油井管道复合除垢剂的研制及性能评价

康少冉，铁文安，祁 蓉，王 宇，田小艳

(陕西延长泾渭新材料科技产业园有限公司，陕西 西安 710054)

采油管道、油气集输管道已在油田上大量应用。油井见水后，近井地带复杂的渗流环境，使得注入水中的酸根离子与地层水中的金属离子强烈混合，形成大量结垢，并一同进入生产井管和流程。结垢会对地层和地面管网产生严重的危害，如影响管道设备的传热效率、对管网造成堵塞、引起细菌滋生而腐蚀管道、增大流体阻力、增大能耗等[1-3]。

陕北油田油井垢的生成特点，是碳酸钙垢、砂粒、黏土和有机质(蜡质、沥青质)相互沉积。针对此类型的垢，解决的办法是除垢剂配方中必须有溶垢剂和渗透剂[4]。溶垢剂与碳酸钙垢反应使其溶解，渗透剂可溶解有机质。针对垢中的黏土和砂粒，则要求配方中添加悬浮剂，以使其能稳定悬浮于除垢剂溶液中，并随产出液一起带出井筒。

1 实验部分

1.1 实验原料及仪器

酸性溶垢剂LE-2、渗透剂PJ、表面活性剂AES(均为工业级)，悬浮剂XF(工业级，自制)。

X射线荧光光谱XRF-1800，Hitachi S-4800型场发射扫描电镜，高温鼓风干燥箱，卧式恒温摇床。

1.2 井筒垢样分析

图1为陕北油田作业区2017年夏季现场油井作业过程中的井筒内壁垢样。其中a、b垢样整体呈片状，质地非常坚硬，如碎瓷片状，贴近管壁处为棕黄色，远离管壁处为白色，表面粘附有浅黄色物质。c垢样是远离筒壁处的碎垢，质地松软，可能含有泥沙等物质。

图1 油井垢样外观Fig.1 Appearance of oil well scale sample

采用X射线荧光光谱（XRF）对陕北油田井筒垢样进行分析，以确定垢样中的主要元素组成及各组分的相对含量。将3种垢样在110℃烘箱内干燥24h，取出后研磨成粉末，进行XRF测试，结果见表1。

表1 垢样主要成分及含量Table 1 main components and contents of scale samples

由表1可以看出，井筒垢样中含有Si、Ca、Ba、Na、Sr、S、Mg 等元素，其中 Si 的含量最高，达到68.05%，其次是Ca，含量为12.28%，Ba的含量为8.52%，Na和Sr元素的含量相对较少，分别为6.97%和2.34%，说明垢样的主体成分是Si、Ca和Ba。

1.3 复合除垢剂的研制

因垢质的主要成分为 SiO2、CaCO3和BaO，因此我们选择酸液为主要的除垢剂成分，其反应原理如下：

考虑采用酸性溶垢剂LE-2来除去井筒中的无机垢。油井垢中有蜡、胶质、沥青等有机质，考虑采用能将垢表面由亲油性变为亲水性的、渗透能力强的渗透剂来快速溶解有机垢。渗透剂由快速渗透剂PJ和表面活性剂AES复配而成。垢中有黏土和砂粒，因此要求配方中要添加悬浮剂，以能使其稳定悬浮于除垢剂溶液中，并随产出液一起带出井筒。分散悬浮剂为实验室自制的悬浮剂XF，主要成分为丁基萘磺酸钠。将酸性溶垢剂LE-2、渗透剂PJ、表面活性剂AES、悬浮剂XF复配后制备复合除垢剂，各试剂的含量根据垢的成分，通过正交实验法确定[5-7]。

以4种试剂为考察因素，以各因素的添加量为水平，以5h溶垢量为指标，按L9（34）正交表进行正交实验，结果见表2。由表2可知，5号实验中试剂组合的除垢能力最强，达到了最优值，因此确定各试剂的添加质量比为：LE-2∶PJ∶AES∶XF=5∶4∶3∶3，并按照该比例制备了复合除垢剂GK-18。

表2 复合除垢剂的正交实验表Table 2 orthogonal test table of compound scale remover

2 复合除垢剂GK-18的性能分析

2.1 GK-18腐蚀性能评价

采用挂片法测定10%～20%的中性除垢剂对N80钢片的腐蚀速度。实验温度为90℃，反应时间为7 h。按式(1)计算腐蚀速率[8]：

式中，V为腐蚀速率，g•m-2•h-1；G1为反应前钢片的质量，g；G2为反应后钢片的质量，g；S为钢片的表面积，m2；t为反应时间，h。

表3 不同溶液浓度的腐蚀速率Table 3 corrosion rate at different solution concentrations

图2 钢片腐蚀情况Fig.2 Corrosion of steel sheet

从实验结果可以看出，90℃下，除垢剂对钢片的腐蚀性低，20%的除垢剂对钢片的腐蚀速度仅为0.07 g•m-2•h-1，在实际应用过程中，对井筒的腐蚀影响很小。

2.2 GK-18除垢能力评价

分别配制5%、10%、15%、20%的复合除垢剂GK-18溶液200mL于烧杯中，各加入10g井筒垢样品，80℃下恒温震荡，每隔一段时间记录残留垢样的质量，测试其除垢能力，结果见图3。由图3可知，随着除垢剂浓度增加，GK-18的溶垢速度及溶垢能力逐渐增加，20%的GK-18除垢剂的溶垢能力最强，15h后的溶垢率可达95%以上，达到了高效的除垢效果。

图3 GK-18溶垢能力随时间的变化情况Fig.3 Change of scale dissolving capacity of GK-18 with time

2.3 温度对GK-18除垢剂的影响

将复合除垢剂分别配成10%和20%溶液各200mL于烧杯中，加入10g井筒垢样品，考察不同温度下，除垢剂达到最大溶垢能力所需的反应时间，以此评价温度对GK-18除垢剂的影响[9]，结果见图4。由图4可知，随着除垢温度升高，达到最大溶垢能力的时间缩短，说明温度能加快GK-18 的除垢速度。

图4 温度对GK-18溶垢能力的影响Fig.4 Effect of temperature on scale dissolving ability of GK-18

2.4 矿化度对GK-18除垢能力的影响

2.4.1 相同Ca2+离子含量、不同矿化度的影响

用碳酸钙、氯化钙和氯化镁、氯化钠配制相同钙离子含量、不同矿化度的模拟水样，测试水样对GK-18除垢效果的影响，结果见表4和图5。由实验结果可知，钙、镁离子含量相同时，矿化度越高，则溶垢能力越强，这是因为盐效应使得碳酸钙的溶解度增加。

表4 相同Ca2+离子含量、不同矿化度模拟水样Table 4 simulated water samples with the same Ca2+ content and different mineralization degrees

图5 矿化度对溶垢能力的影响Fig.5 Effect of salinity on scale dissolving ability

2.4.2 相同矿化度、不同Ca2+离子含量的影响

用碳酸钙、氯化钙和氯化镁、氯化钠配制相同矿化度、不同钙离子含量的模拟水样，测试水样对GK-18除垢效果的影响，结果见表5和图6。实验结果表明，钙离子含量≤2000mg•L-1时，溶垢能力变化不强；钙离子含量＞2000mg•L-1后，溶垢能力明显下降，从 87.1mg•mL-1下降到 32.9mg•mL-1，这是同离子效应而导致的复合除垢剂的溶垢能力下降[10]。

表5 相同矿化度，不同Ca2+离子含量模拟水样Table 5 simulated water samples with the same mineralization degree and different Ca2+ ion content

图6 Ca2+离子含量对溶垢能力的影响Fig.6 Effect of Ca2 + ion content on scale dissolving ability

3 结论

本文将酸性溶垢剂LE-2、渗透剂PJ、表面活性剂AES、悬浮剂XF复配后制备了油井复合除垢剂GK-18，根据垢的成分，采用正交实验法确定各试剂的含量。通过室内溶垢实验评价，得出20%的GK-18除垢剂的溶垢能力最强，15h后的溶垢率可达95%以上。腐蚀性实验结果表明，GK-18除垢剂的腐蚀性小，20%的除垢剂对钢片的腐蚀速率仅为0.07 g•m-2•h-1，抗矿化度性能高。