油井管道復(fù)合除垢劑的研制及性能評價(jià)

康少冉，鐵文安，祁 蓉，王 宇，田小艷

(陜西延長涇渭新材料科技產(chǎn)業(yè)園有限公司，陜西 西安 710054)

采油管道、油氣集輸管道已在油田上大量應(yīng)用。油井見水后，近井地帶復(fù)雜的滲流環(huán)境，使得注入水中的酸根離子與地層水中的金屬離子強(qiáng)烈混合，形成大量結(jié)垢，并一同進(jìn)入生產(chǎn)井管和流程。結(jié)垢會對地層和地面管網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，如影響管道設(shè)備的傳熱效率、對管網(wǎng)造成堵塞、引起細(xì)菌滋生而腐蝕管道、增大流體阻力、增大能耗等[1-3]。

陜北油田油井垢的生成特點(diǎn)，是碳酸鈣垢、砂粒、黏土和有機(jī)質(zhì)(蠟質(zhì)、瀝青質(zhì))相互沉積。針對此類型的垢，解決的辦法是除垢劑配方中必須有溶垢劑和滲透劑[4]。溶垢劑與碳酸鈣垢反應(yīng)使其溶解，滲透劑可溶解有機(jī)質(zhì)。針對垢中的黏土和砂粒，則要求配方中添加懸浮劑，以使其能穩(wěn)定懸浮于除垢劑溶液中，并隨產(chǎn)出液一起帶出井筒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

酸性溶垢劑LE-2、滲透劑PJ、表面活性劑AES(均為工業(yè)級)，懸浮劑XF(工業(yè)級，自制)。

X射線熒光光譜XRF-1800，Hitachi S-4800型場發(fā)射掃描電鏡，高溫鼓風(fēng)干燥箱，臥式恒溫?fù)u床。

1.2 井筒垢樣分析

圖1為陜北油田作業(yè)區(qū)2017年夏季現(xiàn)場油井作業(yè)過程中的井筒內(nèi)壁垢樣。其中a、b垢樣整體呈片狀，質(zhì)地非常堅(jiān)硬，如碎瓷片狀，貼近管壁處為棕黃色，遠(yuǎn)離管壁處為白色，表面粘附有淺黃色物質(zhì)。c垢樣是遠(yuǎn)離筒壁處的碎垢，質(zhì)地松軟，可能含有泥沙等物質(zhì)。

圖1 油井垢樣外觀Fig.1 Appearance of oil well scale sample

采用X射線熒光光譜（XRF）對陜北油田井筒垢樣進(jìn)行分析，以確定垢樣中的主要元素組成及各組分的相對含量。將3種垢樣在110℃烘箱內(nèi)干燥24h，取出后研磨成粉末，進(jìn)行XRF測試，結(jié)果見表1。

表1 垢樣主要成分及含量Table 1 main components and contents of scale samples

由表1可以看出，井筒垢樣中含有Si、Ca、Ba、Na、Sr、S、Mg 等元素，其中 Si 的含量最高，達(dá)到68.05%，其次是Ca，含量為12.28%，Ba的含量為8.52%，Na和Sr元素的含量相對較少，分別為6.97%和2.34%，說明垢樣的主體成分是Si、Ca和Ba。

1.3 復(fù)合除垢劑的研制

因垢質(zhì)的主要成分為 SiO2、CaCO3和BaO，因此我們選擇酸液為主要的除垢劑成分，其反應(yīng)原理如下：

考慮采用酸性溶垢劑LE-2來除去井筒中的無機(jī)垢。油井垢中有蠟、膠質(zhì)、瀝青等有機(jī)質(zhì)，考慮采用能將垢表面由親油性變?yōu)橛H水性的、滲透能力強(qiáng)的滲透劑來快速溶解有機(jī)垢。滲透劑由快速滲透劑PJ和表面活性劑AES復(fù)配而成。垢中有黏土和砂粒，因此要求配方中要添加懸浮劑，以能使其穩(wěn)定懸浮于除垢劑溶液中，并隨產(chǎn)出液一起帶出井筒。分散懸浮劑為實(shí)驗(yàn)室自制的懸浮劑XF，主要成分為丁基萘磺酸鈉。將酸性溶垢劑LE-2、滲透劑PJ、表面活性劑AES、懸浮劑XF復(fù)配后制備復(fù)合除垢劑，各試劑的含量根據(jù)垢的成分，通過正交實(shí)驗(yàn)法確定[5-7]。

以4種試劑為考察因素，以各因素的添加量為水平，以5h溶垢量為指標(biāo)，按L9（34）正交表進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。由表2可知，5號實(shí)驗(yàn)中試劑組合的除垢能力最強(qiáng)，達(dá)到了最優(yōu)值，因此確定各試劑的添加質(zhì)量比為：LE-2∶PJ∶AES∶XF=5∶4∶3∶3，并按照該比例制備了復(fù)合除垢劑GK-18。

表2 復(fù)合除垢劑的正交實(shí)驗(yàn)表Table 2 orthogonal test table of compound scale remover

2 復(fù)合除垢劑GK-18的性能分析

2.1 GK-18腐蝕性能評價(jià)

采用掛片法測定10%～20%的中性除垢劑對N80鋼片的腐蝕速度。實(shí)驗(yàn)溫度為90℃，反應(yīng)時(shí)間為7 h。按式(1)計(jì)算腐蝕速率[8]：

式中，V為腐蝕速率，g?m-2?h-1；G1為反應(yīng)前鋼片的質(zhì)量，g；G2為反應(yīng)后鋼片的質(zhì)量，g；S為鋼片的表面積，m2；t為反應(yīng)時(shí)間，h。

表3 不同溶液濃度的腐蝕速率Table 3 corrosion rate at different solution concentrations

圖2 鋼片腐蝕情況Fig.2 Corrosion of steel sheet

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，90℃下，除垢劑對鋼片的腐蝕性低，20%的除垢劑對鋼片的腐蝕速度僅為0.07 g?m-2?h-1，在實(shí)際應(yīng)用過程中，對井筒的腐蝕影響很小。

2.2 GK-18除垢能力評價(jià)

分別配制5%、10%、15%、20%的復(fù)合除垢劑GK-18溶液200mL于燒杯中，各加入10g井筒垢樣品，80℃下恒溫震蕩，每隔一段時(shí)間記錄殘留垢樣的質(zhì)量，測試其除垢能力，結(jié)果見圖3。由圖3可知，隨著除垢劑濃度增加，GK-18的溶垢速度及溶垢能力逐漸增加，20%的GK-18除垢劑的溶垢能力最強(qiáng)，15h后的溶垢率可達(dá)95%以上，達(dá)到了高效的除垢效果。

圖3 GK-18溶垢能力隨時(shí)間的變化情況Fig.3 Change of scale dissolving capacity of GK-18 with time

2.3 溫度對GK-18除垢劑的影響

將復(fù)合除垢劑分別配成10%和20%溶液各200mL于燒杯中，加入10g井筒垢樣品，考察不同溫度下，除垢劑達(dá)到最大溶垢能力所需的反應(yīng)時(shí)間，以此評價(jià)溫度對GK-18除垢劑的影響[9]，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著除垢溫度升高，達(dá)到最大溶垢能力的時(shí)間縮短，說明溫度能加快GK-18 的除垢速度。

圖4 溫度對GK-18溶垢能力的影響Fig.4 Effect of temperature on scale dissolving ability of GK-18

2.4 礦化度對GK-18除垢能力的影響

2.4.1 相同Ca2+離子含量、不同礦化度的影響

用碳酸鈣、氯化鈣和氯化鎂、氯化鈉配制相同鈣離子含量、不同礦化度的模擬水樣，測試水樣對GK-18除垢效果的影響，結(jié)果見表4和圖5。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，鈣、鎂離子含量相同時(shí)，礦化度越高，則溶垢能力越強(qiáng)，這是因?yàn)辂}效應(yīng)使得碳酸鈣的溶解度增加。

表4 相同Ca2+離子含量、不同礦化度模擬水樣Table 4 simulated water samples with the same Ca2+ content and different mineralization degrees

圖5 礦化度對溶垢能力的影響Fig.5 Effect of salinity on scale dissolving ability

2.4.2 相同礦化度、不同Ca2+離子含量的影響

用碳酸鈣、氯化鈣和氯化鎂、氯化鈉配制相同礦化度、不同鈣離子含量的模擬水樣，測試水樣對GK-18除垢效果的影響，結(jié)果見表5和圖6。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鈣離子含量≤2000mg?L-1時(shí)，溶垢能力變化不強(qiáng)；鈣離子含量＞2000mg?L-1后，溶垢能力明顯下降，從 87.1mg?mL-1下降到 32.9mg?mL-1，這是同離子效應(yīng)而導(dǎo)致的復(fù)合除垢劑的溶垢能力下降[10]。

表5 相同礦化度，不同Ca2+離子含量模擬水樣Table 5 simulated water samples with the same mineralization degree and different Ca2+ ion content

圖6 Ca2+離子含量對溶垢能力的影響Fig.6 Effect of Ca2 + ion content on scale dissolving ability

3 結(jié)論

本文將酸性溶垢劑LE-2、滲透劑PJ、表面活性劑AES、懸浮劑XF復(fù)配后制備了油井復(fù)合除垢劑GK-18，根據(jù)垢的成分，采用正交實(shí)驗(yàn)法確定各試劑的含量。通過室內(nèi)溶垢實(shí)驗(yàn)評價(jià)，得出20%的GK-18除垢劑的溶垢能力最強(qiáng)，15h后的溶垢率可達(dá)95%以上。腐蝕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GK-18除垢劑的腐蝕性小，20%的除垢劑對鋼片的腐蝕速率僅為0.07 g?m-2?h-1，抗礦化度性能高。