油气井结垢机理研究与防垢剂研制

油气井结垢机理研究与防垢剂研制

研究生：周吉萍指导教师：尹代益

1 引言

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。

本论文的目的是基于四川江油川西北矿区平落４井卤水开采过程中产生的盐堵问题，讨论了导致卤水溶解度下降从而析出盐垢的主要影响因素，即温度、压力和气体的脱气蒸浓作用对卤水溶解度的影响。本文还针对CaCO3和CaSO4垢的防治,开发了丙烯酸、甲基丙烯酸和丙烯酰酸的三元共聚防垢剂产品系列，并对此系列产品的防垢效率作出了评价，分析了影响防垢率的主要因素。

本章还讨论了CaSO4、CaCO3和NaCl的溶解度及沉积的原因。

控制结垢的作用主要在于：(1)防止晶核化或抑制结晶变大；(2)分离晶核，控制成垢阳离子，主要是螯合二价金属离子；(3)防止沉积，保持固体颗粒在水中扩散并防止在金属表面沉积。

油田系统常用控制结垢的方法有下面几种：(1)控制物理条件；(2)从水中除去成垢物质，(3)避免不相容水的混合；(4)防垢剂；(5)利用微生物防垢。

2 影响卤水溶解度的主要因素

2.1卤水样品的来源

本节中说明了作为本章研究所用的1号至4号卤水样品的来源地、取样层位、取样时间和出口温度等基本资料。

2.2卤水水样矿化度的测定

水中溶解的离子、盐类及胶体的总含量称为水的矿化度（其中不包括溶解气体和悬浮物质）。本文采用直接蒸发法、Na2CO3法和NaF法这三种方法来测定卤水的矿化度。对这三种方法进行了评价，并用纯NaCl溶液作验证实验。

本节介绍了直接蒸发法、Na2CO3法和NaF法的原理以及计算公式，列出实验所需的药品及仪器，得出了实验结果。

结论：（１）由于平４井卤水中Ca2+,Mg2+含量偏高，直接蒸发称量时，一方面由于干燥后生成的CaCl2、MgCl2等盐类具有强烈的吸湿作用因而在实验过程中难以恒重。另一方面在干燥过程中，生成了部分带结晶水的硫酸盐和氯化物（如CaSO4· 2H2O、MgSO4· 3H2O、MgCl2·6H2O 等），这些盐中的结晶水很难除去，这就导致测量结果偏高。而加入Na2CO3或NaF与卤水一同蒸干，便避免了生成吸湿性盐类和难除去结晶水的盐类。Na2CO3法因碳酸盐在烘干时受热分解而使结果偏低，NaF法不仅避免了结晶水的影响，也避免了热分解作用，所以NaF法是一种更合理的方法。

(2)各样品卤液的矿化度略有不同，这是由于这些水样是在发生盐堵之后重新解堵开井后取得的，1#样的取样时间最早，井内原来沉积的盐粒被卤液逐渐冲洗携带出来，造成卤液中总盐偏高这一假象。随着排卤量的增加，总盐最终趋于稳定。

2.3水样中铁含量的测定

由于卤水对设备和管线的腐蚀很严重，本文中测定了铁含量。论文中介绍了测定铁含量所用的实验方法、药品和仪器以及试剂的配制和实验操作步骤，并对试验结果进行了分析。

2.4温度对卤水溶解度的影响

用直接蒸发法、Na2CO3法和NaF法测定1号至4号卤盐的溶解度随着温度的变化情况，进一步论证NaF法的合理可靠性，并得出实验结果，我们将其绘制成一系列图表, 经过对实验数据的分析，得出如下结论：

(1)温度对卤盐溶解度的影响很大。当温度从20℃上升到100℃时，纯NaCl晶体在水中的溶

解度只增加了5g/100gH2O左右，而样品卤盐的溶解度增加了约10g/100gH2O,表明卤盐中除NaCl 外，还含有较多K+,Ca2+,Mg2+等。

(2)随温度的增加，卤盐的溶解度增高。在20℃～50℃时，其上升趋势缓慢，大于50℃后，上升幅度较大。

2.4压力和气体的提浓（或脱气）作用对溶解度的影响

为进行此项实验，自行设计并加工了一套高压装置。本节中说明了此高压装置的设计原理以及具体操作，并附上详细的示意图。实验压力由20atm至120atm。

对实验结果加以分析，得出如下结论：

(1)压力因素对卤盐的溶解度很小，几乎可以忽略；

(2)由于卤水中含有溶解气，因而在压力降低时由于溶解气的逸出而发生的提浓作用对卤水溶解度的变化有较多影响，尤其是在压力较高的情况下，这种提浓作用显得更为明显。

3 防垢剂的合成与性能研究

3.1 常用防垢剂及作用机理

化学防垢是油田最为常用的抑制和减缓垢的一项工艺技术，为了防止结垢，地面流程，油井和注水钻需连续或间歇地向系统中投加防垢剂。本节综述国内目前常用的防垢剂，并对其作用机理作简单的分析。通过这方面的介绍，以便更好地了解防垢剂的结构与性能，并在油田生产中得到正确的选择与使用。

3.2 合成防垢剂的分子设计

聚丙烯酸无毒，不污染环境，防垢率较高，是目前使用广泛的一种防垢剂。但它存在高温、高pH值、高Ca2+含量防垢效力变差的缺点。我们引入甲基丙烯酸和丙烯酰胺两种单体与丙烯酸进行三元共聚，使防垢剂在各方面的性能得到了改善，防垢剂的可能分子式：

CH3

[CH2 － CH ]x [ CH2－ C H]y [ CH2－ CH ]z

COOH CONH2 COOH

3.5 合成防垢剂的可行性分析

本节采用三元自由基共聚合。由于多元共聚中，体系内不同单体各自的竞聚率不同，时常有单体易均聚而难以共聚，或能共聚难以均聚的情况发生，因此本文首先对三元共聚物共聚可行性分析，估算自各竞聚率，拟定聚合实施方法，以确保共聚成功。

3.6防垢剂的合成

以丙烯酸(AA),甲基丙烯酸（MAA）,丙烯酰胺（AM）为原料，以氧化－还原引发体系(过硫酸铵－亚硫酸钠)为引发剂，采用水溶液聚合合成防垢剂。本节介绍了实验药品及仪器和操作步骤，并介绍了聚合物分子参数的测定方法。

确定了合成方案后，采用正交试验进行实验，合成了九个产品。分析了反应条件对产品分子量的影响。

3.7 分子结构表征

为了验证合成产品的分子结构符合当初的分子设计，进行了产品的红外光谱分析,证明产品具备所需功能团，验证了合成的可行性。

4 防垢剂性能评价

本章对合成的九个产品对CaSO4和CaCO3垢的防垢性能进行了一系列性能评价，内容包括：成垢体系离子浓度、体系温度、防垢剂用量和体系平衡时间对防垢率的影响。得出有关产品性能的结论：

(1)随着体系成垢离子浓度的增加，防垢率下降；

(2)随着体系温度的增加，防垢率下降；

(3)随着体系防垢剂用量的增加，防垢率增加；

(4)随着体系放置时间的增加，防垢率下降。

(5)分子量低的防垢剂产品，防垢率较高。

(6) 防垢剂对CaSO4体系的防垢效果，比对CaCO3体系的好。