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油井出水 结垢成灾 告诉你一种高效的防垢方法

油井出水 结垢成灾 告诉你一种免清垢的方法

在油气行业的世界中,结垢实在是泛滥成灾。结垢是多种不同因素共同作用的结果,如盐水、溶解固体、压力和温度。这些因素共同作用产生沉淀(尤其在不相容的水环境中),这些沉淀会在环境表面附着,堵塞通道,给开采和炼化带来了诸多难题。石油圈原创www.oilsns.com

对一口井来说,结垢很有可能导致其在一天之内产量从高处跌至零。北海Miller油田就有这样一个典型的例子。该油田中的一口井在24小时内,从近30000桶/天的产量跌到零。这口井的减产原因就是混合水体的结垢。

通常采用的物理方法,如钻井(磨铣)、水力喷射、化学溶解等,可以在水垢产生后即刻对其进行清除。但是这些都是被动的除垢方法,并且花费也比较昂贵。在某些案例中,物理清除的效果并不如人愿,甚至会产生对清除方法免疫的系统。

事实上,有时候人们发现,当进行了物理清洗后,结垢的趋势反而更加明显了。其中一个原因就是在进行物理处理后,所处理对象的表面变得更加粗糙了,而粗糙的表面为水垢的附着和生长提供了更多的空间。石油圈原创www.oilsns.com

在一口井的生命周期中,采用预防性化学处理结垢所需的费用,跟进行一次清洗和重新安装设备的费用是一样的。两种方法的不同之处,主要体现在停工期时间的长短上。清洗所需的停工时间是非常长的,如果生产商将由于停工造成的损失也考虑在内的话,那么能够主动阻垢的化学治理方法则是更好的选择。

油井出水 结垢成灾 告诉你一种免清垢的方法

预防井底结垢,可以保证储层流体流动的畅通性,实现每口井投资回报的最大化。所结的垢中,钙和钡通常以阳离子的形式存在,而碳酸盐和硫酸盐通常以阴离子的形式存在(见上表)。

很多井中结有多种类型的垢,例如碳酸钙和硫酸钙。在这些井中,更适合采用钙耐受性较好的抑制剂,而不是为这两种垢分别设计不同的抑制剂。目前,关于结垢地层的热力学和动力学性质都已经被研究得相当透彻,但是各类机构组织并没有停下试验的脚步,他们希望能够找到更好更便宜的方法来处理这些水垢。石油圈原创www.oilsns.com

长效预防结垢

有时候人们会简单的认为,预防结垢就是阻止垢的生成。但事实上却并非这么简单。在油气从地下运移至炼化厂的整个过程中,每个地方都需要进行结垢防治工作。对于如何防止结垢,有以下两个被人们广为接受的机理。

第一个是阈值抑制机理。该机理是在水垢成核之前,对其结簇过程进行扰乱。成核,即状态改变的物理过程(这里是从液体到固体),是结晶和水垢生长的前提条件。而粗糙不平的表面则会增加成核区域,这也是为什么物理除垢可能会加快井中水垢生长速度。

基于该原理的阻垢剂,例如膦酸盐和低分子量的聚合物,可以阻止晶核化的发生。膦酸盐可以与结垢离子产生强烈的化学反应,因此,我们认为它是一种有效的螯合添加剂。这种化学反应是比较理想的,但是一旦阻垢剂参与反应,就会开始逐渐消耗。尽管膦酸盐对于预防结垢非常有效,但是也有着自己的缺陷,特别是在高温条件下其表现则相当差,这主要是因为膦酸盐在高温下会发生降解。

此外,一些化学成分(如铁离子),会导致阈值抑制剂的失效。与钙、钡、锶等离子相比,铁离子对抑制剂的吸引力则更强,铁离子和抑制剂的螯合作用会造成抑制剂的严重失效。

第二个防垢的机理是阻止晶体生长。基于该原理的阻垢剂通常也有阈值抑制的作用。与阈值抑制不同的是,在已经形成晶体的情况下,阻垢剂仍然可以继续发挥作用,预防结垢。它们可以阻止晶体表面的生长作用,使晶格发生扭曲,从而防止进一步的附着,将晶体的体积保持在一个较小的范围内。

聚合物的化学反应

想要使晶格发生扭曲,膦酸盐分子还不够大,这主要是因为膦酸盐的分子质量要小于晶体。我们可以想象一下,假设路面上有一个坑,我们只用一铲子泥来填,那么这个坑会被过往的车辆越撞越大。但是如果我们用水泥来填这样一个坑,那么坑的形状就改变了,问题也就解决了。在扭曲结垢晶体结构这一事情上,膦酸盐就像是泥,而聚合物分子就像是水泥。

油井出水 结垢成灾 告诉你一种免清垢的方法

聚合物分子,例如羧基酸和马来酸的衍生聚合物,可以很好地发挥出上述两种机理。它们具有更优异的热力学稳定性,对铁离子的耐受性也更好。与膦酸盐相比,聚合物与其他常用的添加剂之间具有更好的兼容性。上图所示为聚合物和膦酸盐在阈值抑制试验中的对比。下图则显示了在管道堵塞试验中聚合物阻垢的出色表现。石油圈原创www.oilsns.com

油井出水 结垢成灾 告诉你一种免清垢的方法

由上图可以看出,在管道堵塞试验中,不到两小时的时间,浓度为百万分之十的膦酸盐就失效了。而聚合物(PCA)的作用时长却轻松的超过了该时间。结垢进行30分钟后,加入化学剂阻止其生长。从转折点开始,120分钟内的压力只增加了不到1psi,表明聚合物成功的阻止了垢的生长。

此外,聚合物还具有更宽的作用范围。例如,聚羧酸(PCA)聚合物是钙的有效抑制剂。但是,结垢的组份很少是单一的,通常还会存在一定量的重晶石。如果重晶石的数量不大,那么PCA的宽泛的作用范围就可以发挥作用,即同时对重晶石进行抑制。

优先选择防护系统

如果客户只着眼于短期利益,那么很可能会发生结垢,并会给从井筒到地面的接头配件、联结器和管道系统等整个系统造成各种问题。事实上,在压力和温度都较小的地面区域,也需要与井一样,对结垢进行防护。因为从井底到地面条件的变化,会增加结垢的风险。

对结垢采用预防性、前瞻性的防护措施,可以降低总的费用,形成一个更加可靠的、可以预测的防护系统。考虑到在整个油气开采运输过程中,每个环节都可能发生结垢,那么采用高质量的聚合物来减轻结垢,确实不失为一种行之有效的方法。

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