注水系统结垢影响因素研究

高等继续教育毕业设计（论文）题 目 注水系统结垢影响因素研究 学 生_联系电话_指导教师_评 阅 人_教学站点_专 业_完成日期_1摘 要结垢与防垢是油田注水开发中所遇到的重要问题之一，结垢往往会降低供、注水管道和油管的流量，引起地面设备和设施的磨损或堵塞，甚至堵塞注水流经的地层孔道，造成产能下降。本文综述了大庆油田注水系统的成垢的研究概况，分析了结垢类型及成垢的原因、危 害及防垢措施和除垢措施，结合采集的数据及实验进行研究，对结垢情况做了进一步的分析，结果表明大庆采油厂所有注水都有碳酸钙结垢的倾向；使用清水和污水是不相溶的两种水，混合使用会产生较为严重的碳酸钙结垢，特别是当清水量在 30%80%之间是碳酸钙结垢倾向教大。若采用清水污水交替注入方式，有时易为硫酸盐还原菌的繁殖提供适宜温度，当杀菌质量浓度不够时，易在井底产生 FeS 垢；注水中总铁量高，且浅井中的水有一定量的氧，在铁细菌与溶解氧的作用下，易在供水管线中产生含 Fe(OH)3 和 Fe2O3 的混合物垢。关键字：油田注入水；结垢机理；影响因素；预测2目 录前 言 .4第 1 章 概 述 .51.1 本文研究的背景及意义 .51.2 国内外油田结垢状况 .51.3 本文的研究内容 .6第 2 章 油田水结垢综述 .72.1 油田水结垢的原因 .72.2 油田结垢的危害 .82.3 油田水结垢防治措施 .92.3.1 防垢措施 .92.3.2 除垢措施 .10第 3 章 油田常见水垢类型及影响因素 .113.1 碳酸钙垢及其影响因素 .123.1.1 碳酸钙垢 .123.1.2 影响因素 .123.2 碳酸镁垢 .133.3 硫酸钙垢及其影响因素 .143.3.1 硫酸钙垢 .143.3.2 影响因素 .143.4 硫酸钡垢及其影响因素 .153.4.1 硫酸钡垢 .153.4.2 影响硫酸钡垢的因素 .15第 4 章 大庆油田采油厂结垢及结垢预测 .164.1 大庆采油一厂结垢预测 .164.1.1 碳酸钙结垢预测 .164.1.2 硫酸钙结垢预测 .164.2 大庆采油二厂结构趋势预测 .174.2.1 碳酸钙结垢趋势预测 .174.2.2 硫酸钙结垢趋势预测 .174.3 大庆采油三厂结垢预测趋势 .174.3.1 碳酸钙结垢预测 .174.3.2 硫酸钙结垢预测 .184.4 大庆采油四厂结垢趋势预测 .184.4.1 碳酸钙结垢趋势 .184.4.2 硫酸钙结垢预测 .184.5 大庆采油五厂结垢预测 .1834.5.1 碳酸钙结垢预测 .194.5.2 硫酸钙结垢 .19第 5 章 实验结果及分析讨论 .205.1 其它影响因素 .205.1.1 温度的影响 .205.1.2 压力的影响 .215.1.3 PH 值的影响 .215.1.4 流速的影响 .215.2 清水污水混注时结垢原因分析 .215.3 含铁混合物结垢 .225.3.1 含铁化合物垢样 .225.3.2 铁细菌 .23结 论 .24参考文献 .25致 谢 .264前 言结垢是油田注水过程中的一个常见的破坏性问题。所谓结垢是指定条件下从水中析出的物质，通常是无机物质而且溶度积很小，结垢可能发生油田水系统的任何位置。注入水中 HCO3-、Ca 2+浓度较高，在注水过程中，随着注入水由地面进入地层，温度及流速均发生改变，导致注水系统和地层结垢现象非常严重。严重影响油田的开发效果。油田中最常见的垢是碳酸钙，硫酸钙垢，硫酸钡垢，硫酸锶垢。通常把腐蚀产物（如碳酸亚铁，硫化亚铁，氢氧化铁和三氧化二铁等）以溶解度大，含量高，在一定条件下析出盐也包括在内。影响结垢的因素很多，最重要的是水质成分。还包括温度，压力，注入水的 ph植及盐的矿化度等因素。对注水系统的结垢问题的预测问题是关键性的问题，预测油田系统的结垢趋势，判断结垢趋势的程度或结垢的可能性，并有效地预防与控制结垢，是采油工艺和油气水处理工艺中不可忽视的研究课题。根据大庆不同采油厂的水垢样的分析及结垢的主要成分，我们将对大庆不同采油厂碳酸钙垢及硫酸钙垢做主要的预测几分析，通过分析比较不同采油厂的结垢情况，预测大庆采油区的结构程度及概况。总之，生产中的许多问题都是由水垢引起的，因而我们要及时的对其结垢情况进行预测和分析，从而有效的控制水垢。这对于任何一个高效注水设施来讲都是一个首要的课题！5第 1 章 概 述1.1 本文研究的背景及意义油田水的结垢类似原油的结蜡，是油田生产中不可避免的要遇到的问题，这个问题随着油田产水的增加而变得越来越突出。大庆油田注入水中 HCO3-、Ca 2+浓度较高，在注水过程中，随着注入水由地面进入地层，温度及流速均发生改变，导致注水系统和地层结垢现象非常严重。根据现场作业测量，油管平均年结垢达 3.68mm 厚，结垢导致的地层堵塞使注水井吸水能力下降，严重影响该油田的开发效果。油田油水系统一旦产生结垢沉积，将引起一系列问题，其危害是相当大的。结垢为 SRB 的繁殖提供了极其有利的条件，结垢部位往往腐蚀比较严重，而且极易发生点蚀；结垢使缓蚀剂与金属表面难接触成膜，因而达不到应有的缓蚀效果；结垢会降低供注水管道和油管的能量，严重时还会引起管道的堵塞。预测油田系统的结垢趋势，判断结垢趋势的程度或结垢的可能性，并有效地预防与控制结垢，是采油工艺和油气水处理工艺中不可忽视的研究课题。大庆油田注水系统中，有些区域的供水管线、注水井井筒管线及井底已出现了结垢现象.沉积在供水管线内表面的棕红色粉末垢及注水井井筒内表面的浅灰色致密片状垢，使管线内径变小，降低了水流截面积，增大了水流阻力和输送能量.黑色残渣垢沉积在注水井井底，造成了注水管道的堵塞，注水压力升高，影响了注水效率.另外，管线结垢引起了严重的垢下腐蚀、结垢和腐蚀促使大量的管线无法正常使用，管线多次穿孔，影响了原油的正常生产。为了防止结垢、维持正常的生产，必须对注水系统的结垢现象进行研究。1.2 国内外油田结垢状况注水采油时最常碰到的垢盐是碳酸钙垢、硫酸钙垢，另外还有硫酸钡垢和硫酸锶钡。根据结垢部位不同，分为地层垢、近井垢、井筒垢、设备垢。由于油田结垢对原油生产的种种不利影响，油田防垢除垢问题在国内外均引起极大重视。国内外几个油田的结垢状况可参见表 1-1。6表 1-1 国内外几个油田结垢状况项目 成垢离子 Ca2+ Ba2+ Sr2+ HCO3- SO42- 总矿化度 主要结垢物地层水 212 42 42 960 5 23857美国默奇森注入水 396 - - 73 2820CaCO3CaSO4 BaSO4SrSO4地层水 1100 210 230 250 1 45841英国北海注入水 450 - 9 170 2300CaCO3BaSO4SrSO4地层水 6558 1271 199 - 112705长庆马岭注入水 67 - - - 1051BaSO4SrSO4CaSO4CaCO3地层水 2000 - - 300 1600 200000青海尕斯库勒注入水 22 - 0.23 100 28CaCO3CaSO4地层水 9195 - - 353 66 209160塔里木轮南注入水 30 - 1 118 130 500CaCO3地层水 58 - - 1512 159 6763吐哈丘陵注入水 60 - - 125 65CaCO31.3 本文的研究内容结垢与防垢是油田注水开发中所遇到的重要问题之一，结垢往往会降低供，注水管道和油管的流量，引起地面设备和设施的磨损或堵塞，甚至堵塞注水流经的地层孔道，造成产能下降。本文综述了大庆油田注水系统的成垢的研究概况，分析了结垢类型及成垢的原因、危害及防垢措施和除垢措施，重点讨论了油田水质和水垢的分析方法，结垢趋势预测的原理及计算方法，并简述了油田注入水中的混合注入结垢的情况，指出了纯在的问题和解决问题的可能途径。大庆采油厂注水系统的结垢问题，在详细的分析注水水质和垢样的基础上，对结垢情况进行了探讨和重点计算，结果表明大庆采油厂所有注水都有碳酸钙结垢的倾向；使用清水和污水是不相溶的两种水，混合使用会产生较为严重的碳酸钙结垢，特别是当清水量在 30%-80%之间是碳酸钙结垢倾向教大。若采用清水污水交替注入方式，有时易为硫酸盐还原菌的繁殖提供适宜温度，当杀菌质量浓度不够时，易在井底产生 FeS 垢；注水中总铁量高，且浅井中的水有一定量的氧，在铁细菌与溶解氧的作用下，易在供水管线中产生含 Fe(OH)3 和 Fe2O3 的混合物垢。7第 2 章 油田水结垢综述2.1 油田水结垢的原因碳酸钙是一种重要的成垢物质，也是油田开发生产中的最常见的无机垢，在油田水中的溶解度很小。在污水中加入 PH 调整剂，改变酸碱度，破坏其化学平衡，可使碳酸氢根离子不断理解为碳酸根和氢离子，大量的碳酸根和钙离子反应生成碳酸钙沉淀，三价铁离子生成氢氧化铁沉淀，利用高分子絮凝剂的网捕卷集作用，是沉淀物与污水中的悬浮固体等一同快速沉降，从系统中排出，便可除去水中的结垢因子，使其处于介稳区而控制结垢。反应如下：Ca2+ + 2HCO3- CaCO 3+ CO 2+ H 2OOH- + HCO3- CO 3 2- +H2OCa2+ (Mg2+) + CO3 2- CaCO 3(MgCO 3)Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H 2O污水的酸碱度对金属的腐蚀和污水结垢影响较大，随着 PH 值上升，由于 H+浓度降低，氢的去极化作用减弱，会降低腐蚀速度，但结垢倾向增加。由于污水中含有大量的 HCO32-，有利于形成 CaCO3 或 MgCO3，晶格生长理论认为，当 Ca2+溶度积远小于 CaCO3 的溶度积时，就可能产 CaCO3 沉淀而结垢。但碳酸钙有时呈饱和状态却并不结垢，这是由于纯在介稳区。出现介稳区的原因是晶核的生长过程受水中离子或粒子的扩散作用的影响，或者受到传质过程控制。若盐类在水中的溶解度大，则水中溶解的离子或粒子浓度都较高，晶核形成后很容易生长，这时盐类溶解度曲线和晶体析出曲线可基本重合，不会出现介稳区。但在难溶盐的饱和溶液中，由于离子或粒子的浓度都很低，因此晶核生成后并不生长，溶解度极小盐类的过饱和度可以超过溶解度数千倍；只有在离子或粒子浓度较高的过饱和溶液中，晶核才刚开始生长并析出晶体。所以介稳区可以认为是过饱和区，在这个区域中晶核形成但不能生长，也不能形成晶体，此为非除盐类方式阻垢技术研究的重要内容。当化学反应达到平衡时，油田水中溶解的 CaCO3 和 CO2，Ca(HCO 3)2 保持不变，不会在管道，用水设备和油层中产生结垢现象。含铁化合物垢主要产于供水及交替注入水的管线。铁化合物包括FeCO3，FeS ，Fe 2O3，Fe(OH) 2，Fe(OH) 3 等。其主要成分是腐蚀产物与注入水中的8溶解气体及细菌活动有关。硫酸盐还原菌的产物 H2S 对金属的腐蚀严重，生成物FeS易造成管道阻塞。铁细菌能够产生腐生菌，当超过一定值时会产生氧浓差腐蚀电池，也会使注水井阻塞，注如量降低。硫酸盐还原菌是厌气菌，如果有垢或淤泥，则能使细菌藏在下面，在含氧环境中繁殖。另外，产生棕红色粉末垢 Fe(OH)3 和Fe2O3 是由于铁细菌和溶解氧作用腐蚀的结果。硫酸盐腐蚀机理如下：阳极过程 Fe 4Fe 2+ + 8e ，水电离 8H2O 8H + + 8OH-阴极过程 8H+ + 8e 8H细菌的阴极去极化 SO42- + 8H S 2- + 4H2O腐蚀产物 Fe2+ + S2- FeS腐蚀产物 3Fe2+ + 6OH- 3Fe(OH) 2总反应 4Fe + SO42- + 4H2O 3Fe(OH) 2 + FeS +2OH-硫酸盐垢主要有硫酸钙垢，硫酸钡垢和硫酸锶垢。硫酸钙从水中沉淀的反应如下：Ca+ + SO42- CaSO 4油田上最常见的硫酸钙垢是石膏。在 100（38）或 100以下时，在一个大气压的情况下生成的主要是 CaSO42H2O;超过这个温度，主要生成无水硫酸钙。然而，在一定条件下生成的却是含有半个水的硫酸钙。通常，按照 Vetter 原则，温度比较低时，生成石膏；温度较高时，生成不含水的石膏。硫酸钡垢是最难溶解的垢，从水中沉淀的反应如下：Ba+ +SO42- BaSO 4硫酸锶的溶解度也比较小，其在水中的沉淀反应如下：Sr+ + SO42- SrSO 42.2 油田结垢的危害1）地面及井筒结垢油田结垢发生在地面集输系统，直接影响油水输送，更重要的是发生在采油井筒、射孔眼，增加井筒清垢次数，缩短检泵周期，增加采油成本。2）地层结垢地层结垢尤其是在孔隙喉道中，直接影响到地层导流能力，加剧了低渗透油藏的基本矛盾。典型的地层孔隙结垢除了表现出产液能力、地层压力和动液面进行性降9低且常规检泵作业不能奏效外。2.3 油田水结垢防治措施2.3.1 防垢措施1）油水井通过挤注法注入防垢剂油水井挤注法防垢技术的基本原理是通过井口向射孔眼和地层深部挤入大剂量、低浓度的防垢剂溶液，依靠防垢剂在地层岩石表面的吸附使其滞留在地层孔隙中，再随着产出液或注入水而缓慢解吸附，使产出液或注入水中保持一定浓度的防垢剂。在挤完防垢剂段塞之后，再挤入小剂量化学中性的络合物除垢剂段塞清理井底、射孔眼及地层内结垢，达到既提高产液量或注水量又延长措施有效期的双重目的。为延长防垢作业有效期，要求所选的防垢剂应符合下列条件：在低浓度下有可靠的防垢能力和稳定铁离子的能力，与地层岩石和地层流体相配伍，在地层条件下可长期稳定，在地层岩石中有较大的吸附量和适中的解吸附速率，与除垢剂及其它有关化学剂完全配伍。防垢剂 YFG 由有机磷酸盐、垢分散剂、铁离子络合剂等组成，它既能将Ca2+、Mg 2+络合成多元体，又能