气田水回注管道结垢原因及防垢技术探讨

高龙　胡婧

（中国石油西南油气田公司川西北气矿，四川江油　621700）

气田水回注管道结垢原因及防垢技术探讨

高龙胡婧

（中国石油西南油气田公司川西北气矿，四川江油621700）

气田水回注管道结垢将降低注水效率，同时会诱发注水井管线局部腐蚀、泄漏、穿孔，增加维修费用，针对如何解决管道结垢的问题，通过深入分析气田水管道结垢机理和对比物理防垢、化学防垢和工艺法防垢3类技术的优缺点和适用范围，提出预防管道结垢的建议，包括将站内金属管道改为双金属复合管;气田管理过程中需充分结合3个技术进行管道防垢处理;建立管线结垢方面的数据库，积累数据资料并完善结垢监测系统。

气田水回注管道结垢防垢

0　引言

随着油气田开采时间的增加，气田水回注水质不断恶化，许多油气田注水井的回注管道结垢现象日趋严重。管道结垢将导致注水管网管线缩径、堵塞、降低注水效率［1］，同时将诱发注水井管线局部腐蚀，增加维修费用［2］。另一方面，结垢阻塞注水井底，沉积的杂质与腐蚀产物将减小注水量，注水井的免修期缩短，严重影响气田建设［3］。笔者拟通过初步探讨气田水回注管道结垢机理和现有防垢技术，提出预防气田水回注管道结垢的建议。

1　注水管道结垢原因分析

当温度、压力等热力条件改变时，水中离子平衡状态遭破坏，成垢组分由于溶解度降低析出并结晶沉淀，形成水垢［4］。另外，注入水与地层水不配伍也会导致水垢形成。

王兵等专家总结了管道结垢的原因：①溶液中难溶或微溶的离子化合物过饱和析出，如CaCO3、CaSO4、BaSO4、SiSO4等，形成沉淀，沉淀以硫酸垢、碳酸垢居多；②管道因材质腐蚀，形成垢下腐蚀和深层水垢。水垢覆盖的管道表面作为电化学腐蚀的阳极，水中溶解氧通过电化学腐蚀的方式腐蚀管道基体，随着氧浓度的增大腐蚀结垢严重化。根据研究［5-6］，影响结垢速率的因素是多方面的，包括水的成分、成垢离子的浓度、水的流速、压力和温度、pH值、盐含量、润湿与粘附等。根据下列反应式：

该反应为吸热反应，当温度升高时，反应向右进行，促进CaCO3沉淀生成；当流速突然增加时，引起局部脱气，CO2分压降低，反应向右进行；当管线压力降低时，反应向右进行，促进垢生成。当pH值降低时，有助于消除碳酸盐垢。当回注水中盐浓度较高时，则促进垢生成［7］。

根据相关规范和标准，对某气田易结垢回注水进行水质分析，结果见表1。

表1　某气田回注水水质分析情况表

2　注水管线阻垢防垢技术

包晨龙［8］、李海波［9］等总结分析，目前国内外采用的注水管线阻垢防垢技术分为3大类，即物理防垢法、化学防垢法、工艺法防垢。

2.1物理防垢法

1）超声波防垢。超声波除垢［10］是利用声场能量提高分子活性，破坏垢类生成和在器壁上板结的条件，使垢物在溶液中形成分散垢结晶，避免形成壁面硬垢。由于超声空化现象［11］，产生的大量气泡在一定程度上内爆，瞬间释放大量的热，造成局部高温，有利于液体降阻、降黏。同时，空化而成的大量空隙和气泡破裂，产生强大压力峰，起到粉碎可能的成垢物质、已形成的硬垢使其悬浮在液体中的作用。这种物理防垢措施操作简单，处理效果好，不需要添加化学药剂，对环境无影响，相对于化学药剂防垢法具有环保优势。

2）电子防垢。电子防垢利用信号发生器产生极性、振幅、频率高速变化的电流，在管道中产生快速变化的磁场，对水中钙镁离子产生干扰，改变离子的电化学和物理特性，降低Ca2+、Mg2+、CO32-、SO42-之间的吸附能力，防止垢生成。此技术适用于各种类型的管材，防垢效果好，安装施工方便，省电、运行费用低，产品适用寿命可长达10年［12］。

3）电磁防垢。电磁防垢是利用一定频率范围的扫描磁场［13］，其频率涵盖所有水分子的自然频率，通过引起水分子共振，破坏水分子族团的结构，提高水的溶解能力。一方面，电磁作用促进垢离子结成不带电、易溶于水的垢晶体粒子，避免垢离子在管道及容器壁上形成垢层；另一方面，水分子共振，能量提高，逐渐破坏管壁和容器壁上的老垢，使其由外向里慢慢溶入水中，从而产生除垢的效果。电磁防垢特点突出，无电极、不接触水，高效低电压，安装简单，有活化水的作用，寿命长且效果稳定，应用范围广，不污染环境，除垢效果明显。但电磁扫描的频率范围为水分子的频率范围，不同水质以及有无电磁干扰将影响除垢防垢效果，作用具有不稳定性。

4）涂膜防垢。管道内壁粗糙度越高，析出的垢晶体在管壁吸附、成核的可能性越大。当溶液中溶解的垢晶体过饱和时，晶体析出，并在粗糙的管内壁成核、长大，随着结垢程度发展，结垢严重化。故在管内壁涂膜，降低内壁粗糙度能有效防垢。根据陈仕男等［14］的研究，防腐蚀的涂层技术即表面处理技术，采用重防腐蚀环氧粉末涂料、H87环氧耐温涂料、8701环氧树脂涂料、新型环氧改性聚氨酯重防腐涂料等，能有效降低管内壁粗糙度，形成的垢分子难以在管道内表面附着，从而能有效防垢。缓蚀剂性能按照相关规定进行评价，涂膜防垢多应用于钢制管道防腐，由于内防腐层易脱落，这种方法仅是防垢的辅助措施。

5）量子管通环防垢。量子管通环［15］由某种特殊记忆材料合成，任何物质都具有振动性，其波形可通过特定装置进行检测，利用激光技术将近百种与水及相关物质的超精微分子振动波形存储在量子管通环亚原子级。该环直接安装在管道上，瞬间可持续恒定地发射超精微振动波，波通过管壁传入水中，与水分子及成垢物质、老垢物质等原有波形叠加，产生干扰波或共振波。在超精微振动波的作用下，老垢、铁锈逐渐消除，新垢、新锈不再产生，同时细菌微生物被清除，避免形成垢下腐蚀。

量子管通环安装时间短，安装后无特殊防护要求，对水质包括硬度、碱度，有很宽的容忍度，表现出良好的阻垢效果。总体来说，量子管通环阻垢技术较一般的电子、电磁、超声波阻垢技术，具有更高的稳定性和针对性。同时该技术具有运行费用低、安装方式简单、质量保证可靠等优点，值得用于生产实践。

2.2化学防垢法

化学防垢法不同于物理防垢法，在管道结垢前，通过防垢剂的化学特性阻止和抑制垢的生成；对已结垢管道，通过添加化学试剂，促使板结在管壁上的老垢和过饱和析出的垢物质再次溶解，达到除垢、防垢效果。

岳前声、李鹏江［16］等对油气田注水主要防垢剂的种类、适用情况、影响因素进行了总结。广泛使用的防垢剂包括无机聚磷酸盐、有机聚磷酸盐、有机多元磷酸、氨基多羧酸、均聚合物防垢剂和共聚合物防垢剂。由于防垢剂成本昂贵、用量大，需要根据不同地区水质特点进行实验室复配和评价，还易带来二次污染问题，化学防垢更适用于注水井防垢。开发绿色环保高效的新型防垢剂已成为国内外发展的新趋势。

Gu［17］等通过开展实验研究混合咪唑啉［18］的改性防腐防垢复合抑制剂PESA（MA-AMPS）的防垢效果，并对效果进行评价，最终优选出高效的组分配比，其除碳酸垢和硫酸垢的能力分别达到了93.42%和96.74%。这种咪唑啉复配防垢剂较常规防垢剂更为绿色环保。

2.3工艺法防垢

尽管物理法和化学法能有效防垢，采用工艺法进行防垢也是必要的。通过改变垢形成的外部条件，如选择与地层水化学性质配伍的注水水源、完善回注水预处理和回注工艺、控制油气井投产流速和生产压差等，可从工艺上降低结垢机理，为后期的物理、化学防垢法减少工作量。注入水的水质预处理包括防垢、防腐、杀菌（三防）和隔氧等，回注工艺方面国内气田的工艺与油田回注工艺类似，但回注水的含油量较低。

3　结论与建议

1）目前，国内大多数气田站内回注管道多采用金属管道，站外采用非金属管道，为防止管道腐蚀对加快结垢的影响，建议将站内金属管道改为双金属复合管，在经济原则下，该种材质管道不但具有普通钢管的优点，又能有效降低金属腐蚀结垢概率。

2）管线结垢的原因，一方面是注入水与地层水的不配伍；另一方面是热力条件、工况条件等发生改变，带来的微溶或难溶物的过饱和、析出、结晶长大。温度越高、压力越低、流速越快、pH值较高、水质不配伍、注入水盐度高等因素影响下，管线结垢趋势越大，因此要作好相关因素的控制。

3）主要的防垢技术措施包括物理防垢、化学防垢和工艺法防垢，其中物理防垢以超声波、电子、电磁、量子管通环等方法为代表，通过振荡剪切等方式，提高水分子能量并使大块老垢粉碎，使其不粘结在管壁上，具有无二次污染、简便易行、效费比高的优点。化学法需要根据回注水和地层水特点进行复配，费用昂贵及潜在危害不容忽略。工艺法作为改变外部条件的防垢方式，能从工艺及流程上为后续防垢减小工作量。气田管理过程中需充分结合这3个技术进行管道防垢处理。

4）建议在油气田开发生产中建立管线结垢方面的数据库，积累数据资料，并完善结垢监测系统，便于及时发现生产中出现的结垢问题，采取科学的除垢措施。

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（编辑：蒋龙）

B

2095-1132（2015）06-0043-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2015.06.012

修订回稿日期：2015－12－06

高龙（1988－），工程师，从事地面建设和油气储运工作。E-mail：531169005@qq.com。