姬塬油田系统结垢防治技术的适应性研究

Study on the adaptability of the scale control technology used in Ji yuan oilfield surface production systems

  董立超，张荣辉，麻宇杰，王泽东，郇宇

Li chao dong  Rong hui zhang Yu jie ma  Ze dong wang Huan yu

作者单位：长庆油田分公司第八采油厂采油工艺研究所

作者单位(英文)：The eighth oil production plant of changqing oil field branch

中文关键字：集输系统  结垢机理  配伍性  适应性研究 防垢技术  

英文关键字：Gathering system scaling mechanism of compatibility of adaptive research antiscale technology

中文摘要：姬塬油田多层系叠合开发过程中，不同层系地层水水质差异大，配伍性差，造成地面、井筒严重结垢，给油田生产带来难题。为保障系统平稳运行，通过配伍性实验、化学药剂选型，综合运用新型工艺防垢技术，建立了以工艺法防垢为主，化学、物理法防除垢为辅的综合清防垢体系，逐步形成了“原油分层集输、分层处理、净化油合层输送、采出水分层回注”的工艺模式，通过防垢工艺的现场应用及效果分析，提出各项结垢防治技术在姬塬油田的适应性。

英文摘要：In the process of overlapping development of multi-layer strata in hime tableland oilfield, the water quality of different stratigraphic strata varies greatly and their compatibility is poor, resulting in serious scale formation on the ground and in the wellbore, which brings problems to oilfield production. As the security system run smoothly, through compatibility experiments, the chemical selection, antiscale technology integrated use of new technology, established is given priority to with antiscale technology method, method of chemistry, physics, prevent descaling is complementary comprehensive scale prevention system, gradually formed a "layering of crude oil, gathering, processing, to purify the oil layer transmission, stratification of the produced water reinjection" process model, through the analysis of the field application and effect of antiscale technology, put forward the fouling prevention and control technology in the tableland oilfield's adaptability.

前言

结垢问题是困扰油田生产运行的难题，结垢造成生产成本的增加，生产效率的降低，并且由于结垢导致部分生产设备提前报废，安全事故频繁发生，给油田造成了极大的损失。姬塬油田自2011年实施分层改造，建立了分层集输模式后，逐步配套新型防垢技术，结垢问题得到了有效的治理，但在系统运行中，总结了一定的规律和技术特点，同时生产中也遇到了一定的难题，因此对系统结垢成因的重新认识，对常用防垢技术的适应性研究成为重中之重，研究成果可以有效提高姬塬油田防垢效率，保障系统安全、平稳、高效运行。

1 姬塬油田结垢概况

姬塬油田自2005年起投入开发，油田开采层位多，地层水、注入水矿化度高，富含成垢离子多样。三叠系注水地层存在严重的BaSO₄垢，侏罗系注水地层结垢成分主要以CaCO₃和CaSO₄为主；结垢是油田开发过程中长期困扰生产的难题，致地面工艺系统结垢严重，影响正常原油生产，同时存在较大安全隐患。

地层结垢主要表现在长8、罗27长4+5油藏开发油井近井地带结垢堵塞，正常注水压力偏高（14MPa上升至目前的20MPa方能满足配注要求）。

站点结垢位置主要分布在温度、压力、流速变化较大的节点，。即主要在总机关、收球筒、加热炉进出口管线、加热炉盘管、管线闸门、弯头和输油泵叶轮及站内外管网等处。结垢治理前期，樊学区块学2增、学4增、学5增、学一转，吴起区块吴7增、吴8增、吴二转等7座站点结垢较为严重，总机关、加热炉进出口、外输压力升高，平均清垢周期仅为30天，平均结垢厚度达2.5cm，垢型以钡锶垢为主。 

结垢类型及特点：地面工艺系统结垢主要是碳酸盐、硫酸盐和铁的化合物；侏罗系垢型主要以BaSO₄为主，站点温度超过50℃就会有钡垢的产生。而三叠系主要以CaCO₃和CaSO₄为主，站点温度超过38℃就会有钙垢的产生。

结垢周期：从开发层位来看，三叠系油层与侏罗系油层地层水混合后结垢速率最快，结垢周期仅为1～3个月；长4+5、长6与长2地层水混合后结垢周期为5～8个月；高含水区、混层开发区域，注水见效程度高及开发较早的也是结垢重点区域，结垢周期一般仅为1～3个月^[5]。

2姬塬油田地面系统结垢类型和成因 ^[2]

2.1垢样分析

    垢样的EDS测试曲线^[6]以及Kev能级图谱^[7]显示：除了常见的成垢元素Ca、Mg、Ba、C、O外(组成CaCO₃、MaCO₃等)，Fe元素在两种结垢物都明显存在，这意味着铁的腐蚀产物(FeCO₃、FeO等)也是结垢物的重要组成部分，可以推断这两根结垢严重的集输管线和注水管线不仅结垢严重，还都存在较为明显的铁腐蚀现象。

图1集输管线内垢样的EDS曲线                       图2注水管线内垢样的EDS曲线  

图3黑色垢质的Kev能级图谱                    图4灰白色垢质的Kev能级图谱

由水质分析结果（详见表1）可以得出结论：从侏罗系延安组到三叠系延长组，地层水的总矿化度迅速增加，Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺离子的含量很高，尤其是Ca²⁺的含量最高达4120mg/L，这使得常规使用的防硫酸钡锶垢的阻垢剂在高含钙的水中迅速絮凝，阻垢性能基本消失。并且高矿化度水质导致结垢不仅严重，而且结垢速度很快。  

2.3配伍性分析^[3]

通过ScalmChem OLI结垢软件预测各层系地层水的流体配伍性及结垢类型，为下步阻垢剂筛选与评价提供理论依据^[10]。

图5 延9层与延10层地层水结垢趋势预测          图6延10层与长2层地层水结垢趋势预测

图7延10层与长4+5层地层水结垢趋势预测        图8延10层与长6层地层水结垢趋势预测

图9长2层与长4+5层地层水结垢趋势预测          图10 长2层与长6层地层水结垢趋势预测

    由以上结垢趋势图（图5-图11）可以得出：①延安组各层水质基本配伍，有轻微结CaCO₃结垢趋势；②延安组与延长组各层地层水都不配伍，有严重的BaSO₄结垢趋势；③直罗系注入水进入到长2、长4+5、长6层时，这三个层水质变得严重不配伍，有严重的BaSO₄垢和CaCO₃结垢趋势，并伴有一定量SrSO₄垢。

3姬塬油田地面系统清防垢措施

3.1阻垢剂的应用（如图11）

图11 学2增、学4增地层水按比例混合钙垢和钡锶垢阻垢率随复配阻垢剂浓度的变化

阻垢剂的筛选：根据各站点处理含水油采出水比例，参照SY-T 5673-1993《油田用防垢剂性能评定方法》^[8]，在室内按照5个实验站点采出水的实际比例，对收集到的ZG-108（碳酸钙型阻垢剂）、SW-188（钡锶型阻垢剂）、HZG-05（钡锶型阻垢剂）、ZG-558（钡锶型阻垢剂）等十余种阻垢剂做了准评价与筛选，ZBC-10、SW-188型阻垢剂在浓度为110ppm时，钡垢阻垢率达85%以上，AD51-10、ZG-558型阻垢剂在浓度80ppm~100ppm时，钙垢阻垢效率最高，其中除 ZG-108 阻垢剂主要用于注水系统阻垢，其余阻垢剂均在集输系统上使用。SW-188 阻垢剂阻垢效果最好，在加药量一定的情况下，阻垢剂浓度越高，阻垢效果越好，特别是使用纯阻垢剂时，效果最好。

阻垢剂应用：加药位置移至系统最前端既是高含水井筒集中加药，通过对学5增、学二转等8个站点所辖油井现场摸排，对于井筒结垢严重、液面低、多层系混合开采的高含水油井，以浓度110ppm为标准，实施井筒加药。加药效果对比如下：吴一转收球周期为3天，加阻垢剂前结垢厚度为0.5～1.0mm；加阻垢剂后收球桶未发现结垢现象。在吴6增、吴7增、吴8增、学4增等站点所辖油井相继开展了阻垢剂投加试验，结垢速率减缓，结垢周期由原来的1个月延长至8个月以上。

阻垢剂的适应性分析：化学加药解决集输中、长远距离管线结垢，发挥化学防垢技术的长效性特点，缓解集输系统“线”路结垢。ZG-558型阻垢剂对钙垢防治效果较好、对钡锶垢的防治效果不佳；ZBC-10型阻垢剂对钙垢防治效果较好、对钡锶垢的防治有一定效果，防垢率还需要提高。对钡锶垢的防治目前仍然是生产中存在的难题。

3.2物理管线清垢技术

水力空穴浸蚀清垢技术：针对单井集油管线因结蜡、结垢造成管线频繁堵塞，热洗无效的现象，回压超过3.5MPa的36条出油管线应用了水力空穴浸蚀物理清垢技术，清垢后压力下降0.5～3.4MPa降压、节能降耗效果突出。管道脉冲清洗技术：该技术主要依靠空气和水为介质，通过数控脉冲控制仪控制管内高压气水形成高速旋转脉冲射流，可控数控脉冲所形成的物理波对管内的锈垢存积物进行冲击和振动，逐层剥落锈垢和存积物并快速排出管道之外来实现清洗目的。

应用效果分析：采用高压气水数控脉冲清洗技术对结垢增压点流程进行清垢8小时，清垢后管道内垢物清除效果良好，清垢后三叠系总机关压力为0.45MPa，三叠系缓冲罐进口压力为0.3MPa，清垢前后三叠系总机关压力下降0.55MPa，三叠系缓冲罐进口压力下降0.1MPa，清垢后站内运行恢复正常，总体清垢效果明显。     

电子防垢技^[1]：电子感应水处理器通过主机在水中产生一个频率和强度都按一定规律变化的感应电磁场。该电磁场使水中的成垢离子结合成大量的文石晶核，当水中的矿物质含量超过水的饱和溶解度时，成垢离子就会析出并优先生长在这些晶核上形成文石晶体，从而随水流带走。

超声波防垢除垢技术^[4]：该设备根据垢样的不同成分，通过自动变频系统设定频率调节波段，发出超音频脉冲变频信号，使得金属、流体、垢样产生振动，由于各物质的惯性和弹性不同，三者会产生不同步的振动，长时间作用.垢样产生微小裂缝，在超音频脉冲变频信号作用下，流体通过垢样裂缝进入垢层，液体在接受高温管壁后被气化，流体体积急速膨胀，产生气泡后爆破，达到防垢除垢效果。

应用效果分析：以上两种防垢器已在樊学油田学2增、学4增、学5增、学一转及学二转等15个站点应用，现场运行平稳，具有一定的防垢效果，结垢周期可延缓4-6个月，能够有效保护重点设备。

物理清垢的适应性分析：水力空穴浸蚀物理清垢技术对结垢程度小、管径大的、管线弯头少的结垢管线效果较好，对总机关、弯头多、管径小的结垢管线，清垢过程中容易卡堵清垢器。管道脉冲清洗技术对总机关、弯头多、管径小、结垢严重等管线效果较好；不足之处是清垢费用相对水力空穴浸蚀物理清垢高1.2万元/km。两种物理清垢技术针对目前生产现状，水力空穴浸蚀物理清垢技术可以处理井组及站间结垢不严重、运行风险低的结垢管线，管道脉冲清洗技术可以解决疑难杂症，两种技术互相配合，保障系统顺畅运行。也可以作为工艺系统科研立项，综合两种技术优势，重新研制一种清垢技术。电子防垢技术保障成垢离子在2km范围内不成垢，不足之处是作用距离短，设备线圈保护层薄，容易损坏。声波防垢技术保障成垢碎片1.5km范围内不沉积。不足之处：作用的距离短，电力故障多；设备维护时，拆卸麻烦。两种防垢技术主要作用是保护重点设备。考虑原理、功效不同，建议配合使用，电子防垢在上游，超声波防垢在下游，互相补充，发挥功效。

3.3分层集输技术的应用及适应性

集输系统分层改造后，油区建立了延9集输系统、长2集输系统、长4+5集输系统、长7集输系统，长8集输系统，工艺改造实现了 “分层集输、分层脱水、同层回注的集输模式。

系统的分层改造可以保障分层集输、分层回注，避免了不同层系的混合集输，可以彻底有效的解决系统结垢问题；不足之处是系统改造工程量大、费用高，液量较低、对于不能满足分层管输条件的区块、层系复杂区块，将会给分层集输造成阻碍。

系统分层处理是集输运行的主体思想，新部署、新站点规划均围绕该思路运行，对于液量较低区块不能满足管输条件的，目前配套了加药、防垢等设备，综合治理，保障系统运行。

4 结论

取得的成功经验：一是化学药剂防垢的认识。化学加药解决中、长远距离管线结垢，发挥化学防垢的长效性特点，缓解系统“线”路结垢。二是结垢规律的认识。姬塬油田注入水与地层水严重不配伍，注入水和地层水混合后，结垢形成顺序为：BaSO₄、SrCO₃，→CaCO₃→BaC0₃→SrS0₄→CaSO₄；因地层中Sr²⁺ 含量较低，因此地层结垢主要为BaSO₄、CaCO₃。地层防垢主要采用注水系统连续投加阻垢剂对策。单井结垢多以CaCO₃垢为主，同时含有较多的铁氧化物。三是系统结垢节点的认识：井筒结垢的厚度随深度而增加，优先在井低下高度湍流区发生，先在射孔段其次是层流区；地面系统结垢容易在管线的弯头、闸门的滞流区，液体流速快，垢不易沉积，如果流速或流向突然变化，容易造成结垢。

目前仍然存在的问题：一是结垢治理需要考虑腐蚀的影响^[9]。钙垢治理相对容易，钡锶垢治理成本高、难度大；系统结垢从地层到地面，贯穿整个系统，加之结垢同时伴随着腐蚀的发生，防垢、除垢治理需要考虑腐蚀的影响，治理难度加大。二是钙垢与钡锶垢的结垢周期不同。侏罗系结垢主要是钡、锶垢为主，治理难度大；三叠系结垢垢型主要是钙垢，但地面站点普遍结垢周期短，结垢严重，防治难度大。三是成垢离子动态变化。随着产能建设，新层位的出现，将进入老站点集输流程，使得老站点水质成分越来越复杂，结垢问题越来越严重，治理难度也越来越大。

下一步攻关方向：油田结垢的防治是一项长期而艰巨的任务，姬塬油田防垢的技术手段多样，均存在不足，需要因地制宜，综合配套使用，取长补短，充分发挥新工艺的防垢功效。化学防垢下一步攻关方向需要以2-3年为周期，对采出水配伍性进行重新认识，评价，因地制宜的筛选、制定药剂配方，提高阻垢剂防垢效率。系统防垢下一步攻关方向是利用新型防垢技术，构筑“点、线、面”相结合的综合防垢体系。除垢器、捕极器设置结垢带，保障设备及管线；超声波、电子防垢工艺设置防垢单元保护重点设备；缓解集输系统“点”的结垢。水力空穴、管道脉冲清垢技术用于系统的应急抢险，管线投球用于日常维护；缓解集输系统“线”的结垢。优化流程，配套新型防垢技术， 实现分层集输与设立结垢带、防垢单元等相结合的集输模式，让成垢离子相互隔离或集中在结垢带内结垢；缓解集输系统“面”的结垢。

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