采气井筒防垢研究毕业设计.docx

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采气井筒防垢研究毕业设计

重庆科技学院

毕业设计（论文）

题目采气井筒防垢研究

院（系）石油与天然气工程学院

专业班级油气储运工程

2013年6月7日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

学生毕业设计（论文）原创性声明

本人以信誉声明：

所呈交的毕业设计（论文）是在邱正阳导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。

与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业设计（论文）作者（签字）：

2013年6月7日

摘要

在油气田开发过程中，管线的结垢现象普遍存在于生产系统中，特别是在开发后期产水量开始增加时。

井筒的结垢导致井筒流通横截面积减小，流体输送效率也会随之下降，更严重的还可能导致井筒腐蚀穿孔甚至报废，严重影响油气的安全生产。

此外，频繁修井会耗费大量时间、人力、物力、财力。

到目前为止，研究油田管线结垢己有很多人，并取得了不错的效果，但是针对气田生产管线结垢研究却相对较少。

为减少结垢现象的出现，稳定气井的生产效益，必须保证地下井筒的畅通无阻。

此次设计分析蜀南气矿一些气井的水和垢样的组成，鉴定易结垢类型和水质类型，然后再通过文献查阅以及理论分析，提出防止井筒结垢的技术和工艺措施。

关键词：

采气井筒结垢防垢措施

ABSTRACT

Intheexploitationofoilandgasfield，pipelinescalingphenomenoniswidespreadintheproductionsystem，especiallyinthelaterstageofdevelopmentofwaterproductionbegantoincrease.Wellborescalingleadstowellboreflowcross-sectionalareadecreases，thefluidconveyingefficiencywilldecrease，themoreseriousandmayleadtowellborecorrosionperforationevenscrapped，seriousimpactonoilandgasproductionsafety.Inaddition，frequentrepairwillspendalotoftime，manpower，materialresources，financialresources.Sofar，researchonoilpipelinescalinghasalotofpeople，andhaveachievedgoodresults，butthescaleofproductionpipelinegasknotisrelativelysmall.

Inordertoreducethefoulingphenomenon，stablegasproductionbenefit，mustensurethattheundergroundwellboreunimpeded，itisnaturalgaswellexploitationandRealizationofpipelineandprocessconditions.Therefore，analysisofthecompositionofsouthernSichuangasmineofsomegaswellsinwaterandscaleofthisdesign，andidentificationofscalingtypeandqualitytype，andthenthroughtheliteraturereviewandtheoreticalanalysis，putforwardtopreventthetechnologyandprocessmeasuresofwellborescale.

Keywords:

gaswellbore;scaling;scaleprevention;measure

1绪论

油气井采出水水质结垢是油气田生产过程中遇到的最严重问题之一。

随着油气井在开发后期采出液的增多，含水随之也越来越高，油气井的腐蚀、结垢的现象会愈加严重。

井筒的结垢导致井筒流通横截面积减小，流体输送效率也会随之下降，会发生卡泵、漏失、管杆腐蚀磨损等现象，极大的影响了油气田的正常生产，给油田带来了巨大的经济损失。

因此，采气井筒的防垢研究能够有效减少油井腐蚀、结垢现象，对稳定采气产量、减少作业井次、提高经济效益均有重要意义。

1.1国内防垢措施外研究现状

所谓结垢，就是两种不相容的水溶液混合或一种水溶液经历物理、化学变化，使一种或多种化合物的溶解度降低时产生沉淀（固体沉积物）的现象。

垢通常是些溶度积很小的无机物，例如CaSO4、MgCO3、CaCO3等。

为保证油气田的正常生产，防垢和除垢是两种意义不同的方法。

防垢指在垢未形成之前采取措施，避免或减缓垢的形成；除垢是指在垢己经生成后，采取相应的工艺措施将其清除。

对于井筒来说，防垢和除垢必须保证油气井及地层条件不被破坏，井内不被污染，同时也能有效的防止垢的再次形成。

最后根据垢的数量和类型选择最佳的除垢技术。

井筒常用的防垢方法有物理法、化学法及机械法。

机械防垢法是利用机械方法来防止产生垢层。

1.1.1化学防垢法

通过稀释和加入阻垢剂阻止或减缓结垢，其机理为：

稀释作用、增溶作用、分散作用、静电斥力作用、晶体畸变作用、去活化作用。

1　增溶作用：

利用含羟基或磺基功能团的高分子防垢剂，与CaCO3或CaSO4等无机盐中的Ca2+发生络合反应，生成可溶性的络合物，从而起到增溶作用防垢。

2　分散作用：

利用聚羧酸阴离子溶于水后分解成带负电的聚离子，与流体中的垢离子碰撞时产生物理或化学吸附，使垢离子吸附在聚离子的分子链上呈分散状态悬浮于流体中。

3　静电斥力作用：

高分子阻垢剂具有较强的电荷密度，可以产生离子斥力，阻止流体中的无机盐微粒相互接触。

4　晶体畸变作用：

防垢剂的高分子络合能力阻碍和干扰无机盐垢的正常生长，打乱了晶体的正常排列，致使垢晶发生畸变不能结成硬垢，而松散的垢晶在流体的冲刷下被带走。

1.1.2物理防垢法

物理法防垢即通过物理方法阻止无机盐沉积的方法。

其作用原理有：

振散作用、电解作用、电化学效应、磁场效应、辐射作用、催化作用、转嫁作用。

物理法防垢的方法有：

1　晶种技术：

用一个晶种在液体中作为结垢体，组织其他部位结垢。

2　超声波防垢：

利用超声波的振动作用和空化作用防垢。

产品有：

超声波除垢器、超声波解堵技术、声波防垢器、声磁耦合防垢器。

3　磁防垢和电磁防垢：

能量转换和传递，通过磁场作用影响流体的结晶动力学，使流体中的垢离子能级改变，电导率变化使水中离子浓度和迁移率变化，使井液不易沉积结垢。

感应磁场机理：

流体介质在强磁场作用下形成极性分子，分子相互排斥产生扭曲、变形、反转和震动使垢晶不易沉积。

4　高频及射频防垢：

用高频电场使水中离子极化，高频振荡使垢晶破碎。

产品有高频防垢器、射频防垢除垢器、高频水处理器。

5　变频共振防垢：

产品有变频防垢除垢。

6　电解和电化学防垢：

利用电解原理改变垢结晶方向防垢。

产品有静电处理器、电子水处理器、电解质防垢器、恩曼防垢防腐工具。

1.1.3油气田防垢技术进展

在采气过程中，地层水和采出水含有结垢离子，注水的加入使得不同类型的水质发生反应，形成溶解度较小的沉淀物，另一种情况就是气井内部的物理变化，使水中的成分发生变化，溶解度降低。

例如采出液沿着井筒向上流动时，由于温度、压力的变化，使得气井井筒结垢。

沉淀物和悬浮物附在设备的表面和管壁上，形成结垢。

在集输和注水中，气田水中含有大量的钙、镁离子，极易与水中的碳酸根、硫酸根结合形成无机盐垢。

另外一种垢是硫化铁垢，它是由CO2、H2S和溶解于水中的氧腐蚀所产生的物质，垢的形成后，使其摩擦阻力增大，管道金属表面产生点蚀穿孔，造成管道的损坏。

国内大多气田都存在严重结垢问题，蜀南气矿气井井筒、油管底部、井口、泵上、集输系统都存在严重的结垢，这些设备上的垢与金属表面存在着缝隙，为微生物的繁殖提供了丰富的营养源，细菌的生长繁殖加剧了金属的腐蚀。

油田上常见的几种垢有碳酸钙垢、硫酸钙垢、硫酸钡垢、硫酸锶垢及铁化合物。

其中还有一部分垢是来源于溶解氧腐蚀金属生成的铁氧化物。

控制油田井筒和集输站水结垢的方法主要是除去结垢的Ca2+、Mg2+、SO42-和HCO3-离子以及溶解性气体。

物理法的防垢机理是应用某些物理仪器设备的功能抑制垢的生成；化学法的防垢机理是应用化学防垢剂的某些特性阻止垢的形成；工艺法的防垢机理是改变或控制某些作业工艺条件来破坏或减少垢生成的可能性。

不同方法的作用机理及应如表1-1所示。

表1-1防垢方法及应用

防垢方法

防垢机理

物理法防垢

超声波

处理

超声波频率振荡，促使微晶分散

而难于长大沉淀，降低结垢速度

磁处理

外加强磁场可影响水中离子间的吸引力，改变

无机盐结晶。

适用于含盐<3000mg.L-1的水溶液

化学法防垢

加酸或

注CO2

加盐酸或注CO2，等使PH控制在6.5～7.2，防止碱性垢，但加酸量不易控制，过多会造成腐蚀

加防垢剂

防垢剂不仅可鳌合成垢离子，还能改变结垢状态，使垢变软，对钡鳃垢和钙垢均有效

工艺法防垢

选择与地层水配伍的注入水，选择性封堵地层产出水

控制油气井投产流速和生产压差，以免加快垢物生长

提高管内油水液流速度，使井中油水混合液形成紊流状态

在油气田防垢技术上，使用化学防垢剂是最常用的方法。

美国在30年代前期，就已经开始在油气田使用防垢剂，我国对油田阻垢的研究较国外晚20～30年，70年代后，国内研制出带有强极性基团的多元共聚物，并使用马来酸、甲基丙烯酸、丙烯酞胺等合成新的多元聚合物。

上世纪90年代初，聚合物防垢剂中含磷有机防垢剂出现，使得防垢剂的发展跨越到新的高度。

这种含磷聚合物能与钙镁离子等形成鳌合物而使垢物溶解度增大，除垢性能相对较好。

随后，随着人们环保意识的提高，人们开始关注于无毒、可降解的绿色阻垢剂，随后提出了环境友好型阻垢剂，它的出现使阻垢剂的发展有了一个质的跨越。

在国外，美国在20世纪90年代开发出绿色环保的聚天冬氨酸（PASP），并相继建成了较大规模的生产装置。

1.2采气筒防垢研究的目的和意义

蜀南气矿自上世纪五十年代以来，陆续勘探开发出多个含气构造气藏，为我国石油工业和社会经济建设作出了突出贡献。

然而蜀南地区绝大多数气井产水。

自1980年以来，采取泡排、气举、电潜泵等6项排水工艺措施，收到较明显的增产效果。

不过现在蜀南气矿有很多气井生产年限较长，产气量逐渐下降，一些气井不同程度出现带水现象，采出的地层水矿化度较高，主要离子成分为Ca2+、Mg2+及Cl-、HCO3-，部分地层水存在少量H2S，这些温度高达60～70℃的采出水经过输送管线汇集后从回注井重新注入地层。

当井筒中液体在流动过程中温度、压力发生变化、地层水与回注水混合时不配伍，导致井筒、气井管汇以及地面集输管线部位形成结垢，高矿化度地层水流经生产井和回注井以及近井地层时，还出现地层裂缝结垢现象。

蜀南气矿生产运行中，回注水量越大，注水时间越长，井筒也就越容易结垢，从而导致井筒流通截面减小，气体输送效率下降，回注难度增大。

1987年以来，该矿加大了排水采气工艺力度，排水量剧增，结垢现象极为严重，甚至导致气井停产，严重制约了天然气的生产。

为减少结垢现象出现的可能性，提高气矿的生产效益，必须保证地下井筒的畅通无阻，它是天然气顺利开采及实现管输及和工处理的前提条件。

因此，应首先分析蜀南气矿一些典型井的采出水和垢样的组成，判断其水质类型、易结垢类型，然后选择防垢剂，选择固体防垢块载体材料来确定固体防垢块复配方，再通过文献查阅，提出提出防垢措施和建议，这对于保持气田稳产、提高采收率、降低生产成本均有重要意义。

1.3结垢机理研究及防垢措施发展动态

1.3.1结垢机理

结垢机理主要包括吸附论、不相容论、热力学条件变化论三种。

（1）吸附论

结垢可分为三个阶段:

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。

（2）不相容论

两种化学不相容的液体（地层水与地面水、不同层位含有不相容的离子的地层水）相混合，因为不同离子或不同浓度的离子会产生不稳定的、易于沉淀的固体。

（3）热力学条件变化论

在油气井生产的过程中，温度上升，压力下降，或流速变化，高矿化度水就会结垢。

垢产生的原因是，一些离子结合后会形成在水中不溶、难溶或微溶的物质，这些物质累积后就会逐渐成为垢。

一般来说，这类垢主要是由是由硫酸盐和碳酸盐组成的，典型的有CaCO3、MgCO3、CaSO4、SrSO4、BaSO4等。

这种垢的形成一般会经历成核长大的过程，先是少量垢核心在井筒表面形成、附着，然后更多的其它成垢化合物在这些核心周围聚集，成为更大的垢团。

随着液流的冲刷，一部分垢被冲掉，但其它的垢继续生成，最终可能阻塞井筒、气井管汇和地面集输管道。

随着环境水温的升高，这些难溶或微溶盐的溶解度下降，会有更多的物质从水中析出结垢。

不同的难溶物质在相同温度下垢溶度积Ksp不同，相同类型的难溶物质的溶解度越小，Ksp越小，越难溶。

影响Ksp的因素主要包括难溶物质性质和温度。

垢溶度积Ksp如表1-2所示。

表1-2常见垢的溶度积Ksp

垢样

溶度积

垢样

溶度积

CaCO3

2.8×10-9

FeCO3

3.2×10-11

MgCO3

3.5×10-8

Fe（OH）2

8.0×10-13

BaSO4

1.1×10-10

FeS

8.3×10-13

CaSO4

9.1×10-8

Mg（OH）2

2×10-11

SrSO4

3.2×10-7

CaSiO3

2.5×10-8

注:

溶度积为25℃时测定

1.3.2CaCO3垢形成过程

结垢是气田注入水质量控制中很重要的一个问题。

气田注水过程中，由于温度、压力等条件的变化，往往会造成地层或井筒的结垢。

水垢的沉积会引起设备和管道的局部腐蚀，在短期内穿孔而破坏，还会降低水流截面积，增大水流阻力和输送能量，增加水对设备的损害程度。

碳酸盐垢是油气田生产过程中最为常见的一种沉积物。

常温下，碳酸钙溶度积为2.8×10-9，在25℃，溶解度0.053g/L。

在气田地面集输系统，由于温度升高，压力降低，CO2释放，使CaCO3沉淀的可能性增加；而在气井生产过程中，当流体从高压地层流向压力较低的井筒时，CO2分压下降，水组分改变，就成为CaCO3溶解度下降并析出沉淀的主要原因之一。

气田注水多采用污水回注，其中就含有多种成分的离子，不同水型的水回注或混注时，随着注水过程中压力、温度等条件的变化，就可能使原来稳定的体系失去平衡，产生沉淀。

其基本原因就在于水中的结垢离子的含量太高，钙离子和碳酸根离子或碳酸氢根离子结合就会反应生成沉淀。

HCO3-→H++CO32-（1-1）

Ca2++CO32-→CaCO3↓（1-2）

Ca2++2HCO3-→CaCO3↓+CO2+H2O（1-3）

通常情况下，pH值大于7.5以后才发生方程式（1-1）的化学反应。

而地层水的pH值大多都低于7.5。

因此，多数地层水中都不含或含有很少的碳酸根离子，方程式（1-3）更能代表油气田水结垢的机理。

1.3.3CaSO4垢的形成过程

CaSO4是另一种常见的固体沉淀物。

CaSO4常常直接在输水管道、锅炉和热交换器

等的金属表面上沉积而形成垢。

CaSO4的晶体比CaCO3的晶体小，所以CaSO4垢一般要比CaCO3垢更坚硬。

去除CaSO4垢要比去除CaCO3困难，在常温下很难去除。

对于CaSO4垢，在38℃以下时，生成物主要是石膏CaSO4•2H2O，超过这个温度主要生成硬石膏CaSO4。

影响CaSO4垢生成的因素有以下三个：

（1）温度的影响

CaSO4在水中的溶解度比CaCO3大，CaSO4在25℃蒸馏水中的溶解度为2090mg/L,比CaCO3的溶解度要大几十倍。

当温度小于40℃时，油田中常见的CaSO4是石膏；当温度大于40℃时，油田水中可能出现无水石膏。

当温度约为40℃时，CaSO4的溶解度达到最大值；然后，随着温度升高CaSO4溶解度逐渐下降；当温度超过50℃时，CaSO4的溶解度明显下降。

当温度大于50℃时，无水石膏的溶解度变得比石膏小很多，因而在温度较高的井中，CaSO4主要以无水石膏的形式存在。

（2）盐量的影响

含有NaCl和MgCl的水对CaSO4的溶解度有明显的影响。

CaSO4在水中的溶解度不但与NaCl浓度有关，而且还和MgCl有关。

当水中只含有NaCl时，NaCl浓度在2.5mol/L以下时，NaCl浓度的增加会使CaSO4的溶解度增大；但NaCl含量进一步增加，CaSO4的溶解度又减小。

（3）压力的影响

CaSO4在水中的溶解度随着压刀增大而增大，增大压力能使CaSO4分子体积减小，然而要使分子体积发生较大改变，就需要大幅度增加压力。

1.3.4常见井筒结垢机理

气田垢产生的原因是，一些离子结合后会形成在水中不溶、难溶和微溶的物质，这些物质都很容易成为积累的水垢，即盐类垢。

通常，这类垢是由碳酸盐和硫酸盐组成的，典型的有碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶等。

这种垢的形成一般会经历成核长大的过程，先是少量垢核心在管道表面形成、附着，然后更多的其它成垢化合物在这些核心周围聚集，成为更大的垢团。

随着水流的冲刷，一部分垢被冲掉，但其它的垢会继续生成，最终可能阻塞管道，随着环境水温的升高，这些难溶或微溶盐的溶解度下降，就有更多的物质从水中析出，成为水垢。

在一些管道中，当温度高于60℃时才会出现明显的结垢趋势，温度越高，结垢的趋势越严重。

水的流速也会明显地影响结垢的趋势。

水的流动越缓和，成垢核心生长的环境越稳定，随着管道输送介质流速的降低，水垢出现的概率逐渐提高。

腐蚀导致的水垢是由管道本身的材料转化而成的。

有些腐蚀介质会将管道中的钢铁氧化，使其形成铁的氧化物、氢氧化物等。

水中的溶解氧通过电化学腐蚀的方式来侵蚀管道基体，但是没有其它种类水垢的协助，这种成垢方式难以真正形成。

水垢所覆盖的管道表面在电池反应中成为被腐蚀的阳极而逐渐氧化，并向管壁的内部不断侵入，这种水垢需要格外防范。

一般地，管道内溶解氧的含量高，就会产生严重的腐蚀结垢。

同时，水中溶解的硫化氢气体、二氧化碳气体及铁细菌、硫酸还原菌等都可以借助表面水垢的掩护，在垢下腐蚀管道的基体，形成严重的垢下腐蚀产物（碳酸铁、硫化铁等），并生成新的深层水垢。

常见的引起井筒的结垢原因还有：

1　CO2腐蚀引起的结垢；

2　流速引起的结垢；

3　细菌腐蚀引起的结垢；

4　矿化度引起的结垢；

5　溶解氧腐蚀引起的结垢；

6　结蜡引起的结垢。

1.3.5影响结垢因素

由于垢的成分很复杂，因此影响结垢的因素也很多，最常见的影响因素是：

（1）压力和温度影响

碳酸钙的溶解度随着温度的升高和CO2的分压降低而减小，后者的影响尤为重要。

因为在系统内的任何部位，压力降低都可能产生碳酸钙沉淀。

Ca2++2HCO3-→CaCO3↓+CO2+H2O（1-3）

如果系统内压力降低，溶液中CO2减少，促使反应向右进行，导致CaCO3沉淀。

同时该反应为吸热反应，温度升高，平衡向右移动，有利于CaCO3的析出。

（2）水的成份的影响

水中盐含量增加，通常能增大垢的溶解度，这是一种盐效应。

由于在含盐量低的水中，妨碍成垢离子吸引和结合的非成垢离子较少。

如对CaCO3来讲，它在200g/L盐水中的溶解度较在高纯水中大2.5倍；而BaSO4，在120g/L盐水中溶解度比纯水中大13倍。

（3）管输流动状态的影响

在一般生产井，结垢主要在井筒，并且垢的厚度随深度而增加，表明结垢优先在井底部高度湍流区域发生，如射孔段，其次在层流区。

在地面系统结垢，也易产生于输气管线及注水管线弯头、闸门的滞流区。

即如一般气田生产中常见到的，液流速度快，垢不易沉积，如果流速突然改变或流向改变，都易造成结垢。

（4）pH值的影响

研究表明，提高溶液的pH值，碳酸盐溶解将迅速结晶，将会促进污垢的生长；降低pH值使溶解度增大，减弱了成垢倾向，这种作用对CaCO3垢的影响非常明显，对硫酸钙次之，对硫酸钡（锶）的影响甚微。

介质pH值的确定，需要同时考虑这两方面的问题，选择合适的pH值，推荐范围为6.5～8.0为宜。

（5）结晶过程的影响

在成垢过程中，一般溶度积小硫酸盐易沉积形成主垢层（底垢层），而溶度积大的形成次垢层。

但当底垢层硫酸盐含量很小，水的组成及过饱和程度往往会发生底垢层向次垢层的转变。

1.4研究内容

研究内容包括以下3个方面：

（1）收集资料、选择研究的气井

根据研究计划，选择了几口易结垢的具有代表性的气井，水质数据由指导老师提供，这些井分别是:

1　自2井；

2　荔002-X1井（简称X1井）；

3　荔2井。

（2）防垢研究

1　根据已知水样和垢样指标，选择针对性较强、效果较好的防垢剂。

2　选择固体防垢块载体材料，确定防垢块配比。

（3）防垢措施研究

针对气田开发特点，提出防垢措施，提高防垢效果。

1.5研究技术路线

筛选化学防垢剂，进行理论分析，选择防垢剂。

另外制备固体防垢块用于井筒防垢。

最后根据防垢剂效果和气田开发工艺，综合提出蜀南气矿井筒防垢措施建议。

具体防垢研究技术路线见图1-3。

防垢块的研究

获取水质数据

防垢剂的研究

提出防垢措施

图1-3防垢研究技术路线