油田结垢机理及防治技术

1、20072007年年4 4月月 西西安安 油田进入含水期开发后，由于油田进入含水期开发后，由于水的热力水的热力学不稳定性学不稳定性和和化学不相容性化学不相容性，往往造成油井，往往造成油井井筒、地面系统及注水地层的结垢问题，给井筒、地面系统及注水地层的结垢问题，给生产带来极大的危害。生产带来极大的危害。 由于结垢等影响，造成油井产液量下由于结垢等影响，造成油井产液量下降降，管线及加热炉堵塞，同时结垢也增加了油井管线及加热炉堵塞，同时结垢也增加了油井的起下作业，严重者造成油井停产或报废，的起下作业，严重者造成油井停产或报废，造成经济损失。造成经济损失。注水油田结垢机理及防治注水油田结垢机理及防治

2、（以长庆油田为例以长庆油田为例） 长庆马岭、安塞等油田，长庆马岭、安塞等油田，525525口井、口井、100100多个多个站存在结垢问题。极个别井的修井周期仅一个月站存在结垢问题。极个别井的修井周期仅一个月或十天左右；有的井套损后，结垢严重，隔水采或十天左右；有的井套损后，结垢严重，隔水采油封隔器座封困难；有的井因结垢堵死，抽油杆油封隔器座封困难；有的井因结垢堵死，抽油杆被拉断，油井被迫关井。被拉断，油井被迫关井。 注水地层结垢，则可堵塞油层，使采油指数注水地层结垢，则可堵塞油层，使采油指数下降，从而影响油田的开发效果与经济效益。下降，从而影响油田的开发效果与经济效益。 一、油田结垢的分布规律

3、 Ba (Sr)SO4垢垢 Ba(Sr)S0 Ba(Sr)S04 4垢一般在油井中少见，尽管马岭南区调垢一般在油井中少见，尽管马岭南区调查查112112口生产井，产出水含口生产井，产出水含BaBa2+2+的井有的井有5757口，且口，且BaBa2+2+含量含量很高，但这些井却并不结垢，如很高，但这些井却并不结垢，如南南1111井、南井、南7575井，井，BaBa2+2+高达高达1600mg1600mgL L以上，因无以上，因无S04S042+2+，未见结垢。调查的，未见结垢。调查的8686口结垢井，结口结垢井，结BaS0BaS04 4垢仅有垢仅有5 5口，水型为口，水型为CaClCaCl2 2

4、型，结垢型，结垢部位在井下油管及筛管外。部位在井下油管及筛管外。 Ba(Sr)S0Ba(Sr)S04 4垢绝大多数出现在垢绝大多数出现在地地- -面集输面集输( (计量计量) )站站，如马岭油田中区及南区如马岭油田中区及南区2020个站中，结个站中，结BaS0BaS04 4垢的有垢的有1111个个站。结垢部位为集油管线管汇、收球包及输油泵内。站。结垢部位为集油管线管汇、收球包及输油泵内。Ba(Sr)SOBa(Sr)SO4 4结垢完全是两种不相容水混合的结果。结垢完全是两种不相容水混合的结果。分布规律 CaS0CaS04 4垢在调查的垢在调查的8686口井中，有口井中，有l1l1口，占口，占12

5、.8%12.8%，水型多为，水型多为NaNa2 2SOSO4 4型。型。也有也有CaClCaCl2 2型的。油井型的。油井CaS0CaS04 4结垢一般在结垢一般在井筒底部的油管外或套管内壁。井筒底部的油管外或套管内壁。 CaS0CaS04 4结垢，主要由于两种不相容水的混合，如结垢，主要由于两种不相容水的混合，如南南176176井井，NaNa2 2S0S04 4水水型，采油层位为型，采油层位为Y4+5Y4+5与与Y9Y9，即不同层位合采；，即不同层位合采；岭岭405405井井，采油层位，采油层位Y4+5Y4+5，Y8Y8及及Y10Y10，这两口井都在井筒油管内，这两口井都在井筒油管内( (外

6、外) )结结CaS0CaS04 4垢。垢。岭岭212212井井在采油初在采油初期生产层位期生产层位Y7Y7，NaNa2 2SOSO4 4水型，水型，Y10Y10系系CaClCaCl2 2型，但产出液中不含水，无结型，但产出液中不含水，无结垢，后来垢，后来Y10Y10层位见水，两层合采，即在尾管发现层位见水，两层合采，即在尾管发现CaSOCaSO4 4结垢。结垢。 在地面站，也常因不同层位的生产井来水混合而结在地面站，也常因不同层位的生产井来水混合而结CaS0CaS04 4垢，主要垢，主要结垢部位在收球筒及总机关处。结垢部位在收球筒及总机关处。 CaS04垢垢分布规律分布规律 2 2近井地带与注

7、水地层结垢近井地带与注水地层结垢 依据室内水驱模拟试验资料、结垢机理研究结果、依据室内水驱模拟试验资料、结垢机理研究结果、现场防垢试验和结垢取芯井岩矿鉴定资料，已有充分论现场防垢试验和结垢取芯井岩矿鉴定资料，已有充分论据说明地层结垢是存在的。尤其是结垢检查井从据说明地层结垢是存在的。尤其是结垢检查井从13001300多多米以下地层所获得的岩芯及其分析资料，说明马岭注水米以下地层所获得的岩芯及其分析资料，说明马岭注水地层结垢的主要机理是富含地层结垢的主要机理是富含S0S04 422的注入水与地层水中的的注入水与地层水中的BaBa2+2+、SrSr2+2+、CaCa2+2+混合后发生化学沉淀引发的

8、。混合后发生化学沉淀引发的。 结垢的分布规律与过去仅以热力学理论为基础所进结垢的分布规律与过去仅以热力学理论为基础所进行的物理模拟和数值模拟不尽相同，地层中发现有大量行的物理模拟和数值模拟不尽相同，地层中发现有大量与粘土伴生的硫酸钙、硫酸钡垢。与粘土伴生的硫酸钙、硫酸钡垢。一般距油井井筒一般距油井井筒5050330330米米。分布规律二、油田结垢机理及影响因素 碳酸盐结垢机理碳酸盐结垢机理 碳酸盐垢碳酸盐垢CaC0CaC03 3，CaMg(C0CaMg(C03 3) )2 2 是由于钙、是由于钙、镁离子与碳酸根或碳酸氢根结合而生成的，镁离子与碳酸根或碳酸氢根结合而生成的，反应式如下：反应式如下

9、： Ca2+C032-=CaC03 Ca2+2HC03=CaC03+C02+H20 Mg2+2HC03-=MgC03+C02+H20结垢机理结垢机理 碳酸盐垢是油田生产过程中最为常见的一种沉积物。碳酸盐垢是油田生产过程中最为常见的一种沉积物。常温下，碳酸钙溶度积为常温下，碳酸钙溶度积为4.84.81010-9-9，在，在2525，溶解度，溶解度0.053g0.053gL L。在油田地面集输系统，由于。在油田地面集输系统，由于温度升高温度升高，压压力降低力降低，C0C02 2释放释放，使，使CaC0CaC03 3沉淀的可能性增加；而在油沉淀的可能性增加；而在油井生产过程中，当流体从高压地层流向压

10、力较低的井筒井生产过程中，当流体从高压地层流向压力较低的井筒时，时，C0C02 2分压下降，水组分改变，就成为分压下降，水组分改变，就成为CaC0CaC03 3溶解度下溶解度下降并析出沉淀的主要原因之一。降并析出沉淀的主要原因之一。 马岭油田马岭油田中中1212井井水含水含Ca(HC0Ca(HC03 3) )2 2为为1l.81mmol1l.81mmolL L，如，如果这些盐在加热炉中全部分解成为果这些盐在加热炉中全部分解成为CaC0CaC03 3，则可能有，则可能有ll.81mmolll.81mmolL L的的CaC0CaC03 3生成，生成，CaC0CaC03 3溶解度仅为溶解度仅为6.9

11、6.91010- -5 5molmolL L，即每吨水中可产生，即每吨水中可产生l.173kgl.173kg的垢。的垢。结垢机理 硫酸盐结垢机理硫酸盐结垢机理 油田硫酸盐垢主要有油田硫酸盐垢主要有CaS0CaS04 4，BaS0BaS04 4和和SrS0SrS04 4，而以，而以CaSOCaSO4 4最为多见。硫酸盐从水中沉淀的反应式如下：最为多见。硫酸盐从水中沉淀的反应式如下： CaCa2+2+S0+S04 42-2-=CaS0=CaS04 4 Ba Ba2+2+S0+S04 42-2-=BaS0=BaS04 4 Sr Sr2+2+S0+S04 42 2-=SrS0-=SrS04 4 对于对

12、于CaS0CaS04 4垢，在垢，在3838以下时，生成物主要是石膏以下时，生成物主要是石膏CaS0CaS04 42H2H2 20 0，超过这个温度主要生成硬石膏，超过这个温度主要生成硬石膏CaS0CaS04 4，有时还，有时还伴有半水硫酸钙伴有半水硫酸钙 CaS0CaS04 4ll2H2H2 20 0。 由于油田地层水中由于油田地层水中BaBa2+2+较较SrSr2+2+高，所以生成的钡垢高，所以生成的钡垢( (重晶重晶石石) )较锶垢较锶垢( (天青石天青石) )为常见。为常见。 结垢机理 马岭油田岭马岭油田岭7777井井 延延1010地层水中地层水中CaS0CaS04 4的含量为的含量为

13、19191 11010-3-3molmolL L，而在常温下，而在常温下，CaSOCaSO4 4的溶解度为的溶解度为7 78 81010-3-3molmolL L，显然此水是，显然此水是CaS0CaS04 4的过饱和水。但在的过饱和水。但在单一层水中，未发现单一层水中，未发现CaS0CaS04 4垢。而当该井水与含垢。而当该井水与含S0S04 42-2- 11.7g11.7gL L的中的中212212井产出水混合则在地面系统的收球包及井产出水混合则在地面系统的收球包及泵内产生大量的石膏垢沉积。泵内产生大量的石膏垢沉积。 岭岭212212井井 合采延合采延1010与延与延7 7层，早期延层，早期

14、延1010层不含水，只层不含水，只有延有延7 7层低产水，油井无结垢情况，后来，延层低产水，油井无结垢情况，后来，延1010层出水，层出水，该井也同时出现了结石膏垢的情况。该井也同时出现了结石膏垢的情况。 BaS04BaS04结垢以地面站为主，凡结钡垢的站所辖油井结垢以地面站为主，凡结钡垢的站所辖油井一般高含一般高含Ba(Sr)Ba(Sr)离子，单井结垢问题并不突出，而当离子，单井结垢问题并不突出，而当不不同层位生产井来水在站内混合同层位生产井来水在站内混合，则导致垢的产生。，则导致垢的产生。 结垢机理结垢机理 2 2结垢的影响因素分析结垢的影响因素分析结垢机理 水的成份水的成份 水中盐含量增

15、加，通常能增大垢的溶解度，这是一种盐水中盐含量增加，通常能增大垢的溶解度，这是一种盐效应。由于在含盐量低的水中，妨碍成垢离子吸引和结合的效应。由于在含盐量低的水中，妨碍成垢离子吸引和结合的非成垢离子较少。如对非成垢离子较少。如对CaC0CaC03 3来讲，它在来讲，它在200g200gL L盐水中的溶盐水中的溶解度较在高纯水中大解度较在高纯水中大2.52.5倍；而倍；而BaS0BaS04 4，在，在120g120gL L盐水中溶盐水中溶解度比纯水中大解度比纯水中大1313倍。倍。 压力和温度压力和温度 碳酸钙的溶解度随着温度的升高和碳酸钙的溶解度随着温度的升高和C0C02 2的分压降低而减的分

16、压降低而减小，后者的影响尤为重要。因为在系统内的任何部位，压小，后者的影响尤为重要。因为在系统内的任何部位，压力降低都可能产生碳酸钙沉淀。力降低都可能产生碳酸钙沉淀。 Ca2+2HC03CaC03+C02+H20结垢机理结垢机理结垢机理 三、油田防垢技术的应用及效果三、油田防垢技术的应用及效果 （1）控制物理条件）控制物理条件 影响结垢的因素有温度、压力、水中含盐量、影响结垢的因素有温度、压力、水中含盐量、pHpH、成垢离子浓度以及水的流动状态、管线形、成垢离子浓度以及水的流动状态、管线形状及其它环境等条件。要控制垢的生成，则可状及其它环境等条件。要控制垢的生成，则可以控制和调节其中一些条件，

17、就可以改变盐垢以控制和调节其中一些条件，就可以改变盐垢的析出程度，抑制垢的生成。的析出程度，抑制垢的生成。 从设计角度考虑，输油管线的内壁应光滑从设计角度考虑，输油管线的内壁应光滑或施以涂层，减少弯管，增加水的流速等。或施以涂层，减少弯管，增加水的流速等。防垢技术防垢技术（2）从水中除去成垢物质）从水中除去成垢物质防垢技术防垢技术 不相容的水是指两种水混合时，沉淀出不溶性产物。不相容的水是指两种水混合时，沉淀出不溶性产物。不相容性产生的原因是一种水含有高浓度的成垢阳离子，不相容性产生的原因是一种水含有高浓度的成垢阳离子，如如CaCa2+2+、BaBa2+2+、SrSr2+2+等，另一种水含高浓

18、度成垢阴离子，如等，另一种水含高浓度成垢阴离子，如C0C03 32-2-、HC0HC03 3- -或或SOSO4 42-2-。当这两种水混合，离子的最终浓度达。当这两种水混合，离子的最终浓度达到过饱和状态，就产生沉淀，导致垢的生成。到过饱和状态，就产生沉淀，导致垢的生成。 在油田生产过程中，应尽可能避免不相容水的混合：在油田生产过程中，应尽可能避免不相容水的混合： 对于套管损坏井，不同层位水互窜，可能引起结垢，则对于套管损坏井，不同层位水互窜，可能引起结垢，则须采用隔水采油工艺；须采用隔水采油工艺； 注入水如果与地层水不相容，尽量选择优良水质，或施注入水如果与地层水不相容，尽量选择优良水质，或

19、施加处理措施；加处理措施； 污水回注时，将清水与污水进行分注，以免引起结垢与污水回注时，将清水与污水进行分注，以免引起结垢与腐蚀问题的发生。腐蚀问题的发生。（3）避免不相容的水混合）避免不相容的水混合防垢技术防垢技术(4) 防垢剂防垢剂 油田使用防垢剂为常用的控制结垢措施。这种方油田使用防垢剂为常用的控制结垢措施。这种方法简便、易行。使用时需对防垢剂进行合理的评价法简便、易行。使用时需对防垢剂进行合理的评价与选择。与选择。 国内外常用的防垢剂有有机膦酸盐（脂）类，高国内外常用的防垢剂有有机膦酸盐（脂）类，高分子聚合物及其衍生物、有机膦酸盐与聚羧酸盐复分子聚合物及其衍生物、有机膦酸盐与聚羧酸盐复

20、合类。近年开发了有机膦羧酸、含膦聚合物类防垢合类。近年开发了有机膦羧酸、含膦聚合物类防垢剂。这种防垢剂分子中含膦酸基团（剂。这种防垢剂分子中含膦酸基团（-PO3H2），又），又含羧酸基团含羧酸基团(-COOH),兼具防垢、缓蚀功能。兼具防垢、缓蚀功能。 长庆油田先后开发三元共聚物长庆油田先后开发三元共聚物BS-2E、有机磷酸、有机磷酸酯类酯类TS-610、和改型聚羧酸类、和改型聚羧酸类KF31、BS-2000等，等，在油田应用，也获得良好的效果。在油田应用，也获得良好的效果。防垢技术防垢技术2. 2. 地面集输系统的防垢地面集输系统的防垢防垢技术防垢技术 成垢离子平衡分析成垢离子平衡分析 现场

21、现场挂片检测挂片检测 设备直观检查设备直观检查 现场生产动态分析现场生产动态分析 南南107107站站： 加药前加药前BaBa2+2+常测不出，以常测不出，以BaS04BaS04的沉积形式存在。的沉积形式存在。 加药后加药后水中水中BaBa2+2+为为192349mg192349mgL L ，说明结垢量减，说明结垢量减小。另外结垢及除垢周期也从过去的小。另外结垢及除垢周期也从过去的2323个月延长到半年个月延长到半年至一年。垢质变得松散，易于除去。至一年。垢质变得松散，易于除去。 从而证明化学防垢减轻或抑制了流程中的结垢。从而证明化学防垢减轻或抑制了流程中的结垢。防垢技术防垢技术 3 3油井井

22、下防垢措施及工艺油井井下防垢措施及工艺（1 1）油井长效固体防垢块）油井长效固体防垢块防垢技术防垢技术 油井结垢，也曾采用从环形空间投加防垢剂的方法，取油井结垢，也曾采用从环形空间投加防垢剂的方法，取得了好的效果。得了好的效果。 泉泉3636井井投产一年，井下结垢严重，泵上油管垢厚投产一年，井下结垢严重，泵上油管垢厚35mm35mm，固定凡尔卡死。检泵后固定凡尔卡死。检泵后3030天，又结垢卡死。垢的组分主要天，又结垢卡死。垢的组分主要是是BaS04BaS04。后从环形空间投加聚马来酸酐，加药。后从环形空间投加聚马来酸酐，加药1616个月，两个月，两次检泵均无垢，检泵周期从次检泵均无垢，检泵周

23、期从2424天延长到天延长到218218天。天。 南南9292井井结结BaS04BaS04垢，难以处理，后井口装加药包，定期垢，难以处理，后井口装加药包，定期加防垢剂，加药量按日产水计为加防垢剂，加药量按日产水计为40ppm40ppm，试验，试验180180天，加药天，加药后产液量及产油量稳定，且有上升，修井周期由过去的两后产液量及产油量稳定，且有上升，修井周期由过去的两个月延长到六个月。个月延长到六个月。（2 2）油井连续注防垢剂）油井连续注防垢剂防垢技术防垢技术4 4注水地层结垢的防治技术注水地层结垢的防治技术防垢技术防垢技术 安塞油田长安塞油田长6 6油层油层产出液中，也含大量的产出液中

24、，也含大量的Ba(Sr)Ba(Sr)离子，与注入水源水质不相容，存在地离子，与注入水源水质不相容，存在地层结垢的可能性。在该油田三个站推广投加防层结垢的可能性。在该油田三个站推广投加防垢剂的方法，以抑制地层垢剂的方法，以抑制地层结垢，保护油层，均结垢，保护油层，均取得良好的效果。取得良好的效果。 油田新开发区块油田新开发区块: :靖安油田南一区、绥靖油靖安油田南一区、绥靖油田大路沟一区长田大路沟一区长6 6油层油层 、西峰油田董志区长、西峰油田董志区长8 8油层以及其它新开发区块的长油层以及其它新开发区块的长4+54+5油层产出水油层产出水中都不同程度含有中都不同程度含有Ba(Sr)Ba(Sr

25、)离子离子，也存在明显的也存在明显的结垢趋势。所以这些区块也都从注水开始进行结垢趋势。所以这些区块也都从注水开始进行了防垢。了防垢。防垢技术防垢技术将将 防防 垢垢 剂剂 在在 一一 定定 压压 力力 下下 挤挤 入入 结结 垢垢 井井 地地 层层 ，该该 剂剂 与与 地地 层层 水水 中中 C Ca a2 2+ +发发 生生 沉沉 淀淀 反反 应应 ， 或或 吸吸 附附 于于地地 层层 岩岩 石石 表表 面面 。 在在 开开 井井 生生 产产 过过 程程 中中 ， 防防 垢垢 剂剂 由由于于 溶溶 解解 或或 解解 析析 作作 用用 ， 随随 产产 出出 液液 缓缓 慢慢 释释 放放 ， 稳稳 定定水水 中中 成成 垢垢 离离 子子 ， 起起 到到 长长 效效 的的 防防 垢垢 作作 用用 。与与 清清 垢垢 剂剂 联联 合合 使使 用用 ， 对对 油油 井井 采采 取取 综综 合合 处处 理理 ，可可 获获