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大庆头台油田油井结垢原因分析及防垢技术应用

文档作者：荆国林张艳利叶萍文档来源：东北石油大学化学化工学院石油与天然气化工省高校重点实验室		点击数：	更新时间： 2021年08月13日
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第37卷第4期
2016年8月
能源化工
E聊呦，Ckm姚2删w￡形
VolI 37 No．4
Aug．，2016
大庆头台油田油井结垢原因分析及防垢技术应用
荆国林，张艳利，叶萍
(东北石油大学化学化工学院石油与天然气化工省高校重点实验室，黑龙江大庆163318)
摘要：随着油田的深度开采，油井管壁的结垢问题日渐突出。针对头台油田的结垢现状，选取了茂区
块10口典型油井，通过电镜能谱试验和x一衍射试验，分析出结垢样品所含元素及晶体类型；同时结合化
学分析手段最终分析出结垢组分。通过对油井采出水成分进行分析，总结出结垢机理。最终得出结论：大
庆头台油田茂区主要结垢类型是碳酸钙垢，其次是硫化亚铁，结垢样品中含水率较少，有机物含量低。结
垢的主要原因是注水中含有大量的结垢离子，同时在开采过程中温度、压力、pH值、溶解氧等因素的变化
导致碳酸钙和铁的化合物垢的形成。在试验室进行了阻垢研究，采用ATMP阻垢剂，阻垢率达到98％。
关键词：油井结垢碳酸钙垢结垢机理阻垢剂
中图分类号：TE358+．5 文献标识码：A 文章编号：2095—9834(2016)04—0089一04
Analysis of scaling causes in oil well in Daqing Oilfield and
application of scale preVention technology
朋VG G∞h，Z黝^临地砘，yE只昭
(Provincial Key Labomtory of Oil＆Gas Chemical Technology，C01lege of Chemistry&amp;amp;
Chemical En百neering，Nonheast Petroleum University，Daqing 163318，China)
Abstract：Along with the deep exploitation of oil 6eld，the problems of oil well pipe wall scaling have become increasingly pmminent．
In view of the present situation of scaling of’routai o订field，selecting tIle Mao block 10 typical weⅡs as ex锄ples，tIle scaling
samples contained elements and crystal type are analyzed by electmn microscope energy spectmm and XRD test．The scale components
are also dete珊ined by chemical analysis．The scaling mechanism is summ撕zed by means of analyzing山e components of oil weU produced
water．The results show tIlat the main scaling type of Daqing 7I'outai oilfield Mao area is calcium carbonate scale，and in the second
place is iron monosumde．The scale sample has slight coment of water and organic compounds．The primary cause of scaling is that
the injecting water contents large qualltities of scaling ions，and the scale of calcium carbonate aIld iron compounds is fo珊ed due to the
chaIlges of temperature，pressure，pH value，dissolved oxygen in the exploitation pmcess．The scale inhibition study is carried out in
experiment，and the scale inhibition rate can reach up to 98％by using ATMP aLs scale inhibitor．
Kq7 words：oil well scale；caleium carbonate scale；scaling mechanism；scale inhibitor
油井结垢是制约油田生产的主要因素，不仅对
产层造成无机伤害降低产能，还使油井维护作业频
次增加，造成原油生产成本上升¨J。根据大庆朝阳
沟油田2007年的统计数据可知，该地区结垢井700
多口，占总井数的30％以上，并且每年大约增加100
口结垢井；平均检泵周期300余天，在所有检泵井中
约有30％是由于结垢而导致的油水井检泵旧J。大
庆杏六区东部块自2009年进行三元复合驱采油后，
油井井筒及采油设备中都出现结垢问题，平均检泵
周期缩短至180天”J。榆树林油田的注采设备中均
有结垢问题，该区块主要是碳酸钙垢。研究表明，
结垢主要发生在井筒周围4 m以内，该区域的结垢
量占地层总结垢量的79．2％Hj。所以解决油井结
垢问题迫在眉睫。因头台油田油井出现了严重结
垢现象，所以对头台油田茂区块采出水结垢趋势和
垢样组成成分进行分析，明确油井结垢的主要原
因，并研究相应的技术措施。
收稿日期：2016—02—22。
作者简介：荆国林(1969一)，男，辽宁建平人，博士，教授，主要从事
环境工程教学科研工作。E—mail：j91)【ueshu@yea}1．net。
+基金项目：东北石油大学培育基金项目资助(xN2014115)；东北
石油大学研究生创新科研项目资助(YJSCx2015一叭8NEPu)。
万方数据
·90· 能源化工2016年第37卷第4期
1 油井结垢情况调查分析
1．1油井生产情况
近年来，由于含水上升，头台地区油井结垢越
来越严重。近期调查，头台油田茂区部分油井出现
结垢现象。表1是部分结垢严重井的生产情况。由
表1可见：结垢严重油井存在含水高的特点，表1中
10口油井平均含水质量分数达到40％以上，其中
MJ8一S101号井含水率高达99．9％。
表1部分结垢严重井的生产情况
1．2油井管道结垢样品分析
选取头台油田的油井垢样进行分析，采用扫描电
镜能谱、x一衍射光谱仪进行检测。扫描电镜能谱图
可确定结垢样品中所含元素(见图1和表2)；xRD检
测可判断出结垢样品中的物质晶型(见图2)。
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1l 12
能量／kr、
图l M19卜143油井结垢样能谱分析图
表2 M19卜143油井结垢样电子能谱元素分析结果
元素名称质量分数，％
C
0
Si
S
Ca
Fe
8．03
51．19
0．16
7．03
19．38
14．21
由图1可见：结垢样品中含有钙元素、氧元素、
硫元素、铁元素等。由表2可见：氧元素所占比例最
高，为51．19％；其次是钙元素，为19．38％；铁元素、
碳元素、硫元素的质量分数分别为14．21％，8．03％，
7．03％；最少的是Si元素，为0．16％。
～ ‰j(：8097C0l
PDF#M168一S152
IJ』Jl
10 20 30 4() 50 60 70 80
2酬(。)
图2 M168一S152油井结垢样品x一衍射图谱
由图2可见：根据峰值PDF(05—0586)卡片比
对，2口角在29．505。、35．9430、39．257。、43．08。处
出现峰的都显示为碳酸钙，故油田垢样主要由
cac03、MgC03的混合氧化物组成，主要以caCO，
为主。
同时对结垢样品进行了化学分析，钙镁离子
的测定方法选用EDTA络合滴定法，铁离子采用
分光光度法测定。综合化学分析和仪器分析的试
验数据，最终得到结垢样品的成分分析结果，见
表3。
表3结垢样品质量分析结果，．，。％
万方数据
荆国林等大庆头台油田油井结垢原因分析及防垢技术应用·9l·
由表3可见：碳酸钙所占百分比最多，平均碳酸
钙质量分数高达61．27％，M193一s165号油井结垢
样品中碳酸钙的质量分数高达82．62％。由此可知
结垢样品中的主要成分是碳酸钙，其次是硫化亚
铁，三氧化二铁含量较少，结垢样品中含水率较少，
有机物含量低。
2结垢原因分析及措施研究
2．1采出水分析
根据中华人民共和国石油天然气行业标准SY／
T 5523—2006《油田水分析方法》，对采出水水样进
行了分析，结果见表4。
表4采出水水样分析
由表4可见：采出水pH值为8，呈碱性；水中含
有结垢离子Ca2+、M92+、CO，2、HcO，一等，还含有大量
的氯离子，质量浓度达968．23 mg／L，说明采出水矿
化度较高。根据表4，可以对结垢趋势进行预测。
结垢趋势预测的方法主要采用饱和指数(田)法[5]。
公式如下：
5，=pH—pHs=pH一(K+pCa+pAlK)(1)
式中：S，二一结垢指数；
pH——系统中实际pH值；
pHs——系统中CaCO，达到饱和时的pH值； 卜修正系数，为含盐量、水组成和温度的
函数，由离子强度与水温度关系曲线
查得；
pCa——Ca2+离子浓度的负对数；
pAlK——总碱度的负对数。
按照式(1)计算出饱和指数值s，。根据计算所
得肼值判断结垢与否的标准是：研<0表示水中
CaCO，未达到饱和，因此不结垢；．s，=0表示处于结
垢溶解的动态平衡，流体器壁体系保持不结垢的稳
定状态；s，>0表示有结垢趋势。研值越大，表示结
垢趋势越强。由于该方法为一般经验式，方便简
单，故应用较为广泛。
根据采出水分析数据，运用饱和指数(研)法预
测结垢趋势，通过计算得出S，=4．41>0，说明采出水
有结垢趋势，且结碳酸钙垢的趋势较大。
2．2从CO：分压的角度分析
油井垢样中的碳酸氢钙和碳酸钙存在可逆变
化，反应平衡方程式如下。
Ca(HC03)2 F兰cac03 l+C02 T+H20
由上述反应式可见：当cO：分压增加时平衡反
应式会向左自发进行，CaCO，逐渐溶解，生成可溶性
的钙离子和碳酸氢根；当cO：分压降低时，平衡反应
式会向右自发进行，生成难溶的CaCO，。这些碳酸
钙附着在管道或设备表面，经过长时间聚集沉降而
成垢。由此可见，油井中CO：分压对碳酸钙垢的生
成有直接影响。
由于管径、温度的变化导致压力下降，在开采过
程中，油井井筒压力变低，产生液脱气，二氧化碳分压
降低，使反应平衡向右进行，从而引起油井井筒结垢。
2．3铁化合物结垢原因分析
CO：溶解于水中，形成碳酸根，导致水体pH值
降低，这会导致管道易受到腐蚀。同时水体中可能
含有铁细菌、硫酸盐还原菌和硫细菌，促进了铁的
化合物垢的形成。硫酸盐还原菌可以附着在管道
表面，使水中的硫酸根氧化吸收氢离子，产生大量
的S一，从而导致了硫化亚铁垢的形成。反应方程式
如下。
4Fe+so；一+4H20—}Fes+3Fe(oH)2+20H一
如表3所示，油井垢中铁的化合物质量分数高
达37％，可见管道腐蚀也是导致结垢的原因之一。
万方数据
·92· 能源化工2016年第37卷第4期
2．4防垢措施研究
鉴于大庆油田油井结垢类型，应该采取投加高
效阻垢剂的方法，以此来控制油井结垢。针对油井
主要结碳酸钙垢，选取了膦酸类阻垢剂、膦酸盐类
阻垢剂及聚合物类阻垢剂进行研究。依照油田标
准Q／sY DQ 0830一2002《缓蚀防垢剂产品验收和使
用效果检验指标及方法》进行试验。试验方法：在
250 mL锥形瓶中加入10 mL质量浓度50 m∥L的
碳酸钙溶液，再向锥形瓶中加入一定质量浓度的阻
垢剂，最后加入190 mL碱度为2 500 mg／L(以碳酸
钙计)的碳酸氢钠溶液；摇匀锥形瓶并放人70℃的
烘箱中，24 h后取出冷却至室温；过滤，取滤液
10 mL放人新的锥形瓶中，用EDTA法测定滤液中剩
余钙离子含量，从而计算阻垢剂的阻垢率。试验结
果见表5。
表5阻垢剂与阻垢率的关系
阻垢剂名称阻垢率，％
HEDP
HEDPNa．
HEDPNa。
HDTMPA
STrP
PAAS
ATMP
85．1
70．0
80．9
65．0
80．0
45．9
98．O
由表5可见：阻垢剂ATMP的阻垢效果最好，阻
垢率高达98％；其次是阻垢剂HEDP，阻垢率能达到
85．1％；阻垢剂HEDPNa4、HEDPNa2、HDTMPA和
SrrrP的阻垢效果也较好；PAAS阻垢剂的阻垢效果
较差，建议不采用。
3结论
1)对选取的结垢样品进行化学分析和仪器分
析，结果表明结垢样品中碳酸钙含量高，其次是硫
化亚铁、三氧化二铁。油井结垢的主要类型是碳酸
钙垢。
2)根据采出水的测定结果，预测油井结垢趋势
是结碳酸钙垢趋势大。结垢的主要原因是水中含
成垢离子多，随着采油过程温度、压力、pH值等各因
素改变，打破了碳酸钙化学平衡，导致在井筒及地
面管线等多部位结垢；其次，pH值、腐蚀细菌导致铁
的化合物垢生成，也是油井结垢的一个重要原因。
3)针对大庆头台油田油井结垢类型，选取投加
ATMP阻垢剂，药剂使用量在20 mg／L时阻垢率高
达98％。
参考文献
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2010 12．
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