J油田海管结垢研究毕业设计论文.docx

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J油田海管结垢研究毕业设计论文

本科毕业设计（论文）

题目

J油田海管结垢研究

学生姓名

贾韶刚

学　号

0901020220

教学院系

石油工程学院

专业年级

油气储运工程2009级

指导教师

贺三

职　称

副教授

单　　位

油气储运研究所

辅导教师

职称

单　　位

完成日期

2013

年

05

月

30

日

AThesisSubmittedfortheDegreeofBachelor

StudyonscalingofthesubseapipelineonJoilfield

Candidate：

JiaShaogang

Tutor：

HeSan

Dateoforalexamination：

30thMarth.2013

University：

SouthwestPetroleumUniversity

摘要

在油田上，结垢是一个很普遍的问题，在世界上各个油田普遍发生，给油田正常生产生活带来很大的危害，尤其制约了油田的生产和集输，增加了油田开采和维护成本，严重的甚至会使油井停产，从而造成严重的经济损失。

目前我国各主要油田已经进入了采油的中后期，且我我国各主要油田主要采用注水采油技术来提高原油采收率，但由于各油田条件不同，注水水质条件差，使得油田结垢问题非常严重。

目前仍未有较好的解决办法。

本文主要根据J油田提供的海管水质数据来对J油田海管结垢情况进行研究，查找相关文献了解分析结垢的具体机理以及对结垢的影响因素，以设计合适的实验室实验对该水样进行分析研究，通过实验室配置出相似水样，从水样的化学成分出发，结合相关文献，对该水样进行结垢趋势预测，再通过改变溶液温度与ph值来观察该油田水质结垢的变化情况，确定出其具体的结垢量，通过添加阻垢剂观察其阻垢效果，结合成本核算确定出一个较为适合J油田的阻垢防垢措施。

关键词：

油田；结垢；影响因素；试验；阻垢剂。

Abstract

Inthefield,thescalingisaverycommonproblem.Intheworld,Itswidespreadoccurrenceofeachfieldtofieldandtakegreatharmtothenormalproductionintheoilfieldlifeandespeciallyrestrictedtheoilproductionandtransportation.Italsoincreasedtheoilproductionandmaintenancecosts,andevencauseseriousoilshutdownresultinginseriouseconomiclosses.

AtpresentthemainoilfieldsinChinahaveenteredproductioninthelate，andthemajoroilfieldsinChinamainlyuseswaterinjectionandoilproductiontechnologytoenhanceoilrecovery.Butbecauseofthedifferentconditionsofthefields,thathavepoorwaterqualityconditions,theoilfoulingproblemisveryserious.Atpresentthereisnobettersolution.

OnthebasisofJoilprovidestheseawaterqualitydatatopipescalingofJoilfield.tofindtherelevantliteraturetounderstandspecificanalysisofthemechanismoffoulingandscalingfactorsofinfluence,inordertodesigntheappropriatelaboratorytestwatersamplesforanalysis。

Byconfiguringasimilarlaboratorywatersamples.FromthechemicalcompositionofwatersamplesandcombinedwithrelevantliteraturetomakethetrendforecastoftheWatersamples.Thenbychangingthetemperatureofthesolutionandphvalueofthefieldtoobservethechangesinwaterqualityscalinganddeterminethespecificamountofscale.Byaddingscaleinhibitorobserveitseffects,combinedwiththecostaccountingtodetermineamoreappropriatescaleJoilfieldscalecontrolmeasures.

Keywords:

Oilfield;Scaling;Influencefactors;Test;Scaleinh

1绪论1

1.1研究背景1

1.2结垢的形成机理1

1.2.1碳酸钙（镁）垢1

1.2.3硫酸钡（锶）垢结垢机理2

1.3结垢的影响因素3

1.3.1pH值对结垢的影响3

1.3.2压力对结垢的影响3

1.3.3流速对结垢的影响3

1.3.4温度对结垢的影响3

1.3.５盐含量对结垢的影响4

1.3.６润湿和粘附对结垢的影响4

1.4结垢的危害5

1.5目前油气田常用的除垢、防垢技术5

1.5.1国内外防垢技术发展5

1.5.2防垢剂的分类6

1.5.3目前油田常用的防垢剂7

1.5.4国内外常用的除垢技术7

2J油田水质数据分析8

3结垢趋势预测9

3.1碳酸钙结垢趋势预测9

3.2硫酸钙结垢趋势的预测10

3.3硫酸钡结垢趋势预测10

3.4硫酸锶结垢趋势预测11

4结垢实验研究11

4.1实验用药品及用量（mg/L）11

4.2实验装置12

4.3相关溶液的制备12

4.3.1氨水—氯化铵缓冲溶液的配置12

4.3.2EDTA标准溶液的制备13

4.3.3铬黑T指示剂的制备13

4.3.4氢氧化钠标准溶液的制备13

4.4实验步骤和实验内容14

4.5实验数据处理24

4.6实验结果分析24

5研究结论25

致谢25

参考文献26

1绪论

1.1研究背景

目前世界各国对能源的需求越来越高，对能源的关注度也逐渐提高，而随着我国工业现代化的发展，特别的是进入21世纪以来，我国经济的发展对能源的需求也是越来越大，能源的重要性异常凸显。

作为当今世界主要能源的石油也备受关注，能源战略已经成为一个国家后续发展的重要的战略要求。

在能源开采尤其是石油开采中，考虑到石油资源的不可再生性和开采的经效问题，对石油的开采提出了更高的技术要求。

目前我国各主要油田主要采用注水采油的方法来提高油田的采油率，平均每生产一吨的原油就需要消耗2吨～3吨的水[1]，使得采出的原油具有较高的含水率，既增加了原油处理的困难程度也加剧了原油集输过程中的结垢问题，使得原油开采的成本逐渐加大。

同时我国的各个主要油田已经进入了采油的中后期，使得注水条件更加的恶劣，注入的水质中含有较高的硫酸盐、氧化还原菌等物质，导致结垢问题更加的严重。

这成为影响我国油田开发以及油气传输技术发展中的一大瓶颈问题。

1.2结垢的形成机理

垢的种类很多，从成垢机理方面可以将其分成结晶垢、颗粒垢、化学反应垢、腐蚀垢、生物垢和凝固垢等几类[2]。

而其中结晶垢是最常见的结垢方式，也是本文考虑的重点。

水溶液中的一些溶解的无机盐类在一些特殊的条件下因为过饱和而结晶析出，并逐渐的沉积在管道以及仪器的内表面所致，通常我们也称之为水垢。

这类垢的质地非常坚硬密实，能够牢固地粘在金属表面上，其主要包括碳酸钙垢、硫酸钙垢、碳酸镁垢等等多种类型。

1.2.1碳酸钙（镁）垢

在自然界中CaCO3存在的形式可以分为以下六种：

即无定形的CaCO3（ACC）、六水合CaCO3、一水合CaCO3、六方碳钙石、文石和方解石等，而后三种的晶型是属于同质异象晶型，且在一定的条件下该三种晶型是可以相互转化的[3]。

CaCO3的溶解度特性不同于其他的垢盐，其是随着温度的升高而逐渐降低的，MgCO3也具有此种特性。

它的各种晶型的溶度积（pKsp）与温度（t或T）的关系如下式（1.1）～（1.5）所示。

式中的t为摄氏温度（℃），T为绝对温度（K）。

CaCO3：

pKsp=7.119+0.011756t+0.000075556t2（1.1）

文石：

pKsp=171.9773+0.077993T-2903.293/T-71.595logT（1.2）

六方碳钙石：

pKsp=172.1295+0.077993T-3094.688/T-71.595logT（1.3）

一水合CaCO3：

pKsp=7.050+0.000159t2（1.2）

方解石：

pKsp=171.9065+0.077993T-2839.319/T-71.595logT（1.5）

在碳酸钙的上述各种晶型里边，方解石晶型是溶解度最小的一种，故所生成的碳酸钙垢的主要的存在形式就是方解石。

碳酸钙垢生成的反应式如下所示：

Ca2++CO32-→CaCO3↓（1.6）

Ca（HCO3）2→CaCO3↓+H2O+CO2↑（1.7）

Ca（HCO3）2+OH-→CaCO3↓+2H2O+CO2↑（1.8）

当水质中含有较多的Ca2+与CO32-时将会形成如上述（1.6）式所示的沉淀反应，而当水质中含有较多Ca2+和HCO3-离子时侯将会形成如上述（1.7）式所示的沉淀反应。

当水质的pH值较高并且含有较多的Ca2+离子和HCO3-离子时，将会发生如上述（1.8）式所示的沉淀反应。

因此碳酸钙垢的形成是随着外界的条件的变化而变化的，由J油田所给出的水质数据不难看出其海管结垢形成的碳酸钙垢主要是反应式（1.8）生成的。

碳酸镁垢的形成机理是和碳酸钙垢的形成机理基本相同的，并且由于碳酸钙垢和碳酸镁垢的结晶致密且坚硬，因此又被称作硬垢。

1.2.2硫酸钙垢结垢机理

硫酸钙晶体的形态有以下三种：

CaSO4•H2O、CaSO4和CaSO4•2H2O（石膏），在上述的三种形态中，石膏（CaSO4•2H2O）是最常见的晶型，而且在一定的条件下该三种晶型也是可以互相转换的。

而在油田中，一般管道的温度都比较低，故而最常见的是CaSO4•2H2O垢。

硫酸钙晶体的溶解度是随着其晶体中所含有的结晶水的数量的变化而变化的，比较特殊的是CaSO4•2H2O晶型，这种晶型的溶解度开始的时候是随着温度的升高而逐渐升高的，但是该晶型在达到一定最高值之后反而随着温度的升高，该晶型的溶解度逐渐降低，而CaSO4•H2O和CaSO4两种晶型与其不同，是与温度呈反比关系的。

硫酸钙垢的生成反应式：

Ca2++SO42-→CaSO4↓（1.9）

当水质中含有较多的Ca2+和SO42-离子时将会发生上述反应而生产硫酸钙沉淀。

1.2.3硫酸钡（锶）垢结垢机理

在油田集输系统的几种常见垢中硫酸钡（锶）垢是最难以溶解的。

温度对硫酸钡（锶）的溶解度的影响很高，当温度升高的时候，硫酸钡（锶）的溶解度也会随着升高。

因此，在一般的情况下，在油田集输系统的高温部分中一般式不会发生硫酸钡（锶）结垢的，除非该集输系统中的水质中含有较多的Sr2+（Ba2+）和SO42-离子。

硫酸钡（锶）结垢形成的反应式：

Ba2++SO42-→BaSO4↓（1.10）

Sr2++SO42-→SrSO4↓（1.11）

当水质中含有较多的Ba2+和Sr2+以及SO42-离子时容易发生上述的结垢反应。

1.3结垢的影响因素

影响管道结垢的因素很多，除了水质中含有一定量的有机物、酸性物质、CO2、细菌、离子以及泥砂等外，还有一些外在的因素。

1.3.1pH值对结垢的影响

提高溶液的pH值，溶解的碳酸盐将会迅速结晶，使的渐进污垢的热阻增大，污垢形成的诱导期逐渐缩短，促进了污垢的生成。

但pH值太低，会加大管道以及其他油田设备的腐蚀，引起腐蚀垢甚至会造成管道爆裂。

所以溶液pH值的确定，需要同时考虑这两个方面的问题来选择合适的pH值，一般的油田水的PH范围为6.5～8.0。

1.3.2压力对结垢的影响

压力对CaCO3、CaSO4、BaSO4的结垢均有影响，CaCO3的结垢因为有气体参加反应，故压力对其影响相对比较大。

压力若降低，结垢反应将向右进行，可以促进结垢。

而在管道输送的过程中，压力一般都是降低的，因此结垢呈现上升的趋势。

1.3.3流速对结垢的影响

对于各种结垢，结垢的增长率是随着流体速度的增大而逐渐减小的。

这是因为流速增大虽然可以增加结垢的沉积率，但是，由于流速增大所引起的剥蚀率的增大更为显著,因而造成总的增长率的减小。

当流速降低时，流体中所携带的微生物排泄物和固体颗粒的沉积概率增大，管道结垢的概率也明会显的加大，特别是在设备结构突变的部位。

1.3.4温度对结垢的影响

温度是影响水质结垢的最主要因素，随着温度的改变，易溶垢盐的溶解度也会随之发生改变，从下图1可以看出,除了CaSO4·2H2O溶解度有极大值外，其它类型的垢盐均随温度的升高而降低[4]。

图1.1垢在水中的溶解度与温度的关系

　　碳酸盐垢的结垢反应为Ca（HCO3）2+OH-→CaCO3↓+2H2O+CO2↑，该反应是一个吸热反应，随着温度的升高，有利于形成碳酸盐的沉淀。

而对于以CaSO4、BaSO4和SrSO4等为主的盐类结垢，主要是因为介质中的SO42-与Ca2+、Ba2+、Sr2+等离子结合而生成难溶解沉淀。

由于这些反应大部分的也是吸热反应，随着温度升高，沉淀析出将会越来越多。

温度也会影响到钢铁电化学反应的速率和细菌繁殖的速度。

各类细菌对温度的要求是互不相同的，但是绝大部分的细菌适宜的最佳温度为20℃～40℃左右，随着集输管道输送的液体温度的逐渐降低，细菌的繁殖率也会随之发生变化，使得集输管道的腐蚀状况发生改变，进而改变了腐蚀结垢的生成速率[5]。

同样，随着温度的降低，钢铁发生电化学反应的速率也将发生改变，进而改变了钢铁发生腐蚀的速度，使得生成腐蚀垢的速率也发生变化。

1.3.5盐含量对结垢的影响

由于盐效应，水中盐（NaCl）含量的增加，将能够增加垢的溶解度。

由于在盐含量较高的水中，成垢的离子活度将会减小，成垢的阴阳离子间相互吸引而结合成垢的能力减弱。

如对CaCO3来讲，它在200g/Ｌ的盐水中的溶解度比在蒸馏水中大了2.5倍；而对BaSO4来说，在120g/Ｌ盐水中溶解度比在蒸馏水中大了13倍[6]。

1.3.6润湿和粘附对结垢的影响

　　在油田生产的过程中可以使用不同材质制造的管材，而在不同的管材的内表面上有着不同的润湿物性。

比如使用塑料内衬的时候，管道内表面的润湿角大于90℃，而对于裸钢而言，管道表面的润湿角则小于90℃，这将大大影响到结垢晶核的形成以及其在材质的表面的粘附作用。

润湿角越小，结晶成核所需要的能量也就越小，晶核的形成也就越容易，而结垢的趋势也就越大[7]。

1.4结垢的危害

在长期的生产与作业实践中，人们发现油气田结垢的危害主要的集中在以下两个方面：

一是对管道通道畅通的影响，二是对管道的腐蚀。

具体的表现为：

（1）随着管道与设备内表面的结垢，常常会伴随有粘泥的附着，加重了管道的堵塞与腐蚀。

（2）随着结垢的加重，管道的内径也逐渐的减小，导致管道内流体的通过能力减小，增加了运行成本的同时还可能造成减产。

（3）当油气管道与油田设备因为结垢而发生堵塞时将会使得设备的使用寿命大为减小，能耗增大，严重的甚至可能会造成油气井的停产。

（4）当注水系统发生结垢的时侯，将会使得注水系统的压力升高，注水的效率下降，能耗增加。

（5）管道结垢造成的腐蚀将使得管道的壁面变薄，结垢造成的管道压力增大，将会增加管道爆管的风险，对油田生产与操作人员的安全造成严重威胁。

1.5目前油气田常用的除垢、防垢技术

1.5.1国内外防垢技术发展

目前国内外对油田的防垢技术主要分为了三种：

物理方法防垢、化学方法防垢、工艺方法防垢。

物理法防垢机理是利用某些物理仪器设备的功能来抑制垢物的形成；工艺法的防垢机理是改变或者控制某些作业的工艺条件来破坏或减少垢的生成机会；化学法的防垢机理是应用化学防垢试剂的某些特性来阻止垢物的生成；不同的方法的机理及应用见下表1.1：

表1.1油田防垢方法及应用[8]

防垢方法

防垢机理

物理法防垢

磁处理法

外加的强磁场可以影响水中离子间的吸引力,减少无机盐的结晶。

适合用于含盐<3000mg/L的水溶液的防垢。

超声波处理法

超声波频率振荡将促使微晶分散而难以长大沉淀,降低其结垢速度。

续表1.1

防垢方法

防垢机理

化学法防垢

加酸或注CO2法

加盐酸或注CO2等方法使pH控制在6.5～7.2上，可以防止生产碱性垢，但加酸的量不容易控制，加酸过多可能会造成腐蚀。

加防垢剂法

防垢剂不仅可以螯合成垢离子，而且还能改变结垢的状态,使垢物变软，尤其对钡锶垢和钙垢有效。

工艺法防垢

选择与地层水互相配伍的注入水，选择性的封堵地层产出水。

提高管内水溶液流的速度，使井中的混合液形成紊流状态。

控制油气井投产时的流速和生产压差，以免加快垢物的生长。

1.5.2防垢剂的分类

（1）天然聚合物防垢剂

天然聚合物因为其本身的原料来源比较广泛、且没有毒副作用、价格较低、容易降解、容易回收等等许多特点，在水溶液预防结垢的处理中得到了高度关注和深入的研究，其发展比较迅速，天然聚合物防垢剂主要包含有木质素与纤维素、单宁与淀粉、甲壳素和腐植酸等及其衍生物。

这几类天然聚合物的主要特征是在于原料分子中含有较多的酚羟基，故其对于钙离子和镁离子等盐垢的晶体生长具有一定的抑制作用。

但是，由于天然聚合物的性能并不是非常稳定而且容易分解、投入的量也比较大、费用较高、杂质含量也比较高，防垢的效果和分散的效果都比不上目前主流合成的聚合物类防垢剂，因此目前的应用比较少。

（2）合成聚合物防垢剂

合成的聚合物类防垢剂具有许多天然聚合物防垢剂所不具备的优点，目前其主要具有品种繁多、合成的方法多种多样、适合于多种水质、稳定性比较好、防垢的效率较高、分子量的大小容易控制等优点，发展的非常迅速。

目前的聚合物类防垢剂主要分为羧酸类聚合物防垢剂、磺酸类聚合物防垢剂、含磷类聚合物防垢剂、绿色环保类防垢剂四大类。

其中随着人们环保意识的逐渐提高，环境法规的逐渐完善，人们对于防垢剂的环保要求也是越来越高，国内外已经开始逐渐重视绿色的环保类防垢剂的开发。

绿色环保类防垢剂的发展也必将成为未来水处理化学试剂的发展方向，而目前国内外研制出来的绿色的环保类聚合物防垢剂主要为聚天冬氨酸类和聚环氧琥珀酸类，环氧琥珀酸和聚天冬氨酸（PASP）作为新型的绿色环保聚合物，是一种从原料到制取过程且一直到最终的产物都是对人类与环境没有危害的并且有易于生物降解的试剂，其中生物降解性是其特殊价值的所在。

其对水结垢的预防具有良好的效果。

1.5.3目前油田常用的防垢剂

1.5.4国内外常用的除垢技术

目前国内外常用的除垢方法大致可以分为三类，一是化学法除垢；二是高压水喷射除垢；三是机械法除垢。

而随着计算机技术的迅猛发展，目前也出现了一些新型的除垢方法，例如采用管内移动式的除垢机具除垢和超声波法除垢等。

（1）化学法除垢

化学法除垢即是根据形成的垢层的化学成分，选用合适的酸类化学试剂对垢层进行溶解除垢。

广泛应用的除垢剂有EDTA有机除垢剂、取代牛磺酸水溶液、马来酸钠、氟化物盐复合物、聚氨基酸和快速活性水转化剂溶液等等[10]。

马来酸钠：

—种易溶于水的盐，它能够将水垢直接的转化为可溶于水的化合物，然后通过水洗来除去垢物，而不需要酸洗或者加多价鳌合剂。

在使用时，可以在马来酸钠溶液中添加适量的有机溶剂、乳化剂和分散剂等来除去垢物中所含有的石蜡和凝固油。

丁烯二酸盐溶垢剂——可以溶解各种垢物。

取代牛磺酸水溶液——可以有效的控制出油管线、管道、辅助设备和地层周围所结的无机垢。

近些年来，针对比较典型的硫酸钡和硫酸锶混合型的酸不溶垢，先后开发出来了硫酸钡（锶）阻垢剂和硫酸钡锶垢清洗剂，在管道防垢和除垢上进行了广泛应用。

但是，由于各种垢的成分的不同，一般的除垢剂适用的范围有限，而同时，化学除垢的工艺较为复杂，在施工的过程中极容易损坏管道和污染环境而且作业时间长、成本较高，因此还需要进一步的研究出高效、适用性强、环保的化学除垢剂。

（2）高压水喷射除垢

高压水喷射除垢即为利用泵对水进行加压并经过特殊的喷嘴后喷向垢层，这种方法除垢彻底，效率比较高，但需要装机的容量大，投资较高，耗水多，但是该种方法无法安全快速的排垢。

（3）机械除垢

机械除垢法需要采用强力的清管器，目前主要有磁力清管器、刷轮清管器以及钉轮清管器等。

机械除垢与其它的除垢方式相比具有操作简便、施工周期短、价格低、施工所需的人员少、强度较低、施工的设备简单、对环境无污染等优点，但是该种方法的缺点也很明显，由于清管器的在管线内的运动线路是直线，使得不能一遍就清理干净管线内的垢层，一般的需要6～7遍才可以，有的时侯甚至需要多达10余遍，清管效率较低且除垢的质量较差。

（4）管内移动式除垢机具

目前新开发出来的新型的管内移动式除垢机具具有效率较高，质量较好，适用于性强等特点，代表了今后管道除垢技术的发展方向。

按照驱动的方式，可以将典型的管内移动式除垢机具分为电驱动移动式除垢机具、压缩空气驱动移动式除垢机具以及液力驱动移动式除垢机具。

（5）超声波除垢

超声波防垢器主要是利用超声波的强声场来处理流体，使流体中的成垢物质在超声波强声场的作用下，其物理和化学性能发生一系列的变化，使垢层分散、松脱、粉碎和松散，从而不易附着管壁而形成积垢。

超声波防垢器具有可以在线连续工作、自动化程度较高、工作性能可靠、对环境无污染、运行的费用低等特点，目前已经广泛的应用于管道等设备中的防垢和除垢，具有非常明显的防垢效果，在保护环境、节约成本等方面具有非常重要的意义。

（6）磁处理除垢法

磁处理除垢法的基本的原理是在油气集输管道的易结垢部位安装上永磁除垢器，当永磁除垢器产生的磁力线作用在已经产生或者正在产生的沉淀结垢时，将会产生一定的电动势；而由于无机盐沉淀在水中本来就带有一定的电离度，当沉淀受到电场的作用后，油田水被磁化，同时增大了无机盐沉淀的电离度，破坏了垢的生成以及促使垢物的溶解，或者使老垢变软而脱落，从而被流体携带走。

2J油田水质数据分析

表2.1J油田海管水质分析

Na+

K+

Ca++