淺談防垢管在大慶油田注采生產(chǎn)中的作用

何德江

（大慶油田創(chuàng)業(yè)金屬防腐有限公司，黑龍江 大慶 163412）

注水采油技術(shù)（簡稱水驅(qū)）和注聚合物采油技術(shù)（簡稱聚驅(qū)）是大慶油田目前提高原油產(chǎn)量的主要方法，但由此而造成井下管柱和輸油管線的腐蝕及結(jié)垢問題，一直是困擾油田注采生產(chǎn)過程中的頑疾，每年因腐蝕結(jié)垢報廢更換的管柱、管線，影響作業(yè)和生產(chǎn)，直接、間接的損失大，因此，針對油田水驅(qū)聚驅(qū)過程中的防腐防垢技術(shù)措施之一鈦聚合物防垢管（簡稱防垢管），正符合油田注采生產(chǎn)的需要，極大地緩解了腐蝕、結(jié)垢造成的危害。

1 防垢管的防腐作用

油田注水管道的腐蝕符合金屬腐蝕的一般規(guī)律，主要因素有pH值、溶解氧、CO2、H2S、溶解鹽、細菌溫度等，這些因素易與管材形成FeCO3、Fe(OH)2、Fe2O3等腐蝕產(chǎn)物，而防垢管恰恰有較強的防腐性能。

（1）抗?jié)B透能力強。一是涂料中的填料與樹脂分子之間化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附相結(jié)合，阻塞了腐蝕介質(zhì)滲透通道。二是微小的鈦納米聚合物具有填充空穴的作用，且不溶于水，水、氧和其它離子滲透路線延長。鈦納米聚合物比表面積很大又有化學(xué)作用，所以加入少量就能起到顯著的抗?jié)B透效果。三是鈦納米聚合物有憎水性，通常的極性介質(zhì)和離子很難通過涂膜。因此鈦納米聚合物涂層較普通涂層耐沸水性高，抗?jié)B透性強。

（2）附著力高。附著力是涂層發(fā)揮保護、裝飾及特殊功能的關(guān)鍵性能。涂膜本身即使具有優(yōu)良物理化學(xué)性能，若不能和底材或底層牢固黏結(jié)，就沒有實用價值。附著力由機械結(jié)合力、化學(xué)鍵和分子作用力組成。鈦納米粒子高活性懸空鍵，以化學(xué)鍵合和化學(xué)吸附的形式與聚合物配位，同時將聚合物閉環(huán)打開，形成開環(huán)的羥基與醚鍵進一步與樹脂進行化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附，并形成新的活性開環(huán)。與基材表面發(fā)生化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附。涂料中成膜樹脂固化時體積收縮小，內(nèi)應(yīng)力小。樹脂中的醚鍵分子鏈柔軟便于旋轉(zhuǎn)，可消除內(nèi)應(yīng)力，所以附著力高。

（3）耐腐蝕性能好。一般涂層的破壞都是由于腐蝕介質(zhì)沿分子和填料間的界面或樹脂分子間的界面而進行的，鈦納米聚合物涂料用化學(xué)鍵合與化學(xué)吸附阻塞了這些通道。涂層抗?jié)B透能力強，減緩腐蝕速度。鈦本身耐腐蝕性好?；瘜W(xué)鍵合與化學(xué)吸附作用，阻止水、氧及其它腐蝕介質(zhì)的取代作用，使其不能在管材表面發(fā)生腐蝕反應(yīng)，所以耐腐蝕性能好。

2 防垢管的防垢作用

（1）水驅(qū)井垢的生成。水驅(qū)井的注水來源一是采出井采出液的油水分離，二是城市污水的簡單處理后。采出液油水分離后，水的礦化離較高，含有大量的成垢陽離子Ca2+、Mg2+、Ba2+，而城市污水中則有一定量的成垢陰離子、，二者相遇后則產(chǎn)生下列成垢反應(yīng)：

（2）聚驅(qū)井垢的生成。聚驅(qū)采油現(xiàn)已發(fā)展成三元復(fù)合驅(qū)采油，三元復(fù)合驅(qū)是由一定比例的聚合物，堿、表面活性劑與水按比例配置后注入井中，三者協(xié)同作用可提高驅(qū)油效率，但由于堿的加入，則容易與井液中的Ca2+、Mg2+離子生成下列垢：

同時由于pH值升高，地下巖層被大量溶解，使得井液中成垢陽離子Ca2+、Mg2+、Ba2+及成垢陰離子濃度增加，加之油田水體系中、-等陰離子存在，則極易生成下列垢：

（3）防垢作用。①防垢管的抗粘附性。防垢層厚，微小鈦納米聚合物填料填充作用使表面光滑度很高且致密，對于粘性較高的三元聚驅(qū)液具有較強的抗粘附性強，防止形成結(jié)垢核心，使得成垢離子及雜質(zhì)難以沉積。②防垢管的難潤濕性。不同材質(zhì)的物體表面，有不同的潤濕物性。光管表面潤濕角小于90°，潤濕角小，晶體形成的核能量越小，易形成晶核，進而形成垢晶體。形成的垢晶體也易于粘附，結(jié)垢趨勢越大。選用的鈦金屬涂料涂層表面能低，潤濕角大（達到145°），防止三元液在其表面鋪展，進而防止結(jié)垢。③防垢管的磁性防垢作用。填料中的金屬鈦聚合物具有特殊的磁性與化學(xué)結(jié)構(gòu)，涂裝后的表面，一方面能對污垢粒子整形使其排列整齊，不形成結(jié)垢質(zhì)分子交錯穿插的硬垢；另一方面排斥污垢粒子，使其不能粘附到涂層表面上，達到防垢的功能。

3 增注作用

我們知道，在油田水驅(qū)、聚驅(qū)采油生產(chǎn)中，會產(chǎn)生注水和注聚過程中較大的壓力損失，又叫壓頭損失。主要是由于注入的水與油管管壁之間、水流與水流之間、聚合物與管壁間、聚合物與聚合物之間有摩擦力，消耗能量，叫做因“沿程阻力”而造成的壓頭損失。同時，注入的流體在經(jīng)過油管的接箍處時，會產(chǎn)生漩渦，漩渦也消耗能量，這種“局部阻力”造成的壓力損失也是較大的（大慶油田一口注入井的接箍差不多為120個）。并且，隨著注入量的增大，沿程阻力和局部阻力損失增加造成的壓頭損失也在增大。

（1）注水在2．5英寸油管內(nèi)流動狀態(tài)的確定。當(dāng)注水量為m3/d時，在2．5英寸油管（直徑D=65×10-3m）中流速由下式確定：

式中，V為注水速度，m/s；Q為日注水量，m3/d；D為管徑，m。

流體的雷諾準(zhǔn)數(shù)由下式確定：

式中，Re為流體的雷諾數(shù)，無因次；D為管徑，m；γ為水的運動粘滯系數(shù)，m2/s。

對水溫取其平均值為40℃，查的γ 40℃=0．659×10-3m /s。取不同的注水量，按（1）和（2）式計算注水速度和雷諾數(shù)，當(dāng)注水量大于25m3/d時，雷諾數(shù)就大于2000，流體力學(xué)已經(jīng)證明這樣的流體流動時處于紊流態(tài)，紊流態(tài)流體具有切應(yīng)力效應(yīng)。因此，這樣的流體在管中流動時，管壁必然具有阻力作用，其結(jié)果降低了流體的力量。

做簡單注水試驗，并列兩排600m長的防垢管線和未防垢管管線，分別在注入口和流出口裝上壓力表，分別記錄進水口和出水口的壓力表讀數(shù)，見表1。

表1 防垢管與普通管實測的壓力損失對比

數(shù)據(jù)分析：從測的結(jié)果看，相同注入量下防垢管的磨阻損失都小于未防垢的管。但注入量較小時表現(xiàn)不明顯。當(dāng)注入量分別為 17．7m3/d和 36．3m3/d時，防垢管比未防垢管可降低磨阻分別是35%和55%。

應(yīng)該指出的是，由于實驗場地不是絕對水平，因此表中所測數(shù)據(jù)的絕對值意義并不大，但是由于防垢管和未防垢管并列放置，處在相同條件下，又是用相同的壓力表（精度壓力表）測的，所以具有可比性，即它們的相對值比較有意義。

4 結(jié)語

（1）防垢管由于有較強的防腐性能，使用后可延長油管使用壽命4～6年，可節(jié)約管材折合重量（按年使用2000km計算）4000余t/a。

（2）防垢管由于是有機高分子聚合物，表面張力小，難浸潤，抗沾粘，并且根據(jù)分子基的相性選擇，內(nèi)表面與溶有成垢離子的水界面疏而不親，大大降低了管柱結(jié)垢的可能性。

（3）防垢管比普通管降低磨阻50%左右，減少壓力損失平均為0．25MPa，全油田注水系統(tǒng)每降低0．1MPa的壓力就可節(jié)約幾百萬kW·h的電。其次，防垢管極大地降低了注水磨阻，相對提高了注水壓力，增加了注水量，節(jié)約了注水系統(tǒng)的能耗，提高了產(chǎn)液量。

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