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徐明转正论文
华隆油田科技股份有限公司
答辩论文
题目油田污垢的形成及新防垢方法
单位油田技术事业部
姓名徐明
指导老师彭司军
完成日期2011.03.02
摘要---------------------------------------------------1
第1章绪论------------------------------------------2
第2章油田污水结垢防垢的分析-----------------------2
2.1污垢的分类-------------------------------------3
2.2油田水性质-------------------------------------3
2.2.1油田水常见的水垢类型-------------------4
2.3结垢的理论-------------------------------------5
第3章超声波在油田上防垢除垢的效应及应用---------5
3.1超声波防垢技术---------------------------------6
3.2超声波的防垢机理主要表现----------------------6
3.3超声波防垢的应用--------------------------------7
致谢------------------------------------------------------7
参考文献-------------------------------------------------7
【摘要】
油井及集输系统结垢是我国油田注水后期存在的普遍问题。
油气生产过程中由于压力、温度变化以及地层水和注入水不匹配，可在近井地带、射孔孔眼、井下油管、泵、地面设备、管道内形成垢，造成堵塞或产液量下降，阻碍原油生产。
文章概述了油田的结垢原因、类型和各种防垢方法
【作者单位】：
新疆华隆油田科技股份有限公司
【关键词】：
除垢节能防垢
第1章绪论
水是石油的天然伴生物。
目前我国大部分油田采用了注水开发方式，每生产1吨原油约需要注2～3吨水，因而水和石油生产的关系极大。
随着油田注水的进行带来了两个问题。
一是注入水的水源问题，人们希望得到能提供供水量大而稳定的水源；二是原油含水量不断上升，含油污水量越来越大，污水的排放和处理是个大问题。
在生产实践中，人们认识到油田污水回注是合理开发和利用水资源的正确途径。
但是油田污水水质复杂，含有许多有害成分。
因此对油田注入水的水质应有一定要求，否则会带来一系列新问题。
污水中大量成垢盐类随着温度、压力变化，以及因与不同水的混合，将出现结垢、堵塞现象。
例如，某油田一口油井投产仅10天，21/2英寸[1]集油管就因积垢而被堵死，先后更换6次管线，最后被迫关井。
33目前每年注水约6.2亿m3，每年产出水约3亿m3，这些水随原油产出，原油脱水后水中常常带油，而且地层采出的水，都不同程度地含等Ca2+,Mg2+,Fe2+,Fe3+,SO42+,CO32-,等离子，从保护环境的角度出发，不能随便排放，而要求100%处理回注，这样做一方面可以利用污水资源[2]减少注入新鲜水的量，另一方面可以减少对环境用水的污染。
油田污水的不合理回注和排放，不仅使地面设备不能正常工作，而且会因地层堵塞而带来危害，同时也会造成环境污染。
因此，针对油田水腐蚀、结垢和细菌造成的危害，采取有力的缓蚀、防垢和杀菌措施，[1]不断提高和改进油田水处理技术已成为势在必行的重要课题。
其中结垢问题已同砂、蜡、水、稠问题一样，成为采油工艺和油气水处理工艺中不可忽视的研究课题。
近十年来，随着高新技术的发展（如电磁防垢技术），防垢除垢技术有了快速发展，效果也更加突出。
本论文主要对上述电磁防垢除垢技术的机理及其应用实验作详要的研究。
第2章油田污水结垢防垢的分析
所谓结垢就是在一定条件下从流体中析出的固体物质，在管线、设备上或地层内的沉积。
油气处理管线结垢是经常的事，特别是污水管线、脱水器放水管线和注水管线结垢严重。
胜利油田某注水站房水管线结垢速度十分惊人，一个月内可将1个管线堵死，两个半月可将4个管线堵死，半年内可将8个管线堵死，管线结垢使排水量减少，因而影响脱水器的处理量，由于结垢使管线摩阻增加、能耗增加。
如大庆油田污水管线结垢仅摩阻增加一项就是全油田耗电费用增加70多万元。
结垢还会严重影响生产，甚至被迫停产，如江汉油田有些井原油含盐高达10万mg/L，油井或出油管线往往结盐，使油井不能生产。
长庆油田采油厂，因结垢问题，许多站点面临停产威胁，年净损失达40万元。
地层内也会结垢，堵塞渗流孔道，影响采油量和采油速度。
结垢的危害显而易见，它降低了设备传热效果，严重时会引起堵塞，必须及时清理；引起设备和管道局部垢下腐蚀，并为SRB细菌的繁殖提供了有利条件；降低水流截面积，增大了水流阻力和输送能量。
总之，严重影响了设备的运行，造成的巨大的经济损失，大大增加了油田的成本。
因此，开展污垢成垢机理、抗垢方法的研究，无疑具有重要的意义。
本课题的目的是从一般意义上探讨结垢、防垢的机理，及进行电磁处理对水各个参数的影响，并对电磁防垢除垢进行实验。
2.1污垢的分类
循环冷却水系统在运行的过程中，会有各种物质沉积在换热器的传热管表面。
这些物质统称为沉积物。
他们主要是由水垢（scale）、淤泥（sludge）、腐蚀产物（corrosionproducts）和生物沉积物（biologicaldeposits）构成。
通常，人们把后三者统称为污垢（fouling）。
天然水中溶解有各种盐类，如重碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐等。
其中以溶解的重碳酸盐如Ca（HCO3）2,Mg（HCO3）2为最多，也最不稳定，容易分解生成碳酸盐。
当含重碳酸盐较多的水作为冷却水，当它通过换热器传热表面时，会受热分解：
Ca（HCO3）2=CaCO3+H2O+CO2冷却水通过冷却塔相当于一个曝气过程，溶解在水中的CO2会逸出，因此，水的pH值会升高。
此时，重碳酸盐在碱性条件下也会发生如下反应：
Ca（HCO3）2+2OH-=Ca（CO3）2+2H2O+CO32这些碳酸钙和磷酸钙都是微溶性盐，溶解度小，而且随着温度的升高而降低。
因此，在换热器的传热表面上，这些微溶性盐很容易达到过饱和状态而从水中析出沉积在传热表面上。
此外，水中溶解的硫酸钙、硅酸钙、硅酸镁等，当其阴、阳离子浓度的乘积超过其本身溶度积时，也会生成沉淀沉积在传热表面上。
这类沉积物通常称为水垢。
由于这些水垢结晶致密，比较坚硬，故又称为硬垢。
大多数情况下，由于硫酸钙的溶解度远远大于碳酸钙，换热器传热表面上形成的水垢是以碳酸钙为主的[3]。
污垢一般是由颗粒细小的泥砂、尘土、不溶性盐类的泥状物、胶状氢氧化物、杂质碎屑、腐蚀产物、油污、特别是菌藻的尸体及其黏性分泌物等组成。
由于这种污垢体积较大、质地疏松稀软，故又称为软垢。
它们是引起垢下腐蚀的主要原因，也是某些细菌如厌氧菌的生存和繁殖的温床。
这类污垢除了影响传热外，更严重的是将助长某些细菌如铁细菌的繁殖，最终导致关闭腐蚀穿孔而泄漏[3]。
实际上，一般垢都不是单一的组成，往往是混合垢，只不过以某种垢为主而已[2]。
对于油气集输系统而言，最常见的污垢类型是结晶污垢，在某些情况下，还可能有颗粒污垢及生物污垢。
油田含油污水与其它水混注系统中结晶污垢的种类很多，其中危害最大的是：
碳酸钙垢，硫酸钙垢和硫酸钡（包括硫酸锶）垢。
2.2油田水性质
1）pH值。
油田水中的pH值是判断腐蚀与结垢趋势的重要因素之一。
因为某些水垢的溶解度与水的pH值有密切的关系，一般，水的pH值越高，结垢趋势就越大；若pH值较低，则结垢趋势减小。
但结垢与腐蚀往往是一对矛盾，因此结垢趋势减小的同时，水的腐蚀性往往会增加。
大多数油田水的pH值在4～8之间，但由于H2S和CO2都是酸性气体，当它们溶于水中后，能使水的pH值降低。
2）悬浮固体的含量。
在已知体积的油田水中，用薄膜过滤器过滤出来的固体数量是顾及水的结垢堵塞趋势的一个重要依据。
3）浊度。
浊度是水的“混浊”程度的一个量度，浊度高意味着水是不“清洁”的，含有较多的悬浮固体。
水的浊度高也标志着地层堵塞的可能性大，因而浊度的测定也是应当控制的一个重要水质指标，而且可通过水中浊度的测定监视过滤器的性能。
4）温度。
水温将影响水的结垢趋势、水的pH值以及各有关气体在水中的溶解度。
当然，水温对腐蚀也会有一定的影响，一般情况下，水温增高，腐蚀将加剧
5）相对密度。
由于油田水中含有溶解的杂质（离子、气体等），因此它总是比纯水更致密，一般油田水的密度均大于1.0。
它也是水中溶解固体总量的直接标志，即比较几种水，就能估计出溶解于这些水中的固体的相对量。
6）溶解氧。
溶解氧对油田水的腐蚀和堵塞都有明显的影响，它不仅直接影响水对金属的腐蚀，而且如果水中存在溶解的铁，氧气进入系统会使不溶的铁的氧化物沉淀，从而造成堵塞。
7）硫化物。
油田水中的硫化物（主要是H2S）可能是自然存在于水中的，也可能是由于水中存在的硫酸盐还原菌（SRB）产生的。
此外，硫化物也可能对堵塞产生一定的影响，这是因为硫化铁（FeS）既是一种腐蚀产物，也是一种潜在的地层堵塞物。
8）细菌总数。
由于油田水中细菌的存在，既可能引起腐蚀，也有可能引起堵塞。
2.2.1油田水常见的水垢类型
油田水中通常只含有少数几种水垢，油田水常见的水垢及影响结垢的主要因素见表2-1。
其中，油田污水中最常见、影响最大的水垢是碳酸钙，它在水中的溶解度是很低的，因此在油田水中，十分重要的溶解和沉淀问题就是碳酸钙的溶解平衡。
碳酸钙在水中的溶解反应为：
Ca2++CO32-=CaCO3（2-3）
CO32-离子的浓度直接受水的pH值和碳酸平衡状态的影响。
碳酸平衡各级反应式为：
表2-1油田水常见的水垢及影响因素
名称
化学式
结垢的主要因素
碳酸钙
CaCo3
二氧化碳分压、温度、含盐量、pH值
硫酸钙
CaSO4+2H2O（石膏）
CaSO4（无水石膏）
温度、压力、含盐量
硫酸钡
硫酸锶
BaSO4
SrSO4
温度、含盐量
铁化合物
碳酸亚铁
硫化亚铁
氢氧化亚铁
氢氧化铁
氧化铁
FeCO3
FeS
Fe（OH）2
Fe（OH）2
Fe2O3
腐蚀、溶解气体、pH值
腐蚀、溶解气体、pH值
CO2+H2O=H2CO3 （2-4）
H2CO3=H++HCO3- （2-5）
HCO3-=H+CO32- （2-6）
由反应式（2-5）和反应式（2-6）可以得到:
2HCO3-=CO32-+H2CO3 （2-7）
由反应式（2-4）和反应式（2-7）可以得到:
2HCO3-=CO32-+CO2+H2O （2-8）
反应式（2-8）是水中三种状态碳酸的统一化学式，即游离碳酸（CO2、H2CO3）、重碳酸盐碳酸（HCO3-）和碳酸盐碳酸（CO32-）的统一化学式。
水中的离子要同时参与碳酸平衡和碳酸钙溶解平衡两方面的反应，所以，油田水中碳酸钙的溶解平衡可以用下列可逆反应来表示
Ca（HCO3）=CaCO3↓+CO2↑+H2O （2-9）
当该反应达到平衡时，油田水中溶解的碳酸钙，二氧化碳和碳酸氢钙量保持不变，这时不会在管道、用水设备和油井的岩隙中产生结垢现象。
影响碳酸钙溶解平衡的因素主要有：
①二氧化碳的影响；②温度的影响；③pH值的影响；④含盐量的影响[1]。
2.3结垢的理论
1、不相容论。
两种化学上不相容的液体（不同层位含不相容离子的地层水，地层水与地面水，清水与污水）相混，因为含有不同离子或不同浓度的离子，就会产生不稳定的、易于沉淀的液体。
如胜利纯化油田，两个不同层位的水一混合就结垢，主要因为一层含SO42-，另一层含Ba2+,Sr2+较多，混合生成BaSO4。
长庆马岭油田南区地层水含Ba2+;，但不含SO4;;，而注入洛河水含SO42-;，较多，故采出原油和水中含Ba2+;，SO442-;，、，使大部分计量站和转油站都结垢，严重地影响了生产。
2、热力学条件变化论。
当井下热动力条件不变时，即使有不相容离子，且为过饱和溶液，也会处于稳定状态。
在油井生产过程中，和油气水处理管线设备运转过程中，压力下降，温度下降，或流速变化，高矿化度水就会结垢。
对油井来说，一般井下300～400米处结垢最严重，对集输处理管线来说，污水管线结垢最严重，在弯管处，阀门处更易结垢。
3、吸附论（结晶动力学理论）。
结垢可分三个阶段：
垢的析出、垢的长大和垢的沉积，垢是晶体结构，管线设备表面是凹凸不平的，是微观的毛糙面，垢离子会吸附在壁面，以其为结晶中心，不断长大，成为坚实致密的垢。
第3章超声波在油田上防垢除垢的效应
在石油开采中，提高中后期油井的产量及油田采收率，一直是采油工程中的重要课题之一。
在油井开采过程中，常常会因各种原因在油井中形成一些堵塞物，阻碍原油流入井筒中，降低原油的渗透率.提高原油的渗透率，可采用各种物理化学的方法.其中物理方法有声波技术.磁学技术.电磁场技术等.超声波采油技术则是近几十年发展起来的三次采油技术之一，通过声波处理生产油井.注水井及近井油层，使油层中流体的物性及流态发生变化，改善井底近井油层的流通条件及渗透性，解除采油井!
注水井的堵塞及油井防垢.除垢.防蜡，提高采液量.原油产量和注水量，降低原油的粘度，提高原油水在多孔岩石中的渗透率。
超声波防垢主要是利用超声波强声场处理流体，使流体中成垢物质在超声场作用下，其物理形态和化学性能发生一系列变化，使之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管壁形成积垢。
3.1超声波防垢技术
超声波即频率大于20kHz的声波，是一种具有很多功能的机械波，其优点在于传播的方向性好.穿透力强。
在固体.液体中传播时衰减小，因此广泛用于固体及液体介质中。
在功率超声技术方面，超声波除垢防垢用途很广泛，主要是利用强声场.低频超声波处理流体，破坏成垢条件。
并且能使流体中成垢物质在超声场的作用下。
物理形态和化学性发生一系列变化，使之分散.粉碎.松散.松脱.而不易附着管壁.器壁形成积垢。
3.2超声波的防垢机理主要表现
1）“空化”效应
超声波的辐射能对被处理液体介质直接产生大量的空穴和气泡，也就是把液体拉裂而形成无数极微小的局部空穴，当这些空穴和气泡破裂或互相挤压时，产生一定范围的强大的压力峰，这一强压力峰能使成垢物质粉碎悬浮于液体介质中，并使已生成的垢层破碎使其易于脱落。
根据理论和实践测算，用20KHz、50W/cm2的超声波对1cm3液体辐射时，其发生空化事件的气泡数为5×104/s，局部增压峰值可达数百甚至上千大气压。
2）“活化”效应
超声波在液体介质中通过空化作用，可以使水分子裂解为H·自由基和HO·自由基，甚至H+和OH-等。
而OH与成垢物质离子可形成诸如CaOH、MgOH等的配合物，从而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相对提高。
也就是说，超声波能提高流动液体和成垢物质的活性，增大被水分子包裹着的成垢物质微晶核的释放，破坏垢类生成和在管壁沉积的条件，使成垢物质在液体中形成分散沉积体而不在管壁上形成硬垢。
3）“剪切”效应
水分子裂解产生的活性H自由基的寿命比较长，它进入管道后将产生还原作用，可以使生成的积垢剥落下来。
而且因超声波辐射在垢层和管壁上，加热管上的吸收和传播速度不同，产生速度差，形成垢层与管壁界面上的相对剪切力，从而导致垢层产生疲劳而松脱。
4）“抑制”效应
通过超声波的作用，改变了液体主体的物理化学性质，缩短了成垢物质的成核诱导期，刺激了微小晶核的生成。
新生成的这些微小晶核，由于体积小、质量轻、比表面积大，悬浮于液体中，生成比壁面大得多的界面，有很强的争夺水中离子的能力，能抑制离子在壁面处的成核和长大，让既定结构的晶粒长大，因此减少了粘附于换热面上成垢离子的数量，从而也就减小了积垢的沉积速率。
实验研究表明，当液体的过饱和系数一定时，在同一超声波参数下，超声波作用时间越长，则成垢物质的成核诱导期越短。
此外，超声波辐射压力、声学毛细管现象、科努瓦诺夫效应和声流对积垢生成也有直接的防除效应。
3.3超声波防垢的应用
功率超声是利用振动形式的能量使物质的一些物理，化学和生物特征状态发生改变或者使这种改变过程加快的一门技术"目前，与传统清垢方法有着本质区别的超声波防垢，因具有在线连续工作!
自动化程度高!
工作性能可靠!
无环境污染!
运行费用低等特点，已大量应用在防止和清除水质结垢的管线中，另外在流体物料结垢的管线中也取得了成功的应用，有的甚至还应用在流体物料温度高达360e的条件下。
（一）防止化工厂的冷却器水质结垢
梁成浩对水处理系统施加20的超声波，研究了其对阻垢的作用"结果表明，超声处理具有明显的阻垢功效，阻垢率可达85%以上，适宜的超声处理时间为间隔10，开启3等研究了超声技术在工业除水垢方面的作用，发现加超声比不加超声其除垢效果约提高2~8倍"2000年北京燕山石化化工一厂高压装置大检修期间，在一线最重要的冷却器214!
215上水总管线加装了2台24210型超声波防垢器，使用后不仅减少了走水管道内壁的水垢，而且一线的单位产量还有所提高"利用超声技术对冷换装置进行技术改造，体现在清垢周期的延长!
结垢的沉积量减少!
值的提高!
清垢费用的降低以及设备利用率的提高。
（二）采油过程中防垢在石油开采中，随着温度!
压力的下降，溶解在地层水中的各种矿物盐类将沉积在井底设备泵内及管线内，这就是油田上常见的结垢现象"结垢将影响油井产量，严重的甚至堵塞管道，使井底泵卡死不能泵油，超声波防垢的效果很明显，前苏联下瓦尔托夫油气联合局曾经进行了机械式超声波的防垢试验，将检泵周期由平均64延长到170~250。
致谢
感谢彭斯军师傅在转正论文中对我的细心指导，虽然在做论文时发现自己知识的匮乏，但在指导老师以及其他师傅的指导下我努力完成了论文。
在单位这一年当中感谢油田技术事业部的各位师傅和领导的关心和指导，在工作和生活当中对我无微不至的关怀和照顾，使我在工作中不但掌握了专业知识还学会了做人处事。
祝：
各位师傅身体健康、工作顺利！
参考文献
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