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油井出水 結垢成災 告訴你一種高效的防垢方法

油井出水 結垢成災 告訴你一種免清垢的方法

在油氣行業的世界中,結垢實在是泛濫成災。結垢是多種不同因素共同作用的結果,如鹽水、溶解固體、壓力和溫度。這些因素共同作用產生沉淀(尤其在不相容的水環境中),這些沉淀會在環境表面附著,堵塞通道,給開采和煉化帶來了諸多難題。石油圈原創www.h29736.cn

對一口井來說,結垢很有可能導致其在一天之內產量從高處跌至零。北海Miller油田就有這樣一個典型的例子。該油田中的一口井在24小時內,從近30000桶/天的產量跌到零。這口井的減產原因就是混合水體的結垢。

通常采用的物理方法,如鉆井(磨銑)、水力噴射、化學溶解等,可以在水垢產生后即刻對其進行清除。但是這些都是被動的除垢方法,并且花費也比較昂貴。在某些案例中,物理清除的效果并不如人愿,甚至會產生對清除方法免疫的系統。

事實上,有時候人們發現,當進行了物理清洗后,結垢的趨勢反而更加明顯了。其中一個原因就是在進行物理處理后,所處理對象的表面變得更加粗糙了,而粗糙的表面為水垢的附著和生長提供了更多的空間。石油圈原創www.h29736.cn

在一口井的生命周期中,采用預防性化學處理結垢所需的費用,跟進行一次清洗和重新安裝設備的費用是一樣的。兩種方法的不同之處,主要體現在停工期時間的長短上。清洗所需的停工時間是非常長的,如果生產商將由于停工造成的損失也考慮在內的話,那么能夠主動阻垢的化學治理方法則是更好的選擇。

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預防井底結垢,可以保證儲層流體流動的暢通性,實現每口井投資回報的最大化。所結的垢中,鈣和鋇通常以陽離子的形式存在,而碳酸鹽和硫酸鹽通常以陰離子的形式存在(見上表)。

很多井中結有多種類型的垢,例如碳酸鈣和硫酸鈣。在這些井中,更適合采用鈣耐受性較好的抑制劑,而不是為這兩種垢分別設計不同的抑制劑。目前,關于結垢地層的熱力學和動力學性質都已經被研究得相當透徹,但是各類機構組織并沒有停下試驗的腳步,他們希望能夠找到更好更便宜的方法來處理這些水垢。石油圈原創www.h29736.cn

長效預防結垢

有時候人們會簡單的認為,預防結垢就是阻止垢的生成。但事實上卻并非這么簡單。在油氣從地下運移至煉化廠的整個過程中,每個地方都需要進行結垢防治工作。對于如何防止結垢,有以下兩個被人們廣為接受的機理。

第一個是閾值抑制機理。該機理是在水垢成核之前,對其結簇過程進行擾亂。成核,即狀態改變的物理過程(這里是從液體到固體),是結晶和水垢生長的前提條件。而粗糙不平的表面則會增加成核區域,這也是為什么物理除垢可能會加快井中水垢生長速度。

基于該原理的阻垢劑,例如膦酸鹽和低分子量的聚合物,可以阻止晶核化的發生。膦酸鹽可以與結垢離子產生強烈的化學反應,因此,我們認為它是一種有效的螯合添加劑。這種化學反應是比較理想的,但是一旦阻垢劑參與反應,就會開始逐漸消耗。盡管膦酸鹽對于預防結垢非常有效,但是也有著自己的缺陷,特別是在高溫條件下其表現則相當差,這主要是因為膦酸鹽在高溫下會發生降解。

此外,一些化學成分(如鐵離子),會導致閾值抑制劑的失效。與鈣、鋇、鍶等離子相比,鐵離子對抑制劑的吸引力則更強,鐵離子和抑制劑的螯合作用會造成抑制劑的嚴重失效。

第二個防垢的機理是阻止晶體生長?;谠撛淼淖韫竸┩ǔR灿虚撝狄种频淖饔?。與閾值抑制不同的是,在已經形成晶體的情況下,阻垢劑仍然可以繼續發揮作用,預防結垢。它們可以阻止晶體表面的生長作用,使晶格發生扭曲,從而防止進一步的附著,將晶體的體積保持在一個較小的范圍內。

聚合物的化學反應

想要使晶格發生扭曲,膦酸鹽分子還不夠大,這主要是因為膦酸鹽的分子質量要小于晶體。我們可以想象一下,假設路面上有一個坑,我們只用一鏟子泥來填,那么這個坑會被過往的車輛越撞越大。但是如果我們用水泥來填這樣一個坑,那么坑的形狀就改變了,問題也就解決了。在扭曲結垢晶體結構這一事情上,膦酸鹽就像是泥,而聚合物分子就像是水泥。

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聚合物分子,例如羧基酸和馬來酸的衍生聚合物,可以很好地發揮出上述兩種機理。它們具有更優異的熱力學穩定性,對鐵離子的耐受性也更好。與膦酸鹽相比,聚合物與其他常用的添加劑之間具有更好的兼容性。上圖所示為聚合物和膦酸鹽在閾值抑制試驗中的對比。下圖則顯示了在管道堵塞試驗中聚合物阻垢的出色表現。石油圈原創www.h29736.cn

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由上圖可以看出,在管道堵塞試驗中,不到兩小時的時間,濃度為百萬分之十的膦酸鹽就失效了。而聚合物(PCA)的作用時長卻輕松的超過了該時間。結垢進行30分鐘后,加入化學劑阻止其生長。從轉折點開始,120分鐘內的壓力只增加了不到1psi,表明聚合物成功的阻止了垢的生長。

此外,聚合物還具有更寬的作用范圍。例如,聚羧酸(PCA)聚合物是鈣的有效抑制劑。但是,結垢的組份很少是單一的,通常還會存在一定量的重晶石。如果重晶石的數量不大,那么PCA的寬泛的作用范圍就可以發揮作用,即同時對重晶石進行抑制。

優先選擇防護系統

如果客戶只著眼于短期利益,那么很可能會發生結垢,并會給從井筒到地面的接頭配件、聯結器和管道系統等整個系統造成各種問題。事實上,在壓力和溫度都較小的地面區域,也需要與井一樣,對結垢進行防護。因為從井底到地面條件的變化,會增加結垢的風險。

對結垢采用預防性、前瞻性的防護措施,可以降低總的費用,形成一個更加可靠的、可以預測的防護系統??紤]到在整個油氣開采運輸過程中,每個環節都可能發生結垢,那么采用高質量的聚合物來減輕結垢,確實不失為一種行之有效的方法。

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