油田集输及污水系统碳酸钙结垢预测研究

陈园园，王宝辉，隋欣

（大庆石油学院，黑龙江大庆163318）

油田集输及污水系统碳酸钙结垢预测研究

陈园园，王宝辉，隋欣

（大庆石油学院，黑龙江大庆163318）

结垢是油田采出水集输过程中遇到的最严重的问题之一，为了避免由于结垢而造成的不良影响，应对结垢类型及趋势进行科学而准确的预测，现场可以根据预测结果采取相应的防垢和除垢措施。大庆油田集输及污水系统出现结垢问题，对系统中各节点的水质指标以及特征垢样的外貌特征和组成成分进行分析，结果表明集输及污水系统水质有碳酸盐和硅酸盐结垢趋势，现场垢样是碳酸盐、有机物、硅酸盐和氢氧化铁等的混合垢，主要成分是碳酸钙。使用稳定指数法（SAI）对大庆油田集输及污水系统碳酸钙结垢趋势及最大结垢量进行预测。预测结果：稳定指数4.0＜SAI＜5.0，最大结垢量 100＜PTB＜250，严重结垢。

大庆油田；集输及污水系统；碳酸钙垢；结垢预测；垢样

结垢现象在注水、采油、输油、热采和化学采油中普遍存在，它同腐蚀一样严重威胁着油田的正常生产。大庆油田集输及污水系统结垢问题日益严重，在回油管线、脱水泵进口阀、掺水炉出口、掺水泵进口、掺水管线及掺水阀门等处都已经出现结垢现象。在这些不同流经部位，温度、压力、油、气、水的平衡都在发生变化，只要流体中遇到两种以上不配伍水存在或在流动过程中随着压力和温度的变化，都存在着结垢的可能。集输系统结垢已经造成了油气产量降低，井下工作量增加，管线堵塞，加热炉和锅炉严重结垢等问题[1，2]。所以对地面集输及污水系统的结垢趋势进行预测具有十分重要的意义。

目前，有许多专业软件[3～5]可以比较准确的预测碳酸钙结垢情况，但是，对于一般工程选择多是通过查图版，用饱和指数法进行计算，计算比较复杂。本文采用多元回归的方法对待查图版[6]的曲线进行拟合，快速准确的预测碳酸钙结垢趋势和最大结垢量。

1 水质分析

本文水样取自大庆油田地面集输及污水系统，选取油井井口、三项分离器入口、三项分离器油出口、三项分离器水出口、脱水泵出口、污水泵出口、过滤罐进口、过滤罐出口和污水外输水泵出口等节点。各个油井的采出液一起汇集到集输系统，水质成分较复杂，当各成分不配伍时就会出现结垢现象。为了全面了解集输及污水系统的结垢情况，首先分析各项水质指标，确定结垢类型。水质分析结果见表1。

表1 集输及污水系统各节点水质指标分析结果

由表1分析结果可以看出，水质呈弱碱性；钙、镁、硅等离子浓度均随着集输系统各节点降低较多，结垢趋势明显，结垢产物主要为碳酸盐和硅酸盐。

2 垢样分析

为了对地面集输及污水系统的结垢规律进行更加准确的预测，除单纯分析水质指标外，还需要明确现场垢样中垢样组成成分、结构及形态。采用化学分析（CA），并借助现代仪器分析（XRD、AAS）等分析手段对生成的垢样进行了测试和表征。

集输及污水系统中结垢的部位很多，选取其中有代表性的井口垢样和脱水炉垢样进行分析，垢样外观描述见表2。将垢样与酸反应，垢很快溶解并伴随放出大量白色小气泡，可初步确定垢样中含有碳酸盐。

表2 垢样外观描述

2.1 XRD衍射分析

本实验采用日本理学生产的D/MAX-2200型X-射线衍射仪，仪器使用Cu靶，在电压为40V，电流为20A的状态下工作，以10°min-1的速度对垢样进行扫描。以2角进行分析，得到井口垢样的XRD衍射谱图（图1）。

XRD衍射谱图分析表明，扫描峰值与纯碳酸钙的峰值完全吻合，并且晶型较好。垢样以碳酸钙垢为主，还有二氧化硅及氢氧化铁垢。

2.2 垢样CA和AAS分析结果

将垢样酸溶，采用原子吸收光谱仪（AAS）进行元素分析，主要检测了钙、镁、铁、钾、钠等离子。并结合化学分析方法（CA），确定垢样的基本组成，列于表3。根据X衍射分析，钙镁以碳酸盐计，铁以腐蚀产物氧化铁计，其余金属元素的含量按氧化物计。

表3 垢样的CA和AAS分析

从表3可以看出，井口生成的垢不是单一垢，而是碳酸盐垢、硅铝酸盐垢及有机物等的混合垢，以碳酸盐垢为主；脱水炉垢样含水率及含油率较高，以碳酸钙垢和碳酸镁垢为主。

由垢样分析可以看出，现场垢样成分较复杂，各种垢样混合在一起更难于去除。硅酸盐垢容易与钙、镁、铁离子形成坚硬的垢，用一般的方法较难去除[7]。所以，现场应根据垢样组成采取相应的防垢措施，阻止垢的进一步形成。

3 碳酸钙结垢预测

由XRD衍射、CA和AAS分析可知垢样的主要成分是碳酸钙，所以对碳酸钙的结垢趋势进行预测，以更好的适用于现场。

3.1 预测方法

3.1.1 稳定指数(SAI)法[8]

式中，pH—水的实际 pH值；pHs—水体系中CaCO3饱和时的pH值；K—常数，为水温与离子强度的函数，可由离子强度μ和水温的关系曲线求得，μ=0.5(C1Z12+C2Z22+C3Z32+……+CnZn2)；pCa—钙离子浓度的负对数，pCa=-log[Ca2+]，其浓度单位为mol/L；pAlk—总碱度浓度的负对数，pAlk=-log[CO32-+HCO3-]，其浓度单位为mol/L；

当 SAI=4.0～5.0 时严重结垢；SAI=5.0～6.0 为轻度结垢；SAI=6.0～7.0为轻微结垢或腐蚀；SAI=7.0～7.5 时轻度腐蚀；SAI＞7.5 时严重腐蚀。

该法可半定量地表示水结垢或腐蚀情况。当SAI=2～7时，可按下列公式估算CaCO3的沉淀量（W）:W=44700/（2pHs-pH）4.78（mg/L）

3.1.2 碳酸钙最大结垢量预测方法

目前常用Valone和Skillern提出的生成CaCO3垢的最大数量预测公式[6]来预测碳酸钙最大结垢量(见表2)，计算方法如下：

表4 CaCO3结垢量预测判断标准

式中：PTB为CaCO3最大结垢量预测值，无因次；C、X为离子浓度，mol/L，C=CO32-+HCO3-，X=CO32--HCO3-。

3.2 预测结果

使用饱和指数法和稳定指数法分别预测地面集输及污水系统碳酸钙的结垢趋势。由于地面集输及污水系统中各节点的温度在30～45℃之间，对于如何求K值较麻烦，本文采用多元回归的方法对待查图版中30～45℃温度曲线进行拟合，得到相应的K值，可以快速准确的预测碳酸钙结垢趋势。稳定指数（SAI）计算结果如表5。

表5 碳酸钙结垢预测结果

由表5中预测结果可以看出，稳定指数预测结果各节点均严重结垢，最大结垢量的预测结果，[油井井口]最大结垢量小于100，其他节点垢多且硬，与稳定指数法预测结果一致。由于[油井井口]含泥沙、胶质物质较多，而且压力、温度等因素变化较大，使得碳酸根、碳酸氢根变化较大，结垢离子降低，所以预测值低。

4 结论

4.1 通过对大庆油田地面集输及污水系统水质分析和垢样分析，确定垢样是碳酸盐、有机物、硅酸盐和氢氧化铁等的混合垢，其主要成分是碳酸钙。

4.2 采用饱和指数法和稳定指数法对碳酸钙结垢趋势进行预测，预测结果 4.0＜SAI＜5.0，严重结垢，而且结垢量也较高。

［1］贾海波，郭焱，李昱江，等.陕北油田集输系统结垢机理研究[J].油气田地面工程,2009,10(28):9-10.

［2］陈李斌，杨涛，易成高，等.魏岗油田集输系统结垢分析及清垢新技术探讨[J].河南石油,2002,16(2):36-39.

［3］蒋官澄，马先平，纪朝凤，等.注水系统结垢趋势预测及影响因素研究[J].天然气勘探与开发,2006,29(2):49-52.

［4］贾红育，曲志浩.注水开发油田油层结垢趋势研究[J].石油勘探与开发,2001,28(1):89-91.

［5］郑勇，张荣，孙建华，等.文留油田储层碳酸钙结垢趋势预测[J].河南石油,2005,19(1):71-72,75.

［6］查理斯C帕托.实用水技术[M].李敬波等译.北京:石油工业出版社,1992:69-71.

［7］王立.油田水结垢研究[J].石油大学学报(自然科学版),1994,18(1):107-119.

［8］李化民.油田含油污水处理 [M].北京:石油工业出版社,1992:245-251.

Research of calcium carbonate scaling prediction on oil gathering and sewage system

CHEN Yuan-yuan,WANG Bao-hui,SUI Xin
(Daqing Petroleum Institute,Heiolngjiang,Daqing 163318)

Scale occurrence is one of the most serious problems in the process of gathering of oilfield produced water encountered in,it is necessary to scientifically and accurately predict scaling types and trends,in order to avoid the adverse effects caused by scaling.Field can take corresponding measures for anti-scaling and descaling through the results.Gathering and sewage system is in the scaling in Daqing Oilfield,water quality indicators;appearance and composition of characteristics scale of each node were analyzed.Results showed that water quality of the gathering and sewage system trends CaCO3,scale was a carbonate,organic matter,silicate and iron hydroxide mixed fouling,etc.,the main component was calcium carbonate.Using stability index method (SAI)to predict calcium carbonate scaling tendency,and predict maximum amount of scaling.The results showed that stability index 4.0＜SAI＜5.0,100＜PTB＜250.Calcium carbonate scaling is severe.

Daqing Oilfield;gathering and sewage systems;calcium carbonate;scaling prediction;scale

10.3969/j.issn.1008-1267.2010.05.010

TE358+.5

A

1008-1267（2010）05-030-03

2010-04-19

陈园园（1984～）女，大庆石油学院在读硕士，研究方向为油田化学。