多羧酸、均聚合物防垢劑和共聚合物防垢劑。由于防垢劑成本昂貴、用量大，需要根據(jù)不同地區(qū)水質(zhì)特點進(jìn)行實驗室復(fù)配和評價，還易帶來二次污染問題，化學(xué)防垢更適用于注水井防垢。開發(fā)綠色環(huán)保高效的新型防垢劑已成為國內(nèi)外發(fā)展的新趨勢。

Gu［17］等通過開展實驗研究混合咪唑啉［18］的改性防腐防垢復(fù)合抑制劑PESA（MA-AMPS）的防垢效果，并對效果進(jìn)行評價，最終優(yōu)選出高效的組分配比，其除碳酸垢和硫酸垢的能力分別達(dá)到了93.42%和96.74%。這種咪唑啉復(fù)配防垢劑較常規(guī)防垢劑更為綠色環(huán)保。

2.3工藝法防垢

盡管物理法和化學(xué)法能有效防垢，采用工藝法進(jìn)行防垢也是必要的。通過改變垢形成的外部條件，如選擇與地層水化學(xué)性質(zhì)配伍的注水水源、完善回注水預(yù)處理和回注工藝、控制油氣井投產(chǎn)流速和生產(chǎn)壓差等，可從工藝上降低結(jié)垢機(jī)理，為后期的物理、化學(xué)防垢法減少工作量。注入水的水質(zhì)預(yù)處理包括防垢、防腐、殺菌（三防）和隔氧等，回注工藝方面國內(nèi)氣田的工藝與油田回注工藝類似，但回注水的含油量較低。

3　結(jié)論與建議

1）目前，國內(nèi)大多數(shù)氣田站內(nèi)回注管道多采用金屬管道，站外采用非金屬管道，為防止管道腐蝕對加快結(jié)垢的影響，建議將站內(nèi)金屬管道改為雙金屬復(fù)合管，在經(jīng)濟(jì)原則下，該種材質(zhì)管道不但具有普通鋼管的優(yōu)點，又能有效降低金屬腐蝕結(jié)垢概率。

2）管線結(jié)垢的原因，一方面是注入水與地層水的不配伍；另一方面是熱力條件、工況條件等發(fā)生改變，帶來的微溶或難溶物的過飽和、析出、結(jié)晶長大。溫度越高、壓力越低、流速越快、pH值較高、水質(zhì)不配伍、注入水鹽度高等因素影響下，管線結(jié)垢趨勢越大，因此要作好相關(guān)因素的控制。

3）主要的防垢技術(shù)措施包括物理防垢、化學(xué)防垢和工藝法防垢，其中物理防垢以超聲波、電子、電磁、量子管通環(huán)等方法為代表，通過振蕩剪切等方式，提高水分子能量并使大塊老垢粉碎，使其不粘結(jié)在管壁上，具有無二次污染、簡便易行、效費比高的優(yōu)點?；瘜W(xué)法需要根據(jù)回注水和地層水特點進(jìn)行復(fù)配，費用昂貴及潛在危害不容忽略。工藝法作為改變外部條件的防垢方式，能從工藝及流程上為后續(xù)防垢減小工作量。氣田管理過程中需充分結(jié)合這3個技術(shù)進(jìn)行管道防垢處理。

4）建議在油氣田開發(fā)生產(chǎn)中建立管線結(jié)垢方面的數(shù)據(jù)庫，積累數(shù)據(jù)資料，并完善結(jié)垢監(jiān)測系統(tǒng)，便于及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中出現(xiàn)的結(jié)垢問題，采取科學(xué)的除垢措施。

［1］張林，張波，馬永明.天然氣管道沖蝕能量規(guī)律分析［J］.天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2013，7（3）：37-39.

［2］王兵，李長俊，劉洪志，等.井筒結(jié)垢及除垢研究［J］.石油礦場機(jī)械，2007，36（11）：17-21．

［3］王百，呂億明，韓二濤，等.水平井測試管柱防垢工藝［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（9）：74-77．

［4］舒勇，熊春明，張建軍.高含水期油田集輸系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢原因及綜合防治技術(shù)［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2010，1（1）：67-70.

［5］孟剛.油田注入水腐蝕結(jié)垢機(jī)理及防腐措施研究［D］.青島：中國石油大學(xué)（華東），2011：3-76.

［6］Liu X，Jungang L，Qianya Z，et al.The analysis and prediction of scale accumulation for water-injection pipe?lines in the Daqing Oilfield［J］.Journal of Petroleum Sci?ence and Engineering，2009，66（3）：161-164.

［7］左景欒，任韶然，馬欣本，等.油田回注水管道腐蝕分析及防護(hù)對策［J］.油氣儲運，2009（7）：44-47.

［8］包晨龍，戟磊，劉平江，等.油田防垢研究進(jìn)展［J］.廣州化工，2012，40（10）：21-23.

［9］李海波，張艦.油田防垢技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展［J］.化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2012，33（4）：40-43.

［10］霍文蘭，溫俊峰.超聲波輔助法在輸油管道除垢，防垢中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用化工，2009，38（6）：916-918.

［11］李虹霞.超聲空化防除垢與水力空化防除垢和強化傳熱實驗研究［D］.北京：中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所），2009.

［12］張楠，顧曉，梁宗會，等.電子防垢技術(shù)在大港南部油田的應(yīng)用［J］.油氣田地面工程，2004，23（10）：53.

［13］陳明明.油田水處理中的變頻電磁防垢技術(shù)研究［D］.大慶：東北石油大學(xué)，2013.

［14］陳壯男，鄭國軍，王洋.油田注水管道防腐措施研究［J］.化工管理，2013（12）:148.

［15］蘇建國，龍媛媛，楊為剛，等.量子管通環(huán)阻垢技術(shù)在勝利油田的應(yīng)用［J］.全面腐蝕控制，2009，23（5）：32-34.

［16］李朋江，楊博，余志斌，等.榆林氣田防腐防垢技術(shù)研究［J］.石油化工應(yīng)用，2012，31（11）：101-105.

［17］Gu T，Su P，Liu X，et al.A composite inhibitor used in oilfield：MA-AMPS and imidazoline［J］.Jour?nal of Petroleum Science and Engineering，2013，70（2）：108-110.

［18］Cruz J，Martnez R，Genesca J，et al.Experimental and theoretical study of 1-（2-ethylamino）-2-methyl?imidazoline as an inhibitor of carbon steel corrosion in acid media［J］.Journal of Electroanalytical Chemistry，2004，566（1）：111-121.

（編輯：蔣龍）

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2095-1132（2015）06-0043-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2015.06.012

修訂回稿日期：2015－12－06

高龍（1988－），工程師，從事地面建設(shè)和油氣儲運工作。E-mail：531169005@qq.com。