李 立 东
(大庆油田有限责任公司 第三采油厂, 黑龙江 大庆 163113)
摘 要:针对弱碱三元注入端碱配制池、注入泵、地面管线等部位出现的结垢现象, 通过室内实验的垢样分析,对其组分有了较清晰的认识。同时根据结果在现场试验应用了合金电化学 、变频电磁以及量子通环等的物理防垢技术 。对 SY-R型化学防垢剂进行的室内实验结果表明,该防垢剂具有良好的防垢性能。
关键词:弱碱三元 ;结垢;机理 ;防垢
为了进一步提高采收率, 在大庆长垣萨北开发区的北三区西部开展了弱碱三元复合驱 (Na2 CO3 、 表活剂、 聚合物)试验 , 面积 3.58 km2 , 采用 250 m×250 m五点法面积井网 , 平均注入压力为 10.8 MPa,注入压力比水驱结束时上升了 2.08 MPa。试验区葡I1-4砂岩组分布的剩余油是三元复合驱挖潜的主要对象[ 1] 。随着弱碱三元开发时间的增加 , 在注入过程中大量的垢沉积在碱液配制罐、液碱储罐、过滤器的滤网 、注入泵、地面注入管线等设施内部[ 2] 。由于结垢情况的存在 ,过滤器、注入泵阀组每 1 ～ 2月就要更换一次, 注入泵也经常因结垢而停机 , 注入管线内径缩小 ,注入压力增大 ,影响了液体的流通 , 出现了弱碱三元复合驱注入难的现象,降低了注入时率 ,影响了油藏开发效果,因此开展了弱碱三元注入端结垢机理研究。
1 弱碱三元的结垢机理
1.1 垢组分分析
从结垢物的外观看, 主要为乳白色片状或粉粒状堆积物 , 有较大强度 , 不易剥离, 因此分别对现场不同部位的结垢物进行了取样分析。
1.1.1 化学分析
参照行业标准 SY/T0600-1997 《油田水结垢趋势预测》 进行垢样分析的数据见表 1。
1.1.2 x-衍射分析
选取注入站典型垢样后, 采用 x-衍射仪对垢样的晶型分析结果见图 1。从垢样的 x-衍射图和标准碳酸钙的 x-衍射图一致可见 , 垢的主要成分为碳酸钙 。
1.2 结垢机理
垢的形成过程可以简单表示为:水溶液※过饱和※晶体析出 ※晶体生长 ※结垢 。在现场的注入系统中 , 一旦在设备表面生成底层垢, 对新的晶核粘附力很强, 很容易继续积垢而产生次生垢 。若设备内壁粗糙 , 加大了沉淀面积, 则加速垢的形成[ 2] 。
结垢主要受 3种因素影响:
(1)温度、 压力、 离子组成等热力学条件的改变导致垢的溶解度降低, 造成水溶液过饱和而产生沉淀 , 形成垢 。
(2)离子组成不相溶的水相互混合, 引起水溶液过饱和而产生沉淀 , 形成垢 。
(3)由于流体内部、 流体与管道内壁摩擦引起垢的生成。
2 三元体系成垢因素分析
为了分析三元体系中不同成分对结垢的影响, 对注入端不同部位进行了取样分析, 从中可见地面注入系统中的离子变化状况 (表 2)。
在整个 注入系统 中, Na2CO3 提供 了 大量 的 CO2 -3 , 而 Ca2 +主要来源于配制三元液用的清水和污 水 。从图 2可以看出 , Ca2 +主要来源于配制碱液、 表 活剂所使用的污水以及配制聚合物使用的清水 。在配 制碱液时, 碱体系提供了充足的 CO2 -3 , 同时污水为 其提供了相对较少量的 Ca2 +, 经过充分的混合反应, 大量的 CaCO3 析出结垢, 最终在碱罐内达到平衡状 态 。同时, 在聚合物配制 、 表活剂配制过程中 , 由于 没有碱的介入, Ca2 +仍处于游离状态, 因此单项体系 基本不结垢 。当 3种溶液在三元混配器内相遇后, 碱 液中的 CO2 -3 与其它体系中的 Ca2 +再度接触而结垢 。
在室内实验和现场取样结果分析研究中得出：
(1)聚合物在垢形成中的作用 在实际生产中 , 单一聚合物体系没有垢的生成。 聚合物溶液中大分子对钙离子及固体微粒具有一定的 悬浮能力和携带能力 , 只有在粗造界面的高速磨擦下 垢质才能在粗造界面沉积而形成垢。
(2)表面活性剂在成垢中的作用 在实际生产中 , 单一表活剂体系没有垢的生成, 室内实验也未发现垢的生成。研究表明, 因为表面活 性剂对成垢阳离子表面有改性作用, 使得阳离子和阴 离子难以积聚成垢。 (3)碳酸根在成垢中的作用 在实际生产中配置碱的浓度为 0.8%, 该浓度下 体系中的碳酸根超过 4 500 mg/L, 体系中成垢阳离子 不足 4.0 mg/L。因此在配制碱液的过程中 , 体系中 的成垢阳离子基本转化为固体微粒, 大部分在配制及 熟化过程中沉积, 少部分悬浮在碱液中进入注入体 系 。
3 几种防垢措施的防垢性能
3.1 物理防垢技术
3.1.1 合金防垢器
合金防垢器是由含有铜、 镍、 锌等多种不同金属 元素组成的合金体, 这些金属可以形成一种特殊的电 化学催化剂 。由于合金体所包含的电负性比溶液中的 离子低 , 当液体流经合金体时会改变流体的静电位而 产生极化效应, 发生电化学反应使矿物质呈悬浮状态 阻止垢粒子的形成, 从而达到防垢目的。安装合金电化学防垢器后 , 注入泵阀的更换时间由原来的 32 d 延长至 86 d。
3.1.2 电磁 +电场防垢器
电磁 +电场防垢的技术原理是装置能够产生与水 自然频率相同的变频信号 , 引起水分子共振, 使水分 子团变成单个的带有极性的水分子[ 3] 。通过电极及 电场作用, 使极性水分子按正负极顺序呈链状整齐排 列 , 使碳酸根离子和金属离子不能自由结合, 不易靠 近器壁而减缓垢的生成, 并且产生活性氧破坏垢分子 间的电子结合力 , 使垢质疏松 、 脱落, 达到除垢目 的 。共计安装 5套 , 注入泵阀的平均更换时间由原来 的 32 d延长至 126 d。经化验分析 , 应用的物理防垢 装置对三元注入液的性能没有影响。
3.1.3 量子管通环防垢装置
量子管通环是由特种信息记忆材料合成, 在安装 于管道上时 , 内部储存的超精细微振波即开始释放, 透过管壁穿入水中, 使水的活性加强 , 水中的钙、 铁 等物质的物理特性发生改变, 从而实现防垢、 防腐和 清垢的目的 , 安装量子管通环防垢器 1套 , 注入泵阀 的更换时间延长至 75 d。
3.1.4 涂层防垢
涂层防垢的主要方法是在金属表面涂上疏水物 质 , 具有表面能低、 摩擦因数低、 摩擦因数稳定, 使 形成的垢质不易在管壁上附着[ 4] 。
为了评价表面涂层技术防垢、 防腐性能, 选择环 氧树脂粉末、 纳米环氧树脂 、 PE、 聚四氟乙烯 、 硅 树脂 5种涂层与不锈钢材料进行挂片对比实验, 将 6 种挂片浸泡于注入站碱配制池中, 通过分析挂片前后 重量变化及表面光洁度等情况对比涂层综合性能。 180 d后将挂片取出, 并进行了称重比较 (表 3)。通 过对不同材料的性能进行对比 、 优选 , 采取了 PE材 料对阀组进行镀层, 但在现场应用后发现受阀组高频 运动的影响 , 仅 15 d镀层即损坏脱落导致泵漏失 。
3.2 化学防垢
3.2.1 防垢机理
(1)晶格畸变 垢的微晶成长按照一定的晶格排列, 结晶致密而 坚硬。加入阻垢剂后 , 阻垢剂吸附在晶体上并掺杂在 晶格的点阵中, 对无机垢的结晶形成了干扰, 使晶体 发生畸变, 迫使大晶体内部的应力增大, 从而使晶体 易于破裂, 阻碍了垢的生长。
(2)阙值效应[ 5] 微晶表面的活性增长点数是有限的。当某个活性 增长点被防垢剂分子覆盖时, 将使该活性增长点周围 的晶格点发生位错, 从而抑制结晶生长 (图 3)。
(3)静电斥力作用
防垢剂的链状结构可吸附多个相同电荷的微晶, 静电斥力可阻止微晶相互碰撞 , 从而避免了大晶体的 形成。在吸附产物碰到其它阻垢剂分子时 , 可以将已 吸附的晶体转移过去 , 出现晶粒均匀分散的现象, 从 而阻碍了晶粒间和晶粒与金属表面的碰撞 , 减少了溶 液中的晶核数, 将垢晶稳定在溶液中 。 3.2.2 SY-R型弱碱三元防垢剂性能测试
(1)防垢剂与弱碱三元体系配伍性
采用中华人民共和国石油天然气行业的相关标 准 , pH值为 12 ～ 13, 对 SY-R型弱碱三元防垢剂的 性能进行测试的结果见表 4。
(2)防垢率的检测试验
配制 20 mg/L可溶性钙离子溶液 180 mL, 分为 3份配制成 1 号液 (含一定浓度可溶性钙离子液 )、 2 号液 (在含一定浓度可溶性钙离子液中加入 8%的 20 mL的 Na2 CO3)、 3号液 (含一定浓度可溶性钙离子, 先加入 一定 量防 垢剂 , 再加 入 8%的 20 mL的 Na2 CO3), 将其分别以 50 ℃、 70 ℃恒温 24 h, 取出 冷却到室温时过滤, 移取滤液 10 mL于滴定瓶内调 pH值为 12 ～ 13, 加入少量钙指示剂后用 EDTA溶液 滴定至终点 (红色变为亮蓝色)时记下消耗 EDTA 的体积 , 其他参照油田防垢剂测试标准 Q/SY0830- 2002。从表 5的结果可以看出 , 在加入防垢剂后的 3 号液中 , Ca2 +离子基本未与 CO2 -3 离子发生反应形成 垢 , 且与 1号液消耗的 EDTA体积相同 。
4 结 论
(1)弱碱三元注入端垢的主要成分为碳酸钙, 含量超过 88.0%, 其余为有机物、 碳酸镁等 。
(2)紊流使水质点相互碰撞 , 沉淀晶体凝聚加剧 , 成垢晶核快速形成, 加速垢的形成, 是导致注入泵阀组更换时间短的重要原因 。
(3)电磁防垢技术对于三元注入液在短时间内具有抑制结垢作用, 可安装于泵前, 保护泵凡尔, 减缓部分管线及部件的结垢速率 。具有较低浸湿角的高分子材料不宜应用于运动部件 , 可用于弱碱三元液管道内的涂镀 , 延缓管道结垢速率。
(4)化学防垢可以解决注入系统、 地层 、 采出系统全过程防垢 , 且与表活剂 、 聚合物配伍性好, 是弱碱三元复合驱首选的防垢技术。
参考文献:
[ 1] 程杰成, 廖广志, 杨振宇, 等 .大庆油田三元复合驱矿场试验综 述 [ J] .大庆石油地质与开发, 2001, 20 (2):46-49.
[ 2] 陈仕宇, 刘安芳, 孙雪娜, 等 .弱碱三元复合驱结垢分析及除防 垢技术研究 [ J] .大庆石油地质与开发 , 2006, 25 (1):42- 44.
[ 3] 黄征青, 鲁国彬 .电磁处理防垢的研究与应用展望 [ J] .工业 用水与废水, 2003.
[ 4] 韩文静, 孟庆武, 刘丽双 .油田金属防垢涂层的研究进展 [ J] . 中国涂料, 2008, 23 (2):54-57.
[ 5] 苏连江, 陈新萍, 李卫宏, 等 .三元复合驱弱碱体系防垢剂的研 究 [ J] .哈尔滨师范大学自然科学学报, 2003. 编辑:宋玉梅
注：
1.文章转载自《大庆石油地质与开发》2008年 8月；
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附：量子管通环，工业应用案例照片
