油田環(huán)烷酸鹽的危害及其防治探討

張寧，趙威，曾祥紅，李少鵬，邱爽

油田環(huán)烷酸鹽的危害及其防治探討

張寧，趙威，曾祥紅，李少鵬，邱爽

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452）

環(huán)烷酸鹽在油田生產(chǎn)中不僅容易沉積而析出，在泥沙罐或者閥門等形成淡黃色的環(huán)烷酸-泥沙沉積物，而且會(huì)對(duì)生產(chǎn)流體產(chǎn)生很穩(wěn)定的乳化，影響油水分離?？偨Y(jié)了環(huán)烷酸鹽形成的機(jī)理和目前的防治措施，開(kāi)展了防治環(huán)烷酸鹽的藥劑實(shí)驗(yàn)，化解了環(huán)烷酸鹽對(duì)穩(wěn)定生產(chǎn)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，為其他油田選擇出合適的環(huán)烷酸鹽防治的方法提供思路。

環(huán)烷酸鹽；堵塞；藥劑

在過(guò)去的20多年里，環(huán)烷酸鹽已經(jīng)逐漸成為全球范圍內(nèi)許多海洋油田生產(chǎn)所面臨的一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。其原因之一就是因?yàn)槿蚍秶鷥?nèi)對(duì)重油的開(kāi)采越來(lái)越多，而重油中含有更多的環(huán)烷酸。例如歐洲的英國(guó)和挪威北海、亞洲的中國(guó)渤海及南海海域，以及印尼和文萊，北美墨西哥灣、南美巴西、澳大利亞，非洲的安哥拉，幾乎所有大洲的海洋石油開(kāi)采都面臨著這些問(wèn)題［1］。

環(huán)烷酸鹽對(duì)海上原油開(kāi)采帶來(lái)的問(wèn)題主要有兩方面：一是許多油田都面臨的問(wèn)題—原油流動(dòng)保障問(wèn)題。因?yàn)榄h(huán)烷酸鈣的沉積會(huì)嚴(yán)重的堵塞原油生產(chǎn)管道、分離器、換熱器、水力旋流器等上部原油處理模塊，從而造成許多意想不到的計(jì)劃外生產(chǎn)關(guān)斷。二是環(huán)烷酸鈉具有表面活性劑的作用，會(huì)引起十分穩(wěn)定的乳化，使油水分離效果變差，水中含油和油含中水都增高［2］。本文通過(guò)環(huán)烷酸鹽形成機(jī)理，研究分析了環(huán)烷酸鹽防治的辦法和思路。

1 環(huán)烷酸鹽對(duì)生產(chǎn)造成的影響

某油田位于渤海灣，其生產(chǎn)設(shè)施一共包括六個(gè)井口平臺(tái)和一艘浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（FPSO）。井口平臺(tái)產(chǎn)出的生產(chǎn)流體經(jīng)過(guò)海底管道輸送至單點(diǎn)然后進(jìn)入FPSO生產(chǎn)系統(tǒng)處理。FPSO上部生產(chǎn)模塊一共有兩個(gè)平行的生產(chǎn)處理系列。而發(fā)生環(huán)烷酸鈣堵塞現(xiàn)象的是2系列的生產(chǎn)流程［3］。

油田投產(chǎn)后2年，F(xiàn)PSO生產(chǎn)管線開(kāi)始出現(xiàn)被環(huán)烷酸鈣堵塞的現(xiàn)象。首先是撇油器的油相出口管線被環(huán)烷酸鈣完全堵塞，見(jiàn)圖1。之后逐漸出現(xiàn)2系列的電脫水器水相、二級(jí)分離器水相出口管線被環(huán)烷酸鈣堵塞的情況［4］。在關(guān)斷清罐作業(yè)期間，從二級(jí)分離器內(nèi)清理出了大量的沉積的環(huán)烷酸鈣，見(jiàn)圖2。在清罐作業(yè)完成幾個(gè)月時(shí)間之后，二級(jí)分離器的水出口管線又出現(xiàn)了堵塞的情況，二系列的原油生產(chǎn)水換熱器中也發(fā)現(xiàn)了大量沉積的環(huán)烷酸鹽，環(huán)烷酸鹽堵塞了換熱器的換熱管［5］。

圖1 被環(huán)烷酸鈣堵塞的生產(chǎn)管道

圖2 二級(jí)分離器內(nèi)部沉積的環(huán)烷酸鈣

以上的各種現(xiàn)象都表面，油田二系列的原油處理流程中環(huán)烷酸鹽沉淀堵塞管道和設(shè)備的問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重的威脅了正常生產(chǎn)。為了能夠解決這一問(wèn)題，油田針對(duì)環(huán)烷酸鹽的形成和治理進(jìn)行了一系列的研究。

2 環(huán)烷酸鹽形成和防治理論分析

2.1 成分分析

在對(duì)環(huán)烷酸鹽的初期調(diào)研階段。為了確定各個(gè)井口平臺(tái)產(chǎn)液所含環(huán)烷酸的類型及環(huán)烷酸鹽沉淀的成分，對(duì)井口產(chǎn)液和環(huán)烷酸鹽沉淀進(jìn)行分析。分析結(jié)果如表1所列。

表1 沉淀物及各井口生產(chǎn)液環(huán)烷酸成分分析

從分析結(jié)果可以看出，沉淀物中二元酸和ARN酸占很大一部分。目前研究認(rèn)為，導(dǎo)致環(huán)烷酸鹽沉淀的首要最重要的因素就是ARN酸［2］。而從分析結(jié)果來(lái)看，整個(gè)油田只有WHPE平臺(tái)產(chǎn)液含ARN酸?？梢源_定是WHPE平臺(tái)產(chǎn)液所含的環(huán)烷酸導(dǎo)致二系列的環(huán)烷酸鹽沉淀的產(chǎn)生。

2.2 環(huán)烷酸及其鹽的成垢機(jī)理

油田委托專業(yè)機(jī)構(gòu)采用EDS、XRD、XRF和SEM等先進(jìn)分析手段對(duì)垢樣分析，評(píng)價(jià)得出環(huán)烷酸及其鹽類垢樣構(gòu)成，是以難溶性鹽類為主體的一種不溶性固體。此外還夾雜了大量的瀝青質(zhì)、環(huán)烷酸和膠質(zhì)等天然有機(jī)物。同時(shí)研究表明環(huán)烷酸在有瀝青質(zhì)存在時(shí)，可促進(jìn)固體顆粒聚集直至成垢。分子動(dòng)力學(xué)模擬證實(shí)了這種由于瀝青質(zhì)與顆粒的相互作用的不穩(wěn)定性導(dǎo)致了結(jié)垢。

圖3 分子動(dòng)力學(xué)模擬圖

2.3 環(huán)烷酸鹽防治分析

目前各個(gè)油田防控環(huán)烷酸鹽帶來(lái)的影響通常有兩種思路：給生產(chǎn)液中加酸來(lái)降低生產(chǎn)水的pH值以及研發(fā)環(huán)烷酸鹽抑制劑［6］。

環(huán)烷酸與生產(chǎn)水混合后通常會(huì)分解并和金屬鹽離子反應(yīng)。通過(guò)給系統(tǒng)中加酸降低pH值會(huì)減少環(huán)烷酸羧基上質(zhì)子氫的電離分解，阻斷了環(huán)烷酸與金屬鹽離子的反應(yīng)，從而達(dá)到防治環(huán)烷酸鹽生成的目的。實(shí)驗(yàn)研究表明當(dāng)系統(tǒng)的pH降低到6以下能有效地防止環(huán)烷酸沉淀的生成［7］。目前應(yīng)用最廣泛的是乙酸，不過(guò)有的油田也應(yīng)用鹽酸、甘醇酸等。用酸來(lái)防治環(huán)烷酸鹽不僅能防治環(huán)烷酸鹽的生成，還能溶解管線設(shè)備內(nèi)已經(jīng)沉淀的環(huán)烷酸鹽。但是這樣的方法最大的缺點(diǎn)就是在安全環(huán)保方面的影響。例如給生產(chǎn)系統(tǒng)加入過(guò)多的酸會(huì)引起管道和設(shè)備的腐蝕，同時(shí)對(duì)于海上油田而言，運(yùn)輸存儲(chǔ)大量的酸液本身就對(duì)后勤供給運(yùn)輸有很大的挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)［8］。

在過(guò)去的15年里，許多油田都針對(duì)自己油田的實(shí)際情況開(kāi)始研究環(huán)烷酸鹽抑制劑來(lái)取代酸液加注。這些環(huán)烷酸鹽抑制劑有多種工作原理［9］：表面活性物質(zhì)在油水界面聚集從而阻止環(huán)烷酸與金屬離子接觸反應(yīng)；或者是一種高效的破乳劑，最大限度地減少乳化和油水界面，從而破壞環(huán)烷酸鹽生成的條件。在許多油田現(xiàn)場(chǎng)通常將這兩種方法結(jié)合起來(lái)使用，有的還會(huì)添加其他藥劑，例如反相破乳劑，以期獲得更好的效果［10］。

3 油田環(huán)烷酸鹽防治實(shí)踐

為了防治環(huán)烷酸鹽的危害，油田針對(duì)生產(chǎn)狀況展開(kāi)環(huán)烷酸鹽抑制劑實(shí)驗(yàn)。對(duì)環(huán)烷酸鹽抑制劑首先展開(kāi)了取樣瓶試。先通過(guò)瓶試對(duì)比沉淀的生成，效果良好。之后展開(kāi)流程加注實(shí)驗(yàn)。為了優(yōu)化藥劑的注入速率同時(shí)評(píng)價(jià)藥劑的加注效果，在試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)立了一系列的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。主要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)及分析方法列為表2。

表2 數(shù)據(jù)檢測(cè)方案

通過(guò)對(duì)流程加入不同濃度的抑制劑，檢測(cè)一、二級(jí)分離器、電脫水器油相含水及水相含油及環(huán)烷酸，生產(chǎn)水泵濾器環(huán)烷酸鹽沉淀結(jié)果如表3。

表3 加入不同濃度抑制劑數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果

從分離器的油相含水與藥劑加注量變化趨勢(shì)可以看出，該次實(shí)驗(yàn)加注的環(huán)烷酸鹽抑制劑對(duì)分離器油相的含水并沒(méi)有明顯的影響。分離器水相出口的水含油變化趨勢(shì)與藥劑加注量的變化可以看出，實(shí)驗(yàn)加注的藥劑對(duì)于分離器水相的出口和排海水質(zhì)沒(méi)有明顯影響。本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)了二級(jí)分離器生產(chǎn)水泵過(guò)濾器上沉積的環(huán)烷酸鹽的量，以及分離器水相出口的環(huán)烷酸鹽懸浮物，發(fā)現(xiàn)抑制劑加藥濃度在110～130 mg·L-1明顯減少。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，該藥劑的加入并不會(huì)對(duì)油含水和沉淀有明顯的影響。在每周對(duì)二級(jí)分離器生產(chǎn)水泵濾器的檢查可以發(fā)現(xiàn)濾器上沉積的環(huán)烷酸鈣明顯減少，在停止注入藥劑后，濾器上環(huán)烷酸鈣沉積的速率又會(huì)增加。這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所用藥劑對(duì)環(huán)烷酸酸鹽的沉淀有一定的抑制作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)論來(lái)看，該環(huán)烷酸抑制劑在一定的加藥濃度時(shí)取得了較好的效果，抑制了環(huán)烷酸鹽的產(chǎn)生和沉淀，環(huán)烷酸鹽抑制劑的技術(shù)路線是可行的。通過(guò)抑制劑的加注，可以使環(huán)烷酸鹽在油相中穩(wěn)定，水相中使其向油相轉(zhuǎn)化，從而不與顆粒物及瀝青等結(jié)垢，大大緩解了環(huán)烷酸鹽沉淀對(duì)油田穩(wěn)定生產(chǎn)帶來(lái)的困擾。

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［2］梁春雷, 陳學(xué)東, 艾志斌, 等. 環(huán)烷酸腐蝕機(jī)理及其影響因素研究綜述［J］. 壓力容器, 2008, 25 (5): 7.

［3］陳碧鳳, 楊啟明. 常減壓設(shè)備環(huán)烷酸腐蝕分析［J］. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù), 2007, 19 (001): 74-76.

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［5］韓香云, 王遵堯, 楊春生,等. 苯砜基環(huán)烷酸酯類化合物的結(jié)構(gòu)與急性毒性關(guān)系的密度泛函理論研究［J］. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 25 (6): 840-844.

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Discussion on the Harm and Prevention of Naphthenate in Oil Fields

,,,

（CNOOC Energy Technology & Oil Production Service Co., Tianjin 300452, China）

Naphthenates are not only easy to deposit and precipitate in oilfield production to form light yellow naphthenic acid-silt deposits in silt tanks or valves, but also produce stable emulsification of production fluids, which affects oil-water separation. In this article, the formation mechanism of naphthenate was summarized, as well as the current prevention and control measures. And chemical experiments for the prevention and control of naphthenate were carried out, the challenge of naphthenate to stable production was resolved, providing ideas for selecting suitable naphthenate prevention methods for other oilfields.

Naphthenate; Blocking; Chemicals

TE869

A

1004-0935（2022）04-0556-03

2021-11-26

張寧（1989-），男，江蘇徐州人，工程師，2012年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油工程專業(yè)，研究方向：海上油田油氣水處理、油氣輸送以及提高采收率等。