油田采出水結(jié)垢腐蝕產(chǎn)物特征研究

張蕾蕾，林莉莉，向煜琪，叢淑萍，張玉敏

1.中國石油新疆油田公司實驗檢測研究院；2.新疆維吾爾自治區(qū)油氣田環(huán)保節(jié)能工程研究中心引用：張蕾蕾,林莉莉,向煜琪,等.油田采出水結(jié)垢腐蝕產(chǎn)物特征研究[J].油氣與新能源,2022,34(1):87-90.

0 引言

新疆油田老區(qū)開發(fā)超過20年，多數(shù)注水系統(tǒng)運行已超過10年。結(jié)垢問題是導(dǎo)致油田注水設(shè)備及管道縮徑堵塞、流量降低、管道壓降增大［1］等問題的重要原因，其中垢下腐蝕是注水系統(tǒng)管道失效的關(guān)鍵因素之一［2-3］。本文旨在系統(tǒng)性、整體性地明確新疆油田結(jié)垢情況，形成對油田水質(zhì)特點、結(jié)垢類型、結(jié)垢現(xiàn)狀的區(qū)域性認識和分析。

1 試驗設(shè)計與評價方法

選取具有代表性的新疆油田老區(qū)東部、西北緣及腹部 16個處理站，針對集輸-處理-注水工藝流程，采用全流程取樣法，考察生產(chǎn)井、處理站內(nèi)各來液管線、各處理單元下出水管線以及注水單井的水質(zhì)及結(jié)垢產(chǎn)物特點。

水質(zhì)分析方法見SY/T 5523—2016《油氣田水分析方法》，并采用OLI結(jié)垢軟件模擬計算預(yù)測結(jié)垢趨勢。結(jié)垢產(chǎn)物分析流程依次為除油、低溫干燥、XRD（X射線衍射）、XRF（X射線熒光光譜分析）、能譜等物理定性定量檢測。

2 水質(zhì)特點

油田采出水水質(zhì)數(shù)據(jù)易波動。其中，稀油區(qū)塊pH值范圍為 6.72～8.11，礦化度為 5 666～20 810 mg/L，離子強度在0.1～0.3，水型主要為碳酸氫鈉型、氯化鈣型和氯化鎂型。稠油污水pH值范圍在6.6～8.39，礦化度低于稀油污水的，濃度范圍在5 261～14 570 mg/L，水型主要為碳酸氫鈉型和氯化鈣型。

3 結(jié)垢成因分析

稠油區(qū)塊結(jié)垢產(chǎn)物以硅垢、硫腐蝕垢為主，兼有硫酸鋇垢。稀油區(qū)塊結(jié)垢產(chǎn)物以碳酸鈣垢、碳酸亞鐵垢為主，兼有輕微硫酸鋇結(jié)垢。

3.1 碳酸鹽垢及成因分析

3.1.1 鈣離子含量持續(xù)增加

稀油污水處理站中30%的系統(tǒng)來水含鈣量持續(xù)增加，部分站點鈣離子含量甚至比2013年的采出水中的含量高1倍。個別稀油系統(tǒng)建站初期鈣離子含量小于1 000 mg/L，由于新區(qū)塊產(chǎn)能建設(shè)等原因，鈣離子含量持續(xù)增加至2 500 mg/L。成垢因子增加導(dǎo)致結(jié)垢量成倍增加，造成加熱爐切換頻繁、收水管線不暢。

3.1.2 新的開發(fā)方式

目前結(jié)垢最嚴重的區(qū)塊在于碳酸鹽巖層區(qū)塊采出液，部分單井碳酸根及碳酸氫根含量甚至達到40 000 mg/L。一旦開始出現(xiàn)結(jié)垢，常用鹽酸或氫氟酸酸化地層，可能引起近井地帶出現(xiàn) CO2微循環(huán)，使地層中的碳酸氫根與注入水中的鈣離子重新結(jié)合，形成碳酸鈣結(jié)晶。這種現(xiàn)象表現(xiàn)出類似CO2驅(qū)結(jié)垢［4］。在井下通過連續(xù)油管取得垢樣，垢樣結(jié)晶完整、硬度高，如果中間夾雜部分泥沙，會使得結(jié)晶不連續(xù)，硬度有所下降。

實際上由井筒到地面失鈣是一個連續(xù)的過程，溫度、注酸量的差異甚至造成地面上返液中相鄰兩口井水型差別很大，導(dǎo)致地面系統(tǒng)嚴重結(jié)垢。

3.1.3 上產(chǎn)措施等造成配伍性改變

頻繁的階段性的壓裂、酸化等上產(chǎn)措施會改變采出液的酸堿度及水型［5］，注水量與采出水量不匹配造成處理站間水重新分配、相互混輸，系統(tǒng)來液波動較大，同一口井多層位同時開采等一系列的原因，都會造成處理站內(nèi)及注水延程配伍性不良，從而引起結(jié)垢。

3.1.4 處理站間轉(zhuǎn)輸?shù)挠绊?/p>

處理站間混輸除了會影響配伍性之外，水系統(tǒng)運行時間被大大延長。處理站一般停留時間不超過24 h，水系統(tǒng)運行溫度一般為22～27 ℃，由于大罐-外輸泵-大罐-提升泵-大罐系統(tǒng)運行流程通常存在壓力不停釋放，同時系統(tǒng)運行時間翻倍，失鈣率從1.7%增加至5.1%。

3.1.5 流速降低

流速降低是造成處理站管線結(jié)垢的重要因素。近年來，稀油污水處理站陸續(xù)出現(xiàn)調(diào)儲罐、反應(yīng)器出口管線結(jié)垢問題。一般為保證處理站經(jīng)濟運行，處理站內(nèi)泵前流速低于1 m/s、泵后流速大于1 m/s［6］，但是一般輸送流速宜大于 0.6 m/s以便減少結(jié)垢沉積。由于部分處理站目前水處理量降低至設(shè)計量的30%～50%，流速降低至0.35～0.47 m/s，結(jié)垢顆粒沉降趨勢大大增加。這種情況下，管道狹窄處容易結(jié)垢沉積，導(dǎo)致過水不及頂罐等，需要優(yōu)化設(shè)備參數(shù)提升運行速度。

3.2 腐蝕垢及成因分析

稀油污水注水站及管線腐蝕產(chǎn)物以碳酸亞鐵和硫化亞鐵為主，高溫污水腐蝕產(chǎn)物以硫化亞鐵為主。稠油污水由于開發(fā)過程高溫裂解等原因會攜帶部分硫化物［7］，硫離子含量普遍偏高，含量為3～10 mg/L，一般采取去氧及除硫化氫措施。

垢下腐蝕不易仿真模擬，僅見以巖石模擬垢層的模擬試驗［8］。通過對在用管道重復(fù)檢測，發(fā)現(xiàn)注水設(shè)備及管線一旦發(fā)生腐蝕，在垢層之下靠井壁處Fe2+離子含量高達200 mg/L，F(xiàn)e2+離子水解，并引起局部流體pH值由7.0下降至6.3。同時管壁破損處自由氫離子的出現(xiàn)，使得HCO3-轉(zhuǎn)化為 H2CO3，濃度由504 mg/L下降至315 mg/L。而高濃度Fe2+離子在注水管線長期高壓作用下生成更為穩(wěn)定的碳酸亞鐵。由于油田水pH值普遍在6～9，油田水垢下腐蝕均為酸性腐蝕。垢下腐蝕速度非?？欤瑪?shù)月即可腐蝕掉稀油污水處理站三相分離器內(nèi)部構(gòu)件［9］，或致管線失效［10］。

3.3 硫酸鹽垢及成因分析

硫酸鋇結(jié)垢主要發(fā)生在稠油區(qū)塊。一般而言，離子強度越高，溫度越高，硫酸鋇溶解度越高；相反，溫度越低，離子強度越低，則硫酸鋇結(jié)垢傾向越嚴重。稠油區(qū)塊由于注水管線長，注水系統(tǒng)前端溫度 85 ℃，后端溫度 65 ℃，前后端溫度波動超過20 ℃。溫度起伏造成注水中硫酸鋇結(jié)垢量由25 mg/L增加至42 mg/L。

4 結(jié)垢特性

4.1 結(jié)垢一致性

由A采油廠的集輸、氣、注水管線分析其中無機物組成發(fā)現(xiàn)，由于三相分離器后集輸管線、氣管線、注水管線中最主要成垢因子是采出液中或水相中攜帶的，成垢元素具有一致性，以鈣、硅等元素為主，產(chǎn)物以碳酸鈣（鎂）、二氧化硅為主（見圖1）。同樣，B采油廠注水支線與配水間成垢元素也具有一致性，以鐵、硅、硅等元素為主，除接觸氧氣過久支線攜帶部分氧化鐵之外，結(jié)垢產(chǎn)物均為碳酸亞鐵、二氧化硅和碳酸鈣（見圖2）。

4.2 腐蝕垢不一定與碳酸鹽垢共存

在鈣離子低于 300 mg/L、結(jié)垢趨勢小于 200 mg/L的水體中，碳酸鈣很難生成。尤其在阻垢劑的干擾下，從腐蝕產(chǎn)物XRD圖譜分析結(jié)果可知（見圖3），腐蝕垢往往與顆粒垢共生，未必伴隨通常所說的碳酸鈣（鎂）或硫酸鹽結(jié)垢。

圖3 注水管線腐蝕產(chǎn)物XRD圖譜

4.3 硫化亞鐵垢優(yōu)先沉積

當系統(tǒng)來液存在硫離子和亞鐵離子不配伍時，硫鐵化合物迅速沉積，但是由于顆粒度和沉降速度的原因，在一段沉降罐和二段沉降罐發(fā)生不同程度結(jié)垢，一段沉降罐結(jié)垢通常較為嚴重。硫化亞鐵在一段沉降罐和二段沉降罐中含量分別為 5.6%和0.14%。

進一步地分層分析表層-中層-近罐體層依次不同的產(chǎn)物（見表1）。由于泥沙層在罐體中密度大，易于沉積；硫化亞鐵在系統(tǒng)中沉積快，而且與金屬器壁更易結(jié)合；而碳酸鈣結(jié)垢常數(shù)大于硫化亞鐵，往往首先在溶液中達到足夠的晶體后，才會在器壁上結(jié)晶，在器壁的沉積速度往往比硫化亞鐵更慢。

表1 各垢層產(chǎn)物含量

5 結(jié)論及認識

對于管道內(nèi)垢體的存在形式難以確認，成垢一致性可以協(xié)助判斷結(jié)垢產(chǎn)物以便指導(dǎo)現(xiàn)場清除結(jié)垢產(chǎn)物。

配伍性不良引起的結(jié)垢可采用集輸系統(tǒng)端點加入阻垢劑的方法，緩解明顯的結(jié)垢，同時，確定幾股來液中哪些不是配伍不良、引起顯著結(jié)垢的水體，在其中加入更多的阻垢劑。

近年來，新疆油田多采用物理投球、空穴射流、微電腦脈沖共振等物理除垢技術(shù)，物理除垢對于消除礦物顆粒垢（含硅、鋁等）、微生物垢都有較好的效果。特別是配合使用殺菌劑和電解鹽殺菌技術(shù)可充分去除注入水中的SRB（硫酸鹽還原菌）、IB（鐵細菌）、TGB（腐生菌），消除延程管路污染，使微生物帶來的懸浮物及腐蝕得到了良好的控制。對于配伍性帶來的碳酸鈣垢、腐蝕垢嘗試采用化學清垢，一般化學清垢劑中需要加入緩蝕劑及硫化氫抑制劑，消除安全環(huán)保隱患。