中原油田回注水结垢问题分析

收稿日期:2003-02-24;修稿日期:1004-02-12。作者简介:蔡爱斌,男,1988年毕业于西安石油学院化学工程与工艺专业,工程师。一直从事油田污水处理技术工作。

中原油田回注水结垢问题分析

蔡爱斌 吴建军 侯德霞 刘红霞

(中国石化股份有限公司中原油田分公司,河南范县457532)

摘要:油田回注水结垢不但会造成井筒堵塞,严重时会影响油气产量。回注水中Ca 2+,Mg 2+含量高以及外界条件变化(温度、压力、流速、p H 值等)是引起结垢的主要因素。中原油田原采用注入石灰乳的方法解决回流水的腐蚀问题,但会使系统Ca 2+浓度上升并使污泥量增加,因此最有效的办法是注入化学阻垢剂,同时要保证污水处理系统平稳操作。

关键词:油田 回注水 结垢机理 阻垢剂 污水处理

中图分类号:TE357.61 文献标识码: B 文章编号:1007-015X(2004)02-0062-03

油(气)田生产过程中,水的结垢问题已受到广大石油科技工作者的广泛关注。目前国内油田主要是采用注水开发,注水是为保证地层压力,提高原油采收率。油田注入水常有两种来源:一种是清水,即油田地下水或地表水;另一种是污水,即与原油同时采出的油层水。清水和污水经加药、絮凝、沉降处理后回注地层。

1 结垢危害与结垢部位

如果注入水的水质不合格或与油层水的水型不吻合以及盐含量过高都会引起结垢和腐蚀。结垢可以在地面管线和井筒内发生并造成堵塞。管线因结垢可能被堵死,即使不被堵死也会使管线阻力增加,造成能源浪费,甚至严重影响生产。结垢也可以在地层内发生,造成近井地带堵塞,使油层渗透率降低,井的吸水能力下降,直接影响到油气

生产,结垢还会引起腐蚀。油田管线结垢往往是致密的层状垢,为厌氧菌提供了繁殖的温床,一些厌氧菌(如硫酸盐还原菌等)在垢下大量繁殖,造成局部点蚀穿孔。

通过对地面注水系统的调查,易结垢部位多为管线下部、弯头处、闸门等流速发生突变或温度较高部位。

2 结垢原因

中原油田回注水中的主要成垢物质是碳酸钙。水中Ca 2+和Mg 2+含量高,Ba 2+和Sr 2+含量较低,矿化度在70000~140000mg/L 。这些离子与水中C O 32-及SO 2-4反应易产生CaC O 3,CaSO 4,BaSO 4,Sr SO 4垢。表1列举了中原油田几个污水处理站污水处理前后的分析数据。

表1 污水处理站污水处理前后分析数据

站名主要离子含量/mg L -1

K +Na +Ca 2+Mg 2+Cl SO 42-HCO 3

CO 32-矿化度/

mg L -1pH 值水型文三污来水

3629761865496728837342270114336 6.5CaCl 2滤后2495544238536835019270160794498.0濮三污来水4082725945916976733251760119280 6.5CaCl 2滤后38300241262562011391401871074507.0胡二污

来水4631545238698021417461860133746 6.5CaCl 2

滤后

45733

4247762788331663

394

171744

8.5

在给定的物理条件下,水中各种以离子状态存在的化学物质的溶解度是一定的。一旦外界条件发生变化,这些化学物质就可能成为固体而沉

经验交流

石油化工腐蚀与防护

Corrosion &Protection in Petrochemical Industry

2004,

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淀。通常在下列情况下可能引起结垢[1]:

(1)水中含有能够形成溶解度很小的化合物的离子;

(2)物理条件发生变化或者水的组成改变,使得溶解度降低到现有浓度以下,形成过饱和溶液。2.1 温度对结垢的影响

温度的影响主要是改变易结垢盐类的溶解度。图1中所示为垢在水中的溶解度随温度变化的曲线。从图1中可以看出,除了CaSO 4 2H 2O 有极大值外,

其他均随温度的升高而降低。

图1 垢在水中的溶解度与温度的关系

为研究垢的主要成分,笔者曾做过简易实验:取中原油田濮三联污水处理站混合罐出口弯头处层状新鲜垢10g 置于烧杯中,滴加10mL 10%的HCl 溶液,有大量无色无味气体产生,确定为碳酸盐垢。

分析结垢原因为:当温度升高时,Ca(HCO 3)2

分解,产生CaCO 3结垢:

Ca(HCO 3)2 CaCO 3 +C O 2 +H 2O (1)

该反应为吸热反应,温度升高,平衡向右移动,

有利于CaC O 3的析出。

从表1可以看出,中原油田注入水Ca 2+浓度在1000~4500mg/L,CO 32-的浓度在100~400mg/L,而注水泵进口注入水的温度通常在40 左右。由图1可知,40 左右时,CaCO 3的溶解度在50 g/g 左右。考虑到注入水成分复杂、盐含量高,会增加一部分溶解,但有结垢的可能。注水过程中,注入水温度由地面温度升高到油层温度而达到平衡,CaC O 3溶解度变小,结垢趋势会增强。2.2 压力对结垢的影响。

压力对CaCO 3,CaSO 4,BaSO 4结垢均有影响。CaCO 3结垢有气体参加反应,压力对之影响相对较大。压力增加,式(1)向左进行,可以抑制结垢。在注水过程中,总体压力是升高趋势。但油层及井下垢沉积环境非常复杂,压力变化很大,可以从几十至几百MPa 降至几MPa 或形成负压。新的压降,加大了结垢的趋势。

2.3 流速对结垢的影响

流速的突变也可以解释为压力的变化,如果流速突然加大,引起局部脱气,使C O 2分压降低,式(1)平衡向右移动,引起CaCO 3结垢。2.4 pH 值的影响

如果pH 值高,结垢趋势增强,但pH 值太低,会加大腐蚀。回注水pH 值的确定,需要同时考虑这两方面的问题,选择合适的pH 值。推荐范围为6.5~8.0为宜。2.5 回注水的配伍性

现各油田为保持地层压力,加大了回注水的水量。单靠回注污水难以满足需求。往往混入清水同污水同时处理后回注。对于两种或两种以上水源在地面混合处理后回注,必须考虑到回注水与地层水的配伍性。两种水源混合时,水中离子再分配至平衡,如果某种盐的浓度超过该条件下的饱和度

时,就从水中结晶析出,形成结垢。

结垢是一个相当复杂的过程,但结垢有一个首要因素,就是溶解度处于过饱和状态。过饱和浓度除了与溶解度有关外,还受热力学、结晶动力学、流体力学等诸多因素影响。3 防垢方法及机理3.1 防垢方法

预防结垢应从保证回注水水质入手,在污水处理过程中尽量少引入或不引入结垢离子,尽量降低各种结垢离子的浓度。为了达到防腐蚀的目的,中原油田通过加入石灰乳的方法来提高pH 值。石灰乳的加入带来大量的Ca 2+

,使污水处理中污泥量增加。不引入结垢离子,这是今后污水处理和环保的发展趋势。

中原油田注水的水温在40 左右,而地层温度远远超过40 ,降低温差也是一个途径。在水处理过程中,可利用廉价能源或利用太阳能加热污水。压降受系统和地层固有结构制约,难以解决。pH 值和水的配伍性必须经过严格的实验,筛选出适合各油田的最佳结合点。

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