浅析油田结垢的原因及防垢剂的使用

摘 要：油气田开发过程中，油气藏中的流体（油、气、水）从油气层中流出，经井筒、井口到地面集输系统，由于温度、压力和油气水平衡状态的变化，容易发生无机盐类的沉积，生成垢，结垢现象的发生，将给生产带来不利影响，使产量降低，不能正常连续操作，甚至停产，使油气井和设备过早报废，因此，研究垢的生成与防治，具有重要的现实意义。

关键词：油气田 结垢 防垢剂

一、油田结垢的原因

油田生产过程中，压力、温度的变化或不相容的水相混合，会造成地层、井筒和管线表面结垢，影响原油生产。目前我国很多油田已经进入高含水期，结垢问题日益突出。

油田结垢主要有两大原因。一是地层水中含有高浓度易结垢盐离子，在采油过程中压力、温度或水成分变化改变了原先的化学平衡而产生垢，主要垢成分是碳酸钙，可混有碳酸镁、硫酸钙/镁等，我国陆上油田结垢大都由此引起。二是两种或两种以上不相容的水混合，结垢离子相互作用而生成垢，最为常见的有硫酸钡和硫酸锶垢。特别是海上油田注海水开采过程中，地层水常含有钡锶离子，而海水含有大量的硫酸根离子，两者混合产生难溶的硫酸钡锶垢。

此外，油田垢产生的原因还因为一些离子结合后会形成在水中不溶、难溶和微溶的物质，这些物质都很容易成为积累的水垢，也即盐类垢。通常，这类垢是由碳酸盐和硫酸盐组成的，典型的有碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶等。这种垢的形成一般会经历成核长大的过程，先是少量垢核心在管道表面形成、附着，然后更多的其它成垢化合物在这些核心周围聚集，成为更大的垢团。随着水流的冲刷，一部分垢被冲掉，但其它的垢继续生成，最终可能阻塞管道，随着环境水温的升高，这些难溶或微溶盐的溶解度下降，就有更多的物质从水中析出，成为水垢。在一些管道中，当温度高于60℃时才会出现明显的结垢趋势，温度越高，结垢的趋势越严重。

水的流速也会明显地影响结垢的趋势。水的流动越缓和，成垢核心生长的环境越稳定，随着管道输送介质流速的降低，水垢出现的概率逐渐提高，流速和流向的突然改变也会使结垢加剧。

二、油田结垢的危害

垢内通常含有腐蚀产物（如碳酸亚铁、硫化亚铁等）以及在一定条件下析出的盐（如氯化钠等）。结垢对油田生产的影响包括：①油层及近井地带结垢，会堵塞油气通道，降低油层渗透率，使油井产液量下降（低渗透油田更加严重）；②井筒结垢，会增加抽油杆的负荷，降低泵效，或者造成卡泵现象；③集输管道和设备表面结垢，会造成垢下腐蚀，甚至穿孔；④注水系统结垢，使注水压力上升，能耗增加而生产能力降低。传统的控制碳酸盐垢的方法主要是酸洗，劳动强度大，对管柱和设备有损害，且酸液排放是环境保护的一大隐患。钡锶垢坚硬难溶，酸洗无效，大都采用防垢技术来控制。

随着油田注水开发的不断实施，我国各大油田产出液的含水率越来越高，油水井及管输系统的结垢问题也越来越严重。结垢造成生产管线或设备堵塞，产液量下降，严重时造成抽油杆拉断，油井关井，甚至报废 。目前国内应用较多的化学防垢技术主要是酸洗法和投加防垢剂法（包括向油管或油套环空连续注入防垢液和向鼠洞或井底投加固体防垢块两种方式）。酸洗法防垢有效期短，返排液还会对环境造成污染。连续注入防垢液对泵的要求较高，且操作复杂；投放固体块同体防垢块的溶解速度不易控制。

三、防垢剂的使用

国内外防治油田结垢的方法有很多种，主要分为物理方法、化学方法和工艺方法。在各种抑制和减缓结垢的方法中，化学防垢剂防垢具有成本低、效果明显的优点，因而被国内外油田普遍采用。

防垢剂是指加入水中、能抑制垢生成的化学药剂。自20世纪30年代以来，防垢剂经历了从无机物到有机物，从小分子到高分子聚合物的发展历程。近年来，国内外主要采用的是有机膦酸型防垢剂和聚合物型防垢剂。

有机膦酸型防垢剂。用作防垢剂的有机膦酸盐多数是有机多元膦酸盐，由于分子中碳磷键比较牢固，因此具有较好的化学稳定性，不易被酸碱破坏，也不易水解，且耐较高温度。在一定条件下可与其他水处理剂复合使用，有明显的“溶限效应”和“协同效应”，具有防垢缓蚀作用。在有机膦酸中，氨基三甲叉膦酸（ATMP）和羟基乙叉二膦酸（HEDP）是20世纪60年代开发的，至今仍在水处理中广泛使用。80年代研制了有机膦羧酸，其中22膦酸基丁烷21，2，42三羧酸（PBTCA）在高温、高硬度、高pH值等苛刻条件下的防垢性能突出，22羟基膦基乙酸（HPA）则具有高效缓蚀性能。90年代，大分子有机膦酸多氨基多醚基亚甲基膦酸（PAPEMP）问世，其相对分子质量达600左右，分子中引入了多个醚键，因而有很高的钙容忍度和防垢分散性能。

聚合物型防垢剂。有机膦酸盐易水解，限制了其在高温、高碱和高硬度等水质条件下的使用，且本身易形成有机膦酸垢，磷化物易对环境造成污染等问题，因此开发低磷或无磷绿色环保型防垢剂如聚合物型防垢剂，成为国内外水处理剂的研究课题和发展方向。在化学结构上，聚合物防垢剂由最初的羧酸均聚物，发展到含多种防垢基团（酯基、磺酸基、磷酸基或羟基）的共聚物；从功能上，聚合物防垢剂除抑制碳酸钙垢外，还能阻止磷酸钙、硫酸钙、硫酸钡结垢，分散氧化铁和黏土等，某些聚合物甚至具有缓蚀、杀菌多种功能。

四、结语

随着油田注水开发的不断实施，我国各大油田产出液的含水率越来越高，油水井及管输系统的结垢问题也越来越严重。介质含水率高，硫酸盐还原菌较多，矿化度和氯离子浓度高，溶有一定量的腐蚀性气体H2S、CO2和O2以及结蜡现象的出现，都是造成管道结垢的原因。管道结垢是材料、环境和结构共同作用的结果，只有将三者综合考虑，才能有效地预防管道结垢，将结垢降低到最低限度。应综合考虑对管道腐蚀小、成本低、效率高的除垢方法，同时继续研究新的除垢工艺。