油田注水井管防結(jié)垢試驗(yàn)研究

(中石化石油工程造價(jià)管理中心，山東 東營(yíng) 257000)

油田采用注水開發(fā)的目的是補(bǔ)充地層能量，提高采收率。然而，注水量的不斷增加及水質(zhì)問題的存在，給油田注水井管以及油氣集輸管線帶來十分嚴(yán)重的腐蝕及結(jié)垢問題。傳統(tǒng)防結(jié)垢技術(shù)存在經(jīng)濟(jì)效益差、環(huán)保不達(dá)標(biāo)、防垢保護(hù)范圍有限等問題。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室反復(fù)研究篩選與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)疏水性環(huán)氧玻璃鋼復(fù)合材料的防腐蝕、防結(jié)垢效果最為顯著。

1 注水井管結(jié)垢現(xiàn)狀分析

1.1 腐蝕結(jié)垢與水質(zhì)狀況

油田注入水多為經(jīng)處理后的油田采出水，礦化度高，含有多種易引起結(jié)垢、腐蝕的介質(zhì)成分，注水井管使用一定時(shí)間后均會(huì)出現(xiàn)腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象。嚴(yán)重者使用不足一年即因結(jié)垢、腐蝕而報(bào)廢[1]。圖1為勝利油田某注水井井下鋼質(zhì)油管結(jié)垢和腐蝕情況。

圖1 油田注水井管腐蝕結(jié)垢情況

表1為勝利油田某區(qū)塊(管理區(qū))注入水水質(zhì)成分。從表1可見，注入水中含有高濃度易造成結(jié)垢的離子成分(碳酸氫根和鈣鎂離子)。在注水過程中，因壓力、溫度、流向及流速等因素的變化，改變了原先的離子化學(xué)平衡狀態(tài)而產(chǎn)生垢的分子，繼而產(chǎn)生微結(jié)晶體，在粗糙的金屬油管內(nèi)壁沉積，形成管內(nèi)壁結(jié)垢[2]。

表1 勝利油田辛一管理區(qū)注入水水質(zhì) mg/L

1.2 注水井管結(jié)垢機(jī)理

油田采出水結(jié)垢可分為3種情況。

(1)隨污水溫度、壓力、流速及流向等條件的改變，導(dǎo)致水中離子平衡狀態(tài)隨之改變，成垢組分溶解度降低而結(jié)晶沉積。如含鈣鎂離子和碳酸根、碳酸氫根離子的水會(huì)形成碳酸鈣垢。碳酸鈣垢的形成反應(yīng)如下：

(2)兩種不配伍的水混合而反應(yīng)產(chǎn)生垢沉淀。如含鋇鍶離子的水與含硫酸根離子的水混合后會(huì)很快產(chǎn)生鋇鍶垢沉淀。硫酸鋇垢的形成反應(yīng)如下：

成垢分子結(jié)合并排列形成垢結(jié)晶體，結(jié)晶體大量堆積、沉積在管道內(nèi)表面,造成管道截面減小甚至堵塞，影響管道的正常運(yùn)行。2017年12月24日，對(duì)某油田注水管道內(nèi)壁垢類沉積物進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。由表2可見，垢類沉積物主要成分為鈣、鎂、鋇、鍶及鐵等構(gòu)成的鹽類或金屬氧化物等。

(3)鋼質(zhì)管道在使用中會(huì)發(fā)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)物堆積也會(huì)形成結(jié)垢，這是注水井管結(jié)垢的另一個(gè)原因。

表2 某油田注水管道內(nèi)沉積物分析結(jié)果 μg/g

1.3 防結(jié)垢技術(shù)及存在的問題

目前，傳統(tǒng)的防垢除垢技術(shù)從技術(shù)原理上可以分為物理除垢、化學(xué)除垢、機(jī)械除垢及工藝除垢。工藝除垢與機(jī)械除垢比較簡(jiǎn)單，但除垢效果受限?；瘜W(xué)防垢法是用化學(xué)防垢劑來阻止垢物生成，大多數(shù)化學(xué)防垢劑會(huì)腐蝕金屬設(shè)備，且污染環(huán)境，需要連續(xù)投加，防垢保護(hù)范圍小。物理除垢主要是利用電、磁、聲波等物理現(xiàn)象與垢體相互作用達(dá)到防垢除垢的目的，但該類設(shè)備比較復(fù)雜，作用區(qū)域有限，對(duì)一些硬垢效果不明顯。因此，綠色環(huán)保、高效的新型防垢除垢技術(shù)成為工業(yè)防結(jié)垢領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。

勝利油田營(yíng)47×34注水井原注水井管為鋼質(zhì)油管，該鋼質(zhì)油管運(yùn)行16個(gè)月后，于2017年2月6日因不能正常注水停運(yùn)。抽出井下注水井管，檢查發(fā)現(xiàn)，該注水井管結(jié)垢、腐蝕嚴(yán)重，局部堵塞，外壁及垢下發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕。注水井管外觀照片見圖2。

圖2 營(yíng)47×34注水井管腐蝕和結(jié)垢狀況

2 新型防結(jié)垢技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)井概況

選擇結(jié)垢、腐蝕嚴(yán)重的勝利油田某采油廠營(yíng)47×34注水井作為試驗(yàn)井。該井最大井斜37.8°，注入水為油田采出水，注入水溫度60 ℃，水質(zhì)成分如表1所示。

2.2 試驗(yàn)管柱設(shè)計(jì)

采用勝利油田某管業(yè)公司新研制生產(chǎn)的環(huán)氧玻璃鋼長(zhǎng)效分層注水管作為試驗(yàn)管。該管道抗拉強(qiáng)度432.64 MPa，彈性模量31.44 GPa，管道公稱直徑為DN65 ，管道連接方式為新型“4牙”結(jié)構(gòu)玻璃鋼螺紋連接。分層注水試驗(yàn)管柱結(jié)構(gòu)示意見圖3。該管柱采用壓縮式封隔器，配套長(zhǎng)距補(bǔ)償丟手裝置、錨定裝置及測(cè)調(diào)一體化配水器。

圖3 試驗(yàn)管柱結(jié)構(gòu)示意

2.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

2017年2月6日，將營(yíng)47×34井注水井管更換為環(huán)氧玻璃鋼油管，長(zhǎng)度2 245.8 m。2017年2月13日開井注水。分兩層配水，上層20 m3/d、下層160 m3/d。注水運(yùn)行參數(shù)見表3。

表3 防結(jié)垢試驗(yàn)井管運(yùn)行參數(shù)

連續(xù)注水23個(gè)月后，于2019年1月取出玻璃鋼注水井管檢查，其內(nèi)外表面及管端螺紋完好，基本無腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象，繼續(xù)下井使用(見圖4),已持續(xù)運(yùn)行26個(gè)月。玻璃鋼注水井管與原鋼管使用情況對(duì)比見表4。

圖4 玻璃鋼注水井管使用后狀況

管 材鋼管玻璃鋼管結(jié)垢速率/(mm·a-1)2.30.05腐蝕速率/(mm·a-1)0.90平均檢查周期/a25更新年限/a2～3>5

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在同樣的工況及介質(zhì)條件下，環(huán)氧玻璃鋼管道與鋼管道相比，具有優(yōu)異的防結(jié)垢、耐腐蝕性能。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

管道結(jié)垢的原因除與介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)外，還與固體表面的粗糙度和疏水性有關(guān)。相關(guān)研究表明，材料表面能與結(jié)垢有著密切的關(guān)系，降低材料表面能有利于減緩垢的形成。姜春花等[3]研究YH-16環(huán)氧材料和帕羅特環(huán)氧涂層在油田注水和輸油環(huán)境下防結(jié)垢和防結(jié)蠟性能，經(jīng)過15 d動(dòng)態(tài)浸泡，兩種環(huán)氧涂層相比基材結(jié)蠟量分別下降 85.3%和 83.3%, 結(jié)垢量分別下降 71.1% 和72.4%，表現(xiàn)出良好的防結(jié)垢和防結(jié)蠟性能。環(huán)氧材料涂層表面能較低，表面光滑，不利于蠟晶及垢晶在涂層表面吸附，同時(shí)在流體作用下結(jié)蠟和結(jié)垢容易脫附，最終蠟質(zhì)和污垢在涂層表面的沉積速率降低。

通常將表面張力在100 mN/m以上者稱為高能表面，100 mN/m以下者稱為低能表面。幾種常用管材的臨界表面張力見表5(通常可用表面張力表征其表面能的大小)。玻璃鋼及其他幾種常用管材的粗糙系數(shù)見表6。

表5 幾種常用管材的臨界表面張力 mN/m

表6 幾種管道的粗糙系數(shù)

環(huán)氧玻璃鋼管道采用環(huán)氧樹脂基體與玻璃纖維增強(qiáng)材料復(fù)合制造，其管材臨界表面張力只有鋼的48%，具有較低的表面能，且具有與有機(jī)聚合物環(huán)氧涂層相類似的性能，屬于疏水性材料。由表6可見，玻璃鋼管道內(nèi)壁光滑，粗糙系數(shù)只有鋼管的48%，不利于垢蠟沉積，且流體阻力小，在同等壓力下可以縮小管徑、提高流速運(yùn)行，有較好的沖刷效果，因此具有良好的防結(jié)垢、防結(jié)蠟性能。綜合兩方面原因，玻璃鋼管的結(jié)垢速率比鋼管大幅降低。

3 結(jié)論及建議

(1)環(huán)氧玻璃鋼在油氣田防腐蝕方面得到大量應(yīng)用，并取得了顯著的防腐蝕效果和經(jīng)濟(jì)效益，在防垢方面研究較少?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，玻璃鋼管有優(yōu)異的防結(jié)垢性能。

(2)試驗(yàn)表明，低表面能非金屬?gòu)?fù)合材料具有優(yōu)異的防結(jié)垢和防腐蝕性能，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，使用周期長(zhǎng)，效費(fèi)比高，為解決油氣田管道防結(jié)垢難題提供了一條新的途徑。

(3)研究開發(fā)低表面能超疏水環(huán)氧玻璃鋼管材，經(jīng)過系列防結(jié)垢試驗(yàn)研究，進(jìn)一步提高材料的防結(jié)垢效果和對(duì)各種不同介質(zhì)條件的適應(yīng)性，具有重要意義和可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。