聚驅(qū)注入流程管道結(jié)垢的分析與處理

鄭斌，喬方，孫鳳林，張繼光，劉福雙，姜光宏，曹新

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引言

聚驅(qū)自誕生以來(lái)一直是油田的一項(xiàng)有效提高采收率措施，是油井降水增油的重要措施之一。但隨著聚驅(qū)注入時(shí)間的增長(zhǎng)，流程管道中產(chǎn)生的結(jié)垢問(wèn)題一直未得到有效的解決，使得聚驅(qū)高壓注入流程受到了嚴(yán)重的影響。目前國(guó)內(nèi)外大部分處理流程管道結(jié)垢的方式為定期更換法，這種方式需投入的人員較多、檢查項(xiàng)目繁瑣、成本較大及作業(yè)周期較長(zhǎng)。其主要步驟為[1]：

利用拆除或查驗(yàn)的方式，拆開(kāi)各段閥門(mén)或管道連接處，檢查整段注入流程管線流程；確定和區(qū)分結(jié)垢不嚴(yán)重和嚴(yán)重的結(jié)垢管道，列出非換和必?fù)Q的管道；安排大量人員進(jìn)行熱工作業(yè)，更換結(jié)垢嚴(yán)重的管段，而結(jié)垢不嚴(yán)重的管道可繼續(xù)使用。

這種方式代價(jià)較大，同時(shí)存在較大隱患。由于只更換了結(jié)垢較為嚴(yán)重的管道，其他未更換的管道中仍存在結(jié)垢，故隱患被保留下來(lái)。這些管道經(jīng)過(guò)繼續(xù)使用，結(jié)垢繼續(xù)被日積月累逐步增大至必須被更換，在這個(gè)過(guò)程中，一旦結(jié)垢脫落，造成管道跑冒滴漏，易產(chǎn)生安全隱患。若結(jié)垢進(jìn)入井底，則造成井底堵塞，危害較大。因此，如何高效合理的處理聚驅(qū)流程管道中的結(jié)垢，已成為困擾聚驅(qū)油田瓶頸問(wèn)題之一。

1 渤海油田聚驅(qū)流程管道結(jié)垢原因分析

結(jié)垢就是指在一定條件下，水中的某些鹽類(lèi)出現(xiàn)因過(guò)飽和出現(xiàn)的析出和積累沉淀，故而在流程管道中產(chǎn)生垢。結(jié)垢導(dǎo)致的鹽類(lèi)物質(zhì)主要是水中溶解度小的Ca、Mg 等無(wú)機(jī)鹽。

結(jié)垢形成分為三步，即垢的析出、垢的發(fā)育和垢的積累沉淀。這期間的作用機(jī)理為結(jié)晶作用和沉降作用。

渤海油田自2006 年開(kāi)始大規(guī)模聚驅(qū)作業(yè)，其中油多個(gè)油田區(qū)塊實(shí)施了聚驅(qū)。其中部分油田聚驅(qū)流程管道長(zhǎng)期作業(yè)后出現(xiàn)結(jié)垢的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，并對(duì)渤海某油田聚驅(qū)管道垢樣的取樣，利用采用XRD 定性分析、ICP 無(wú)標(biāo)樣半定量、焙燒等方法進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析，渤海某油田聚驅(qū)管線結(jié)垢主要成分為36.02%的有機(jī)垢、60.54%的無(wú)機(jī)垢、2.55%的二氧化硅、3.44%的含水(如表1 所示)[2]。其中無(wú)機(jī)垢主要成分是氧化鐵和碳酸亞鐵。同時(shí)對(duì)垢樣單一元素進(jìn)行分析化驗(yàn)，其中Fe 含量最高，但Ca、Mg 等元素含量也較高。

表1 垢樣單一元素分析表

該油田配聚用水為水源井產(chǎn)出的清水，礦化度較高，而該油田高壓注入系統(tǒng)采用清污混注技術(shù)，不同單井生產(chǎn)污水同水源井水混合后會(huì)產(chǎn)生不同的物理化學(xué)反應(yīng)，造成管線的腐蝕和結(jié)垢問(wèn)題，同時(shí)不同種類(lèi)藥劑(包括殘余聚合物)的加入也會(huì)影響結(jié)垢和腐蝕，導(dǎo)致流程管道中出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)垢問(wèn)題。2018 年對(duì)該油田現(xiàn)場(chǎng)注入管線調(diào)研得知，其管線內(nèi)壁含有大量沉淀，且包含少量鐵銹說(shuō)明管線內(nèi)腐蝕較為嚴(yán)重。

2 油田聚驅(qū)及水結(jié)垢的重要類(lèi)型及影響要素

油田水結(jié)垢通常只有幾種鹽，大部分見(jiàn)到的垢有碳酸鈣、碳酸鎂、硫酸鈣等。

2.1 碳酸鈣

碳酸鈣(CaCO3) 是海洋石油流程管道中最容易碰到的結(jié)垢物，在水中碳酸鈣的溶解度很低。它由碳酸根或碳酸氫根離子與鈣離子合成的。反應(yīng)式如下所示：

2.1.1 二氧化碳的影響

碳酸是CO2在水中溶解形成的，電離反應(yīng)如下所示：

在特定的pH 值下，電離成氫離子和碳酸根離子的碳酸氫根只有很少一部分，如圖1 所示。

圖1 碳酸氫根電離示意圖

一般而言，碳酸根離子的數(shù)目比碳酸氫鹽離子少得多，可以視為碳酸鈣沉淀，主要表現(xiàn)為碳酸鈣沉淀。當(dāng)CO2在水中的濃度加大時(shí)，碳酸鈣沉積減少；當(dāng)油田水中CO2的濃度變小時(shí)，則碳酸鈣的沉積加大[3]。

CO2含量的增大和壓力的上升，都會(huì)使得水中二氧化碳含量增大。

2.1.2 pH 值的影響

油田水中一般含有不同程度的碳酸，因?yàn)閜H 值的不同，水中的CO2+H2CO3、HCO3-、CO32-在平衡時(shí)的濃度比例也不盡相同。根據(jù)pH 值可見(jiàn)，更多的碳酸鈣沉淀會(huì)因?yàn)樗膒H 值較高時(shí)產(chǎn)生；反之，則不易產(chǎn)生沉淀。

2.1.3 溫度的影響

溫度是影響碳酸鈣結(jié)垢另一重要原因，隨著溫度提高而增大是大部分鹽類(lèi)在水中的溶解度變化的正常情況。其中進(jìn)入熱度較高的注水井地層時(shí)容易發(fā)生碳酸鈣結(jié)垢。

2.1.4 總壓力的影響

碳酸鈣的溶解則會(huì)在壓力增大時(shí)有利，反之則會(huì)促進(jìn)沉淀。對(duì)于只有水的單相系統(tǒng)，只能從熱力學(xué)的觀點(diǎn)考慮，壓力增加會(huì)使碳酸鈣的溶解度加大。

2.1.5 水中所溶鹽類(lèi)的影響

碳酸鈣的溶解度隨著水中含鹽量增加而增大。碳酸鈣在水中的溶解度大小取決于固體在水中的溶解總量(不包括鈣離子和碳酸根離子)，總量大則溶解度越大。

總的來(lái)說(shuō)，溫度上升，pH 值提高，含鹽量減小等情況的出現(xiàn)，都會(huì)使碳酸鈣的結(jié)垢趨向增大。

2.2 碳酸鎂

分析從海上平臺(tái)取回的垢樣，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在碳酸鈣垢中摻雜著少量的碳酸鎂垢，碳酸鎂沉淀反應(yīng)如下：

影響碳酸鎂結(jié)垢的因素與碳酸鈣相似。溫度變高，CO2分壓降低，酸堿度升高，鹽含量降低，總壓降低，這些都會(huì)增加碳酸鎂的結(jié)垢趨勢(shì)。但碳酸鈣的溶解度比碳酸鎂低很多，當(dāng)前提情況變化時(shí)，碳酸鈣首先析出。

海上采油平臺(tái)的生產(chǎn)中經(jīng)常使用海水，鎂離子在海水中有很高的濃度，生產(chǎn)水會(huì)和地層水按比例混合使用，若地層水堿度很高，就會(huì)有極大的可能形成碳酸鎂垢。

菱鎂礦在水中很容易水解形成氫氧化鎂，菱鎂礦的水解反應(yīng)如下：

水中的氫氧化鎂溶解度小，隨溫度的增加它的溶解度會(huì)下降。

2.3 硫酸鈣

海上油田中另一種常見(jiàn)的垢是硫酸鈣。碳酸鈣垢的晶體比硫酸鈣垢的大，碳酸鈣垢的硬度和密度通常是碳酸鈣垢的兩倍。當(dāng)用酸處理硫酸鈣垢時(shí)，其并不易消融，因此除硫酸鈣垢困難。

2.3.1 溫度的影響

當(dāng)溫度低于38 ℃時(shí)，石膏的溶解度隨溫度的升高而增加，而當(dāng)溫度高于38 ℃時(shí)，石膏的溶解度隨溫度的升高而降低。

2.3.2 水中溶解鹽類(lèi)的影響

當(dāng)水中有NaCl 或不含鈣離子和硫酸根離子的其他鹽存在時(shí)，當(dāng)濃度低于150 g/L 時(shí)，硫酸鈣或無(wú)水硫酸鈣的溶解度增加，鹽量的增大，使得硫酸鈣的溶解度降低。

2.3.3 壓力的影響

水中所有垢的溶解度隨壓力的上升而提高。

2.3.4 pH 值的影響

pH 值對(duì)硫酸鈣的溶解度作用極小。

2.4 鐵化合物

在水垢樣品的分析中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)少量的鐵化合物。

含有二氧化碳的水會(huì)腐蝕鐵并形成碳酸亞鐵，而碳酸鐵沉淀取決于系統(tǒng)的pH 值，當(dāng)pH 值高于7 時(shí)，碳酸鐵很容易沉淀。

水中含H2S，鐵會(huì)因腐蝕而生成硫化鐵。若鐵與氧接觸，則會(huì)出現(xiàn)Fe(OH)2、Fe(OH)3等腐蝕物，并出現(xiàn)沉積。

2.5 小結(jié)

該油田產(chǎn)生結(jié)垢是難溶或微溶鹽類(lèi)，它們具有固定的晶格，垢較堅(jiān)硬致密。過(guò)飽和度與管道表面粗糙度是關(guān)鍵，沉積附著在管壁內(nèi)側(cè)，造成堵塞。

腐蝕管道管壁的垢物包括碳酸鐵、硫化亞鐵以及羥基氧化鐵等，造成管道腐蝕，對(duì)海上油田而言，對(duì)高壓注入系統(tǒng)造成較大腐蝕和損傷，且伴有較大生產(chǎn)安全隱患。

3 除垢方式的選擇

3.1 機(jī)械除垢

使用水力沖洗機(jī)等專(zhuān)業(yè)器材利用機(jī)械力來(lái)除垢的方法叫機(jī)械除垢法。但機(jī)械清洗無(wú)法做到完全除垢，彎頭、死角等部分無(wú)法除垢。

3.2 高壓水射流清洗技術(shù)

高壓水射流清洗是以水為介質(zhì)，加壓系統(tǒng)使水產(chǎn)生高壓經(jīng)過(guò)水路設(shè)備直到噴頭，根據(jù)作用力和反作用力的原理，高壓水將附著于管道表面垢剝離，但可能會(huì)造成腐蝕較為嚴(yán)重的管道部分出現(xiàn)漏點(diǎn)，形成安全隱患，不建議使用。

3.3 化學(xué)除垢技術(shù)

應(yīng)用重垢清洗劑等緩蝕類(lèi)藥劑對(duì)鈣、鎂等進(jìn)行消除，并加入一定除鐵成分。首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的垢樣進(jìn)行分析，了解產(chǎn)狀及結(jié)垢原由，掌握垢的構(gòu)成，以上述為據(jù)選用合適的除垢藥劑?；瘜W(xué)除垢通過(guò)使用除垢劑將垢在流程中變松動(dòng)，并且從管壁上脫落和溶解來(lái)達(dá)到最終目的，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用投入小，泵注設(shè)備簡(jiǎn)單且占地較小，液體藥劑進(jìn)入管線后停滯緩蝕，隨后用水沖洗排除即可。

4 復(fù)合清洗劑除垢法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研各管線尺寸及長(zhǎng)度，計(jì)算清洗劑經(jīng)過(guò)的注水管線總?cè)莘e，按管線堵塞為管線容積的10%，計(jì)算得出管線內(nèi)污垢的總體積，取樣并實(shí)測(cè)垢樣密度，計(jì)算得出污垢總質(zhì)量。

式中：M 為垢樣質(zhì)量(g)；M1為干燥后垢樣質(zhì)量(g)。

為提高清洗效果及注入過(guò)程平臺(tái)設(shè)施的安全性，預(yù)計(jì)分四個(gè)階段進(jìn)行清洗劑注入，按注入點(diǎn)不同分別為單井試注、注水泵后試注、注水增壓泵后試注、核桃殼過(guò)濾器正式注入。

該返排工藝較傳統(tǒng)返排工藝主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)只需小型泵注設(shè)備即可滿足注入，所用人員和占地空間小，作業(yè)成本少；

(2)分段清洗，除垢、清洗徹底；

(3)注入過(guò)程安全性較好；

(4)作業(yè)后，結(jié)垢物排出方便，易于收集，可防止污染。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

該工藝已在渤海L 油田14 井除垢應(yīng)用，效果良好。除垢排過(guò)程中，平臺(tái)其他生產(chǎn)井系統(tǒng)平穩(wěn)，未發(fā)生問(wèn)題。選定的注入井14 井內(nèi)部縮頸33 mm，原3 吋SCH160 碳鋼管線內(nèi)徑為57.14 mm，計(jì)算管壁最大結(jié)垢量為0.064 m3，計(jì)算污垢質(zhì)量252 kg，根據(jù)藥劑的溶蝕率算得需要使用重垢清洗劑913 kg，將清洗劑注入并靜置于管道流程內(nèi)，應(yīng)用后，從排出口有大量結(jié)構(gòu)物排出，應(yīng)用效果良好。

對(duì)本文化學(xué)除垢思路的應(yīng)用效果，證實(shí)了該工藝具有有效性。

6 結(jié)語(yǔ)

該方法針對(duì)目前渤海油田聚驅(qū)中流程管道內(nèi)壁結(jié)垢問(wèn)題提出了解決辦法，經(jīng)過(guò)對(duì)垢樣的各種分析，合成適用于各類(lèi)垢樣的復(fù)合型清洗劑。該新工藝可有效解決當(dāng)前聚驅(qū)流程管壁結(jié)垢的問(wèn)題，同時(shí)，由于對(duì)工藝的不斷優(yōu)化，可推廣至油田平臺(tái)注水井水垢的清洗除垢，起到了“一法多用”的作業(yè)效果?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，該方法適用于渤海油田受限空間，利用較低的成本、較少的作業(yè)人員和設(shè)備即可完成作業(yè)。