油井硫酸鈣除垢劑配方研究與應(yīng)用

杜芬芬

摘要：油田注水開發(fā)中后期，對(duì)應(yīng)生產(chǎn)油井普遍存在結(jié)垢現(xiàn)象，結(jié)垢嚴(yán)重油井常常因結(jié)垢造成泵卡、停產(chǎn)，影響生產(chǎn)，增大開發(fā)成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析膠結(jié)物中，都不同程度地存在有石膏，在生產(chǎn)過程中，石膏會(huì)從地層膠結(jié)物中脫出，隨著開采過程的溫度、壓力變化，硫酸鈣逐漸析出沉積，形成鹽垢。油井結(jié)垢過程是一定濃度成垢離子在一定物理化學(xué)條件（如壓力、溫度）和設(shè)備表面狀況下結(jié)晶與聚集的過程。平衡狀態(tài)遭破壞是導(dǎo)致結(jié)垢的根本原因。本文研究了油井硫酸鈣除垢劑配方，通過室內(nèi)及現(xiàn)場實(shí)施并應(yīng)用后取得顯著效果。

關(guān)鍵詞：注水開發(fā)；油井結(jié)垢；硫酸鈣除垢劑；配方研究；應(yīng)用

油田在長期注水開發(fā)過程中，生產(chǎn)油井普遍存在結(jié)垢現(xiàn)象。油井結(jié)垢往往會(huì)導(dǎo)致油井產(chǎn)液量下降，產(chǎn)油量減少。針對(duì)油井結(jié)垢特點(diǎn)，開展油井硫酸鈣除垢劑配方研究，通過室內(nèi)及現(xiàn)場實(shí)施，生產(chǎn)油井均見到了較好的除垢效果，對(duì)油田生產(chǎn)起到了積極促進(jìn)的作用。

1 結(jié)垢原因分析

1. 1 溫度的影響。硫酸鈣在水中的溶解度比碳酸鈣大，硫酸鈣在25 ℃的蒸餾水中的溶解度為2 090 mg/L，比碳酸鈣的溶解度要大幾十倍。當(dāng)溫度小于 40 ℃時(shí)，油田中常見的硫酸鈣是石膏；當(dāng)溫度大于 40 ℃ 時(shí)，油田水中可能出現(xiàn)無水石膏。當(dāng)溫度約為40 ℃時(shí)，硫酸鈣（石膏）的溶解度達(dá)到最大值；然后，硫酸鈣（石膏）溶解度開始下降；當(dāng)溫度超過 50 ℃ 時(shí)，硫酸鈣（石膏）的溶解度明顯下降。與硫酸鈣（石膏）溶解特性完全不同，硫酸鈣（無水石膏）的溶解度隨著溫度升高是減小的。當(dāng)溫度大于50℃時(shí)，無水石膏的溶解度變得比石膏更小，因而在較深和較熱的井中，硫酸鈣主要以無水石膏的形式存在。實(shí)際上，垢從石膏轉(zhuǎn)變?yōu)闊o水石膏的溫度，是壓力和含鹽量的函數(shù)。

1. 2 壓力的影響。硫酸鈣在水中的溶解度隨著壓力而增大，增大壓力對(duì)硫酸鈣溶解度的影響是物理作用，增大壓力能使硫酸鈣分子體積減小，然而要使分子體積發(fā)生較大改變，就需要大幅度增加壓力。在油氣儲(chǔ)層內(nèi)井下垢沉積環(huán)境中，壓力變化很大，可從幾十甚至幾百兆帕降至幾兆帕或低于大氣壓。碳酸鈣和硫酸鈣結(jié)垢主要是高壓降造成的。

2 硫酸鈣垢清除方法研究

針對(duì) CaSO4 不易清除的問題，通過室內(nèi)研究，研制出了由螯合劑、分散劑等組成的硫酸鈣除垢劑，通過螯合劑與鈣離子螯合反應(yīng)，結(jié)合成比硫酸鈣更加穩(wěn)定的絡(luò)合物，促進(jìn)硫酸鈣分子中的鈣離子的電離，實(shí)現(xiàn)對(duì)硫酸鈣的溶解，同時(shí)加入分散劑可通過分散作用或晶格畸變作用，使沉淀懸浮于水中，加速了硫酸鈣的溶解，可以與管柱快速分離，可大大增加溶垢劑與垢接觸面積，加快除垢速度。

2. 1 螯合劑除垢機(jī)理

螯合劑（L）可以與 Ca2 +形成1：1 的絡(luò)合物。通過螯合劑與鈣離子螯合反應(yīng)，結(jié)合成比硫酸鈣更加穩(wěn)定的易溶于水的絡(luò)合物，促進(jìn)硫酸鈣分子中的鈣離子的電離，實(shí)現(xiàn)對(duì)硫酸鈣的溶解。與成垢金屬離子形成的螯合物穩(wěn)定常數(shù)愈大，垢的溶解量愈大。用螯合劑（L）溶解硫酸鈣垢（CaSO 4）時(shí)，當(dāng)溶垢劑液相和硫酸鈣固相達(dá)成溶解-沉淀動(dòng)態(tài)平衡后，由于鈣垢在水中的溶解度相對(duì)較大，在螯合劑中的溶解量與螯合劑濃度呈嚴(yán)格的正比關(guān)系。因而在實(shí)際應(yīng)用中，為提高除垢效率可以在經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)盡可能提高螯合劑的使用濃度。

2. 2 螯合劑的篩選

2. 2. 1 EDTA 除垢劑。應(yīng)用 18%～30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）EDTA（酸或二鈉鹽）有效地清除 CaSO 4 垢，作用機(jī)理與清除CaCO3 垢相同。對(duì)于 CaSO4 垢，清除效率在于破壞垢的骨架，使之懸浮或溶解在水中。CaSO 4 的溶解度非常低，如果加入另外一種陽離子或陰離子絡(luò)合劑，則可使CaSO 4 轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌芙舛却蟮枚嗟?Ca 2 + 鹽，當(dāng)CaSO 4 轉(zhuǎn)化為 EDTA 二鈉鈣鹽時(shí)，可使其溶解度提高到 180 倍以上。陰離子型 EDTA 二鈉鹽與硫酸鈣的反應(yīng)，正是通過絡(luò)合作用來實(shí)現(xiàn)的。EDTA 的正離子有6 個(gè)活性位置，化合價(jià)可達(dá) -4 價(jià)，它和 Ca 2 + 絡(luò)合的反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)，Ca 2 + 占據(jù) EDTA 的 4 個(gè)活性位置。

2. 2. 2 有機(jī)膦酸鹽防垢劑

清除油田垢，除常用的乙二胺四乙酸衍生物外，還可以用 ATMP、EDTMP、HEDP、HPMA 等常用防垢劑。膦酸鹽能把產(chǎn)生沉淀的金屬離子（陽離子）變成可溶性的螯合離子或絡(luò)合離子，從而抑制陽離子（如Ca 2 +、Mg 2 +、Ba 2 +）和陰離子結(jié)合產(chǎn)生沉淀。

2. 3 螯合劑的確定

根據(jù)油田實(shí)際狀況，由于 EDTA 價(jià)格高、除垢過程影響因素較多，經(jīng)過研究決定選用價(jià)格相對(duì)較低，且溶垢率較高的膦酸鹽來清除硫酸鈣垢。通過螯合劑比研究，選用膦酸鹽 HEDP 作為硫酸鈣垢的除垢劑用螯合劑。HEDP 的防垢性能主要是由于它具有良好的螯合性能。HEDP 在水溶液中能離解成 H+和酸根負(fù)離子。負(fù)離子及分子中的氧原子可以與許多金屬離子生成穩(wěn)定的螯合物。由 HEDP 與金屬離子形成的六元環(huán)螯合物具有相當(dāng)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。常用的膦酸鹽與金屬離子形成螯合物的穩(wěn)定常數(shù)。穩(wěn)定常數(shù)越高，防垢性能越好。

2. 3. 1 螯合劑 HEDP 加量優(yōu)選。配制5%、10%、15%、20%、25% HEDP 的螯合劑水溶液100 mL，分別加入3 g 左右硫酸鈣垢，調(diào)整 pH 到8，放入水浴鍋，恒溫 50 ℃，每隔4 h，取出晾干稱量，記錄仍呈固態(tài)的硫酸鈣垢的質(zhì)量變化，觀察除垢效果。可以看出，溶液螯合劑HEDP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%時(shí)，完全反應(yīng)最快，反應(yīng)時(shí)間最短；隨著除垢劑 HEDP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，除垢量增加幅度逐漸變緩。分析認(rèn)為，是溶液中生成的螯合劑金屬絡(luò)合物濃度增大，由于位阻和同離子效應(yīng)，阻礙了絡(luò)合反應(yīng)的進(jìn)行。

2. 3. 2 分散劑選擇。分散劑能降低垢表面微粒之間的粘合力，可通過分散作用或晶格畸變作用，使密實(shí)的垢塊變疏松、分散，把水中含有 CaCO 3 及 CaSO 4 晶核的膠體顆粒吸附在高分子聚合物的鏈條上，結(jié)成礬花，懸浮在水中，增加溶垢劑與垢接觸面積，加快垢的分離及除垢速度。常用的分散劑有 NaOH、HPAM、PAAS 等，實(shí)驗(yàn)選用低分子聚合物 PAAS 作為除垢劑的分散劑。配制 10% HEDP 螯合劑溶液，分別取 100 mL加入放入錐形瓶中，按順序加入 0，0. 02%、0. 05%、0. 10%、0. 50% PAAS 分散劑，在每個(gè)錐形瓶加入3. 000 0 g 左右的垢，放入50℃水浴鍋中，放置24 h觀察溶垢效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：除垢劑中分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在小于0.05%時(shí)，除垢量隨分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而升高；但質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0. 05% 后，效果逐漸變差。因此確定分散劑的最佳加入量為0. 05%。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

A井是油田沙三中1-5 的一口生產(chǎn)井，生產(chǎn)層位沙三中 1-2，井段3281. 5～3 313. 0 m，共12. 3 m，日產(chǎn)液9. 5 t，日產(chǎn)油0. 7 t，含水 92. 4%。該井在 2014 年12月作業(yè)檢泵時(shí)，發(fā)現(xiàn)起出管柱結(jié)垢嚴(yán)重，內(nèi)壁結(jié)垢2～3 mm，采用酸化除垢，共注入酸液 15 m 3，開井后日產(chǎn)液10. 1 t，日產(chǎn)油1. 0 t，含水90. 1%，日增油0. 3 t，效果不理想。2017年 12 月該井泵漏檢泵作業(yè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)抽油桿和管柱結(jié)垢嚴(yán)重，由于上次酸化除垢措施效果不明顯，通過對(duì)垢樣進(jìn)行詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)該井垢有78. 6%的硫酸鈣，16. 5% 的碳酸鈣，4. 9% 的碳酸鐵。其中占大部分的硫酸鈣垢是普通酸液所不能解除的，于現(xiàn)全方位的清潔。

參考文獻(xiàn)

[1] 新型硫酸鈣除垢劑的性能和應(yīng)用研究[J]. 孔令廣，賀茂才，劉見. 化學(xué)工程師. 2016（10）

（作者單位：中石化華北油氣分公司采油一廠）