注水开发油田结垢影响因素分析.pdf
油 气储 运 Oi l Ga s S t o r a g e a n d Tr a n s p o r t a t i o n 注水 开发油 田结垢影 响因素分析 涂 乙 汪伟 英 吴 萌 管 丽 于萌 长江大学石油工程学 院 涂 乙等 . 注水 开发 油 田结垢 影 响因素 分析. 油气 储运 , 2 0 1 0 , 2 9 2 9 7 9 9 . 摘要 注水开发油田的注水 系统结垢是油田生产中常见的问题, 严重影响生产安全。全面分析 了温度 、 流体流动速度 、 水质硬度 、 含盐量、 p H 值 、 压 力、 离子浓度 、 矿化度等 因素对注水 系统结垢 的影 响 , 获 得 了有助 于指 导油 田注水 生产 、 降低 成本 、 提 高原 油生 产率 的分析 结果 。 主题 词 油 田开采 ; 注水 开发 ; 注 水 系统 ; 结 垢 ; 影响 因素 ; 分析 1油 田水结垢概述 油 田注水 通常有 三种 情况 , 一是 注清 水 , 即油 田 地下 水或其 他地 下水 ; 另 一种是 注 污水 , 即与原 油 同 时采出的油层水 ; 第三种是注海水。此外 , 也有将不 同水 混合后 注入 的做 法 。 结垢是 油 田水 质 控制 中遇 到 的最 严重 的 问题之 一 [ 1 ] 。我 国 内 陆 油 田 大 多 采 用 注 清 水 或 混 配 污 水 l_ 2 』 , 从 地 层 到地 面 管 网 的各 个 部位 都 有 可 能发 生 结 垢 。结垢 的成 因直接 与温度 、 流体流 动速 度 、 流动 形态、 水质硬度 、 含盐量 、 p H值 、 压力 、 离子浓度等 参数相关 , 通过 C a 与 c Oi、 s O j 等离子结合生 成结垢物 。地面注水设备和井简内的结垢使得管道 截面积变小, 流动阻力增加 , 同时使泵效和各种加热 设备 的热效 率 降低 , 严重 时 因垢 物堵 塞 和腐蚀 , 可 能 造成 管道爆 裂 。 目前 , 国 内对油 田水 结垢 问题 虽然 进 行 了 不少 的研究 , 但不够全面。为此 , 对国内外现有文献进行 调研 , 以期进一步研究各种因素对结垢 的影响规律 , 提 出解决措施 , 保障油 田安全生产 , 降低成本 。 2温度对 结垢 的影响 有学 者 进 行 了两 次 油 田注 水 开 发模 拟试 验 , 考 察流体温度对碳酸钙结垢过程的影响 。两次试验 时间不同, 除了流体温度 之外 , 其 他试 验条件均 一 致。试验 在 1 0月 和 1 2月进 行, 流体 温度 分别 为 2 7 . 0 ℃和 2 3 . 2 。 C, 运行 1 0 h 后两 者分别 上升 为2 7 . 5 、 2 3 . 8 。 C。由于水 温 的改变 直接影 响 了碳 酸钙 的溶 解 度 , 水温为 2 7 . 5 。C时的水垢热阻大大高于 2 3 . 8 ℃的 水垢热阻。可见 , 温度影响水垢热阻 , 即流体温度越 高 , 溶液 的稳 定 时 间 越 短 , C a C O 。等 物 质 在 水 中 的 溶解 度 降低 , 从 而形 成结 垢物 。 通过 对克 拉玛依 油 田和西 部某 油 田注水 开发 过 程进 行研究 , 关 于 温度 对 结 垢 的 影 响有 了进 一 步认 识 _ 4 ] 。克拉 玛依 油 田控 制流 程 运行 温 度 为 2 0 ℃左 右 , 加 热炉 温 度 为 6 0 C左 右 , 模 拟 克 拉 玛 依 油 田地 层 水 的各 种数 据 是 通过 室 内稳定 性 试 验得 到 的 l 4 j 。 数 据分 析表 明 , 温 度对 管道 结 垢 影 响 较 明显 。结 垢 速 率 随 着 介 质 温 度 的 升 高 而 上 升 , 当 温 度 低 于 4 5 ℃, 结垢速率低 于 0 . 2 5 mm/ a ; 当温度高于 4 5 。C 时 , 结垢 速率 上 升到 0 . 7 7 mm/ a 。这 一 方 面是 由于 介 质 中的结垢 离子 随 温度增 加 , 反应 活性增 强 , 离子 反应 加快 , 沉 淀 加 快 ; 另 一 方 面 , 相 同 C O。 分 压 下 , 介质温度升高 , 碳酸钙溶解度降低 , 析出结晶增多 。 对注 水开 发 的模拟试 验 发现 , 水质 不 同 , 温度 的 影响程度也不同。油井井底到井 口, 水温逐渐降低 , 井底 温度 约 1 7 5 。 C, 井 口温 度 约 4 0 ℃ , 随 着 温 度 降 低 , C a C O 。 和 C a S O 垢 量 有 所 降 低 ] , 说 明 温 度 升 高会导 致结 垢量 增 加 , 而 油 田地 层 温 度 难 以人 为控 制 , 只有 改变 地层 水离 子 的溶解 度 , 才 能减 少结垢 。 3流速和液流形态对结垢的影响 陈小砖等研究人员通过模拟试验, 考察 了流速 对 管 壁 结 垢 的 影 响 。 试 验 流 量 为 0 . 1 4 0 m。 / h 和 基金项 目 国家大学生创新性试验计划项 目注水开发油 田结垢对地层的伤害 , 0 8 1 0 4 8 9 0 8 。 作者简 介 涂 乙, 1 9 8 6年生 , 在读本科生 , 主要从事提高油 田采收率的相关技术研究。电话 0 7 1 6 4 3 0 5 6 2 0 。E ma i l t u y i 2 0 0 6 0 5 1 5 6 1 2 6 . c o rn 涂 乙等 注水开发油 田结垢影 响因素分 析 Tu Yi ,e t a l An a l y s i s o f S c a l i n g I n f l u e n c i n g Fa c t o r o n W a t e r I n j e c t i o n S y s t e m i n W a t e r i n j e c t e d Oi l f i e l d 0 . 2 1 0 m。 / h , 分别 对应 0 . 4 9 5 m/ s和 0 . 7 4 3 m/ s的 流速 。为 了保 持 管壁 温 度 的相 同 , 根 据 流 量 的不 同 调整了加热 量, 两个流量 试验 的加热 功率分 别为 8 5 0 W 和 1 2 0 0 W。试验结果表明, 当流量增加 , 结 垢 反而减 小 。这是 因为虽 然 流速加快 使得 污垢 的沉 积率增大 , 但流体表 面剪切力 引起 的剥蚀率也加快 了, 因而总的结垢率降低。可见其他条件不变时, 水 的流速与 结垢 率成 反 比 。例 如 , 克 拉 玛依 油 田经 过 4 0多年的开发 , 油藏产液量大幅下降, 流程实际转 输指标已远离设 计指标 , 分散 在一 个较 大 的范 围 内[ 4 ] 。在相同的介质 和温度条 件下 , 现场测试得到 了不同流速下的结垢 速率 , 当管道 流速为 0 . 6 m/ s 时, 结垢速率达到峰值 2 mm/ a ; 当管道流速小 于 0 . 6 m/ s 时, 结垢速率随流速增加缓慢增大; 当流速大 于0 . 6 m/ s 时 , 结 垢 速 率 随 流 速 增 大 反 而 减 小 。这 是 由于较低的流速有利于沉淀 , 且晶核 问填充了较 多的其他 成分 , 垢 质 较疏 松 ; 随着 流 速 的增 大 , 离 子 反 应速率 加 快 , 结 垢 加 速 ; 当 流 速 超 过 某 一 临界 点 O . 6 m/ s 时, 冲刷作用随流速 的增大而加强 , 结垢 速 率减缓 , 但垢 晶核 相互 碰撞 易结成 致密垢 。 实际勘察报告显示 , 影响结垢的流体动力学 因 素主要是液流形态 层流 、 紊流 、 流速及其分布。液 体流速、 液流路径变化可影响液流形态 。紊流使水 质点相互碰撞 , 流速增加使液流搅合程度增大 , 沉淀 晶体凝聚加剧 , 促使晶核快速形成。例如在陆梁油 田结垢 环境 中 , 管 内的不光 滑表 面 、 已腐 蚀 表 面附 近易出现紊流状态 , 使局部钙质沉淀物过饱和度增 大而产生结垢。对该油 田一 口见水油井进行 了流体 动力学考察分析发现 , 结垢优先在高度紊流区发生, 因为紊流促进混合和传质 , 有助于壁表面上 晶核的 生成 。井底区域紊流剧烈 , 更 易结垢 。在地面集输 系统中, 输油管道和注水管道弯头 、 阀门的滞流区也 容易结 垢 。 4水硬度对结垢的影响 国内研究人员通过试验得到了流体硬度对结垢 的影 响。 。 ] 。在 流量 为 0 . 1 4 0 I n 。 / h 流速 为 0 . 4 9 5 m/ s , 加 热功率 为 1 2 0 0 W , 起 始溶 液 硬 度 分 别 为 8 0 0 mg / L和 1 0 0 0 mg / L的条件下, 考察循环水硬度变 化对结垢的影响。试验之始 , 硬度为 1 0 0 0 mg / L的 溶 液 比硬 度为 8 0 0 mg / L的溶 液 结垢 更快 。试验 时 间相同时, 硬度为 1 0 0 0 mg / L的溶液 比硬度为 8 0 0 mg / L的水 垢热 阻要 大 , 试 验进 行到 4 . 0 4 h时 , 硬 度 为 1 0 0 0 mg / L 溶 液 的 垢 层 热 阻 是 1 . 8 2 1 0 m K/ W , 而 硬度 为 8 0 0 mg / L溶 液 的垢 层 热 阻 是 1 . 5 5 1 0 m。 K/ W , 前 者 比后 者 高 出 1 7 . 4 。 但是 , 随着试验时间的延长, 两者的差距在缩小 , 当 试 验进行 到 1 0 h , 硬 度 为 8 0 0 mg / L溶 液 的垢 层 热 阻和硬 度 为 1 0 0 0 mg / I 溶 液 的 已相 差 无 几 。表 明 硬度 对 管壁结垢 的影 响不大 。 5含盐量对结垢的影响 碳酸盐垢是油 田注采井 中经常遇到 的结垢物 质 。成 垢 物质 的来 源 主要 有 两个 方 面 一 是 注入 水 中含 有一 定量 C a 和 Mg 抖 , 与 C O; 和 S O 一等离 子生成结垢物质在管壁上沉积 , 并不断增多; 二是地 层水 中 含有 C a 抖 、 Mg 抖 、 HC O卜 等 大量 结 垢 离 子 , 同时注入水与地层水不配伍混合时析出沉淀物。另 外, 水 中其它盐如 Na C 1 的含量构成影 响水垢溶解 度的共 同因素 ] 。一般地, 含盐量增大 , 水垢的溶解 度 增大 。但 当水 中 Na C 1 浓 度 大 于 2 . 5 mo l / L时 , C a S O 2 H O 的溶解 度随浓度增 加而下降 , 溶液 非结垢离子浓度增加也会使 C a C O 、 C a S O 溶解度 增加。为此 , 当地层水与注入清水混合使盐度降低 , 可能引起 井 下结垢 。 蒋伟等人针对陆梁油 田的试验表 明, c a C O 。 在 Na C I 水 溶液 中 的溶 解 度 随 Na CI 浓 度 的增 高 而增 大 , 当 Na C 1的 浓 度 达 到 一 定 程 度 1 2 0 mg / L , C a C O。 的溶解度达到最大; 其后 随着 Na C 1 浓度的提 高 , C a C O。的溶 解度 开始下 降l_ 6 ] 。由试验 数据显 示 , 陆梁油 田采 出液 的 C l 一浓度最 高达 到 1 1 5 0 0 mg / I , 地 表水 的 C 1 一 浓度 最低 达到 1 2 7 0 mg / L。由 此可见 , 溶液组分包括成垢组分和非成垢组分 , 组分 的变 化对 结垢 的影 响很 大 , 在 一定 的浓度 范 围内 , 含 盐量 对陆梁油 田产 生 C a C O 。垢 的影 响是很 大的。 另外 , 在江汉油区的实地考察表明 , 随着油田水矿化 度降低 , 成垢离子被稀释 , 结垢量降低。就江汉油区 而言 , 部分地层含有大量的岩盐和石膏, 当地层被低 矿化度水冲刷后 , 又会溶解 出成垢离子, 可能出现新 的结垢 _ l 川。 针对 不 同 的 油 田, C a C O。的溶 解 度 随 Na C 1 浓 度变化都呈现出开 口向下的抛物线变化规律。在注 水过程 中, 应调整其中 Na C 1 的浓度 , 使 C a C O 。的溶 解度达到最大以减少沉淀。 6 p H值对结垢的影响 油 气储 运 Oi I Ga s S t o r a g e a n d Tr a n s p o r t a t i o n 陈峰等人研究了宋芳屯油 田 p H值对结垢的影 响 , 发 现该油 田的地 下 水 或地 面水 一 般 含 有不 同程 度的碳酸, 而水中存在的三种形态 的碳酸在平衡 时 的浓度均取决于 p H值l_ 8 ] 。p H 较高时, 会产生更多 的碳酸钙沉淀; 反之, 则不易产生碳酸钙。 研 究人 员 对 韦 2断 块 的研 究 发 现 , 其 地层 液 流 p H值增大时, 使得 H 浓度降低 , 氢 的去极化作用 减弱 , 从而 降低 腐蚀速度 , 但结垢 趋势增 强L 9 ] 。由 C a C O 。的 溶 解 平 衡 反 应[ 1 , 当 p H 值 提 升 高 , HC O -更 容 易 转 化 为 C O ; , 有 利 于 形 成 C a C O。 垢。韦庄地区实际注入水 P H值在 6 . O ~6 . 5之间, 呈 弱酸性 , 地 层 水 p H 值在 6 . 0 ~ 7 . 5之 间 , 也 呈 弱 酸性 。但是 , 产 出水 p H值增加 , 呈弱碱性 , 结垢趋 势增 强 , 有 利 于形成 C a C O 。 垢 。 由于注入水 中含 有较 高浓 度 的碳酸 氢 根, 当 p H值增大 , 就会转化成碳酸根, 产生碳酸钙沉淀 。 因此 , p H 值过低往往会腐蚀管道 等流通 部位。为 了防止管道的腐蚀 , 通常在注人水 中加入液碱来调 节 p H 值 。 7压力对结垢的影响 蒋官澄等人对大港油 田采油三厂的研究表 明, 在保持其它因素不变的条件下 , 注水压力从 1 MP a 逐渐升高到 3 5 MP a时, 结垢量 随压力 的增大而逐 渐减 小[ 1 。这是 由于 主 要垢 样 成 分 C a C O 。的 生 成 依赖 的电离平 衡为 2 HC O。 卜一 C O 。 一C O 十 H O, 压力增大将减少 C O 气体 的生成 , 使 电离平 衡 向左 移 动 , 减 少 C a C O。的 生 成 , 减 小 结 垢 趋 势 。 但在污水系统或掺水系统 内, 压力变化幅度不大 , 对 结垢 影响 的可能 性较 小 。有关 学者 在韦 2断块 储层 做 了试 验 , 在 相 同温 度 条 件 下 , C a C O 。溶 解 度 随压 力升高而增大; 在高温条件下 , C a C O。 溶 解度 随压 力变化 不 明 显 ; 在 低 温 条 件 下 , 压 力 变 化 对 C a C O 。 溶解度的影响很大 ] 。 8成垢离子浓度对结垢的影响 水 中成垢 离 子 浓 度对 结垢 的影 响是 最直 接 的。 据对江汉油区的研 究, 油 田注入水 的成垢 离子浓度 普遍较高, 容易导致结垢物的生成_ 1 。例如王一污 水处理站, 污水中钙离子含量达 4 5 0 mg / L, 而清水 中碳酸氢根的浓度通常较高 , 二者混合后会产生大 量的碳酸钙沉淀 。如果不对注入水做进一步的净化 处理 , 将会 造成 严重 结垢 。 在德士古水系统 中, 李耀东研究 了该地 区在水 中溶解度极 小结垢物 , 例如 Mg C O 。和 C a C O 。 l 1 。 当 Mg C O 。和 C a C O 。的水溶液温度为 2 5 ℃, 其溶度 积分别为 1 1 O 和 4 . 8 1 0 _ 。 。 , 溶解 度分别为 3 . 1 6 2 1 0 mo l / L和 6 . 9 2 8 1 0 一 mo l / L, 两者混合 后 的饱和水 溶 液 的硬 度 为 3 2 3 . 1 2 8 mg / L, 即 以 Mg C O。和 C a C O 。为 结 垢 物 质 的 水 溶 液 的 临 界 硬 度 。 当 C a 。 和 Mg 的浓度 大 于 3 2 3 . 1 2 8 mg / L 2 5 。C , 且水中有超过这一浓度 的 C O。 卜时 , 就必然导致结 垢 。另外, 文献[ 4 ] 的统计数据表明 , 结垢速率 区的 C a 含量为 1 0 ~1 2 0 mg / L, 结垢 速率在 0 . 3 ~0 . 7 mm/ a之间, 该油 田采油二厂绝大部分油藏集油系 统 都属 于这 一 范 围 。高 结 垢 速 率 区 的 C a 含 量 超 过 1 2 0 mg / I , 结垢速率 由 0 . 6 5 mm/ a上升到并保 持在 1 . 4 ~1 . 5 mm/ a左右 , 少 部分 特殊 油藏 石炭 系油藏 处在这一范 围。可见注入水中的成垢离子 浓度应适当降低, 以减少沉淀生成 。 综上所述 , 现有文 献就温度 、 压力、 p H 值 等因 素对结垢的影响开展 了大量的研究 , 针对流体流动 速度 、 流动 形态 对结 垢 的影响 的研究 较 少 , 研究 目标 也只是针对单个 油 田, 研究结论不具备普适性 。研 究认为 , 流体 流动速度、 流动形态 、 水质硬度 、 含盐 量 、 成垢离子浓度对不 同油 田地层结垢的影响趋势 是一致的, 但结垢程 度各有不 同。对于不同的储集 层和油藏 条件 , 各种 因素对 地层结 垢 的影 响程度 不 同 。 参 考文 献 [ 1 ]To d d Ad r i a n C,Yu a n Mi n g d o n g ,He r i o t Wa t t U.B a r i u m a n d s t r o n t i u m s u l f a t e s o l i d s o l u t i o n s c a l e f o r ma t i o n i n r e l a t i o n t o No r t h S e a s c a l i n g p r o b l e ms,S PE1 8 2 0 0。1 9 9 0 2 7 92 8 5 . 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[ 4 ]向瑜章. 克拉玛依油 田地面流程结 垢腐蚀 规律研究 [ J ] . 新 疆石 油科技 , 2 0 0 7 , 1 7 2 1 4 1 7 . 下转 第 1 0 9页 a 管道停输 0 s b 管道停输 1 0 S C 管道停输 2 0 s d 管道停输 3 0 S 图 4 管道停输不 同时刻结构强度为 1 0 P a时 石蜡 沉积 层破 坏 滑 脱 状 态 图 结构强度和管径等诸多因素, 都会影 响停输后管道 内石 蜡沉 积 层 的应 力 分 布 和石 蜡 沉 积 层 的滑 脱 过 程; 但石蜡沉积层发生滑脱的厚度 沉积层厚度需小 于管道 内半 径 , 与 管径 的相关 性不 大 。 实 际在役 管道 石蜡沉 积层 的结 构强 度与假 设条 件 不 同 , 其 内部 存在一 定 的温度 分 布 , 而且 由沉 积层 的 内表 面 到管道 内壁 , 其 结 构 强 度 连续 增 加 。由模 拟计算结果可知 , 对于爬坡角度大的管段 , 如果石蜡 沉积层较厚 , 靠近内表面某 一厚度 的石蜡沉积层会 首先发生滑脱 。另外 , 石蜡沉积层 的粘弹特性 , 使其 网络结构在持续不平衡外力 的作用下发生蠕变、 屈 服 , 最终 导致结 构 破坏 , 并对 实 际管道 中石蜡 沉积层 的滑脱破坏过程产生影响。石蜡沉积层 的网络结构 发生 破坏 后 , 在 重力 差 的作用 下 , 向爬坡 管道 低端 聚 集 , 导致管道堵塞 , 造成停输后 的启动困难。 综合分析石蜡沉积管道的传热特性和石蜡沉积 层结 构 的力学 破坏 特 性 , 从 管 道 安全 经 济 运 行 的角 度考虑 , 热油管道正常运行时, 应使石蜡沉积层处于 临界厚度 ] , 临界石蜡沉积厚度取决于管道的传热 特性、 地形变化和停输时间。对于低输量运行的热 油管道 , 特别是爬坡管道 , 必须定期清管, 以降低管 道停输再启动过程的运行风险 。 参 考 文献 [ 1 ]张秀杰 ,曹金水 ,马志祥 , 等.魏荆 管道停 输再启 动困难的原 因 分析[ J ] .油气储运 ,1 9 9 8 ,1 7 5 7 1 0 . [ 2 ]王志方.管内石蜡沉积物的力 学响应特性研究[ D ] .青岛 中国 石油大学 华东 , 2 0 0 9 6 1 7 2 , 1 0 7 1 0 9 . 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