油田注水采油中高压注水管网积垢清洗新技术研究与应用.pdf

16第 26 卷 2023 年第 4 期四川化工0 引言多数油田开采的中后期，油层压力逐渐降低，为了维持或提高油层压力以提高采收率，油田一般采用注水采油方式。实际生产中，由于压力与温度等条件发生变化，以及注入水热力学方面的不稳定性和化学的不相容特性，往往会造成注水层、井下设备、油管、套管、地面设施以及注水管线等出现结垢现象。S 采油厂区块分散，在注水采油过程中，由于水质的复杂性和环境的多变性，注水系统出现了严重腐蚀结垢问题，这些垢的形成导致沿程水质变差，注水水质二次污染严重。对此，如何对已结垢的注水管线进行清洗，实现注水管线的畅通，确保注够水、注好水是目前必须解决的问题。1 积垢机理及种类油田进入高含水开发期后，大量的措施处理液进入井筒和油层，由于水的热力学不稳定性，往往会造成油井井筒、地面系统和注水地层结垢，给生产带来极大的危害1，不仅造成油井产量下降，管线及加热炉堵塞，而且还增加了油井的起下作业，甚至造成油井停产或报废，带来经济损失。注水系统的结垢主要集中在地面系统，垢物均匀地附着在管壁、设备及容器上，影响正常的注水工作；结垢部位主要分布在电脱水器出口污水管线、高含水原油集输系统、污水站过滤器、含油污水与地下水混注系统以及油井井下管线。在注水管网中最常见的垢是碳酸钙、硫酸钙，硫酸锶、硫酸钡、硅酸钙、碳酸亚铁、硫化亚铁和氢氧化铁等垢类，这些垢类在管线表面缓慢沉积形成致密的垢层，此外流体中的机械杂质和油垢也会随着垢的沉积而沉积下来。垢样一般为黑色、质地坚硬的胶结物，可能含有胶质、沥青质沉积等少部分有机垢，也可能含有 CaCO3、CaSO4、SiO2、Fe3O4等无机垢。含铁混合物垢的结垢原因主要是硫酸盐原菌、铁细菌以及水中溶解氧含量高产生腐蚀的结果2。各个油田单位注水管线的垢质组成不同，例如，中原油田注水管线的垢质主要是以碳酸钙为通讯作者：赵妮霞，硕士、助理工程师，主要从事石油地质方面的研究工作，邮箱：496325524 生产与应用油田注水采油中高压注水管网积垢清洗新技术研究与应用赵妮霞 申 鹏（延长油田股份有限公司吴起采油厂，陕西延安，717600）摘 要：为有效清除油田注水采油中注水管线的积垢，实现注水管线的畅通，保证注水质量，分析管道积垢机理及种类，研究清洁复合酸液清洗技术。该技术在 S 采油厂 W 注水站现场实施应用，清洗后的管线压差从平均 2.57 MPa 降至平均 1.68 MPa，实施管线首末端悬浮物固体含量差值控制在 10以内，井口水质达标率提高 20，清洗效果达标，极大地提高了注水效率和生产效率，对油田实现降本增效具有一定的意义。关键词：油田注水采油；高压注水管线；积垢机理；清洁复合酸液清洗技术；现场应用；除垢率；注水效率17油田注水采油中高压注水管网积垢清洗新技术研究与应用第4期主，另有硫酸钙、氢氧化铁和硅酸盐等混合垢；大庆外围油田注水管线的垢质为碳酸钙；长庆油田注水管线的垢质为 68（质量分数，下同）的碳酸钙和 32的硫酸钡；渤海油田注水管线的垢质为碳酸盐3。2 清洁复合酸液除垢技术清洁复合酸液除垢技术是利用化学方法清洗去除物体表面的污垢并恢复至原表面状态的一种清洗技术。该技术适用于各类油田注水管网的化学清洗、精馏塔除焦炭清洗、长输管线化学清洗以及各类容器塔器、换热器、冷却器等的清洗，可针对不同的设备、管线制定相应的技术施工方案，以达到最好的清洗效果。2.1 清洁复合酸液的主要成分常规清洗除垢剂一般采用盐酸或土酸（土酸是 1015的盐酸与 38的氢氟酸与添加剂按不同比例所组成的混合液），虽然可以除掉管道内壁的锈和垢类，但清洗过程中会产生大量的Cl-和 Fe3+，清洗结束后可能会使管线本体受到腐蚀伤害，发生刺漏现象，严重的话可能会影响管线的使用寿命；另外，用常规酸清洗管线的时候，由于管线内垢层厚度等差异，酸洗的时间不好控制，在大量 Cl-和 Fe3+的环境下，酸洗时间短了清洗不干净，酸洗时间长了管线本体会受到腐蚀伤害，常规清洗结束后必须进行钝化处理。因此，常规清洗除垢工艺复杂、成本较高。清洁复合酸液的主要成分为氨基磺酸盐，为浅红色液体，近年来氨基磺酸（H2NSO3H）开始应用于各种热交换设备的化学清洗，同常规使用的酸清洗液（如 H2SO4、HCl、HNO3、HF 等）相比，氨基磺酸更为安全。清洁复合酸除垢剂除垢性能远超有机酸，它可以清除碳酸盐、硫酸盐、油垢等多种污垢，可用于大型输油管线、注水管线、冷凝器、管线循环冷却水系统的清洗以及船舶啤酒厂、食品厂等设备的清洗，由于不含 Cl-，故可用于碳钢及奥氏体钢设备的除垢。实际清洗工程中，清洁复合酸液中氨基磺酸的比例一般在 810左右，在保证氨基磺酸含量的条件下，适当添加含苯丙三氮唑（BTA）或甲基苯骈三氮唑（TTA）缓蚀剂的氨基磺酸体系对黄铜和碳钢都是非常安全的，而且由于缓蚀剂中表面活性剂的渗透作用，可以加快垢、锈的溶解，提升清洗效果。2.2 性能评价2.2.1 腐蚀速率参照石油天然气行业酸化用缓蚀剂性能试验方法及评价指标（SYT 54052019）进行清洁复合酸液的腐蚀速率试验挂片采用玻璃钢管片、试验温度控制在 90。试验结果显示，清洁复合酸液的腐蚀速率小于 6 g（m2h）。2.2.2 除垢率将垢样投入清洁复合酸液中，控制在 90 温度条件下搅拌反应 1 h，过滤、烘干、称重，得到垢样在试验前后的质量差为 92 mg，计算得清洁复合酸液的除垢率 90。2.3 清洁复合酸液的特点（1）清除油污、重油垢能力极强，清洗效率是煤油的 45 倍；（2）该产品无味、无毒、不可燃，且不腐蚀被清洗物，对人体也安全无害；（3）使用简单，加水稀释后即可在常温下直接使用，也可加热后使用，加热使用时 60 效果最佳；（4）操作简单，产品可以通过在线循环、浸泡、喷淋等方式实现对水垢的清洗；（5）其他方式的清洗都附带有排放处理费用，而清洁复合酸液可生化降解，对环境无污染；（6）清洁复合酸液清洗 24 h 即可完成，快速有效，可以把沉积物有效分解，产品中的络合物或复合物可以在金属表层形成预膜层，既可保护金属材质免遭介质腐蚀，又可延缓垢的二次生成；（7）可将清洁复合酸液与 H2S 抑制剂配合使用，在硫化物与酸反应的同时，能迅速有效地将硫离子转化为其他存在形式并被清洗剂所吸收，有效阻止硫化氢气体的形成；（8）用清洁复合酸液清洗后，金属表面会有18第26卷 2023年第4期四川化工短期的防锈作用，以“清防垢一体化”为主要目标的清洁复合酸液应用，通过对注水管线的治理，可提高注水系统效率、降低注水能耗。2.4 现场实施2.4.1 管线清洗前的准备工作（1）准备齐全施工机具、材料，并提前运到施工现场；（2）确定工程车水泵、配液罐及排污车辆位置；（3）作业场地内设置警戒线和警示牌，做好安全防护工作；（4）在系统化学清洗前，将被清洗系统中不允许参与化学清洗的部件拆除，并采取临时短管、临时旁路及加盲板等措施对拆除部位进行有效隔离；（5）关闭或隔离与化学清洗系统没有关系的阀门，防止清洗液泄漏；（6）对拆下的设备附件按要求单独处理，清洗后安装复位；（7）由专业人员组织清洗操作和协调停运，注水系统阀门的开、关须由专业人员指挥操作，确认管线无余压后方可连接临时管线；（8）连接临时管线时，注水站、配水间和单井井口都必须牢固连接高压法兰及管线，临时管线首末端连接处必须有阀门可以控制；（9）临时管线连接后，须检查管线连接是否严密，以防施工过程中清洗液泄漏。2.4.2 清洗步骤（1）在配液罐或罐车配制清洗除垢液；（2）打开临时管线首末端阀门，利用清洗泵或泵车将清洗除垢液注入管线内，通过检测管线末端出口液体 pH 值或用色素示踪剂的方法确定清洗除垢液注入停止时间点有除垢剂流出时停泵、关闭阀门，之后浸泡管线 23 h；（3）浸泡清洗完成后，用清水对管线进行冲压清洗，即利用水力冲压将管道内的污垢冲洗到污水车或污水池中；（4）当管线末端流出水为清水时，结束清洗作业，关闭阀门，恢复注水工艺流程；（5）污水残液处理及排放。2.4.3 关键技术节点在整个注水管网的清洗过程中，需注重以下关键技术节点的把控：一是通过垢样化验结果选取适宜的清洗剂配方，即通过现场勘察选取有代表性的垢样若干，进行化验分析，据垢样成分配制相应的清洗除垢剂；二是通过现场勘察确定管线的精确走向；三是清洗泵、清洗管线的连接严格按照施工方案要求施工，确保安全施工；四是严格按照清洗除垢剂配方现场配制清洗剂；五是清洗完成后按照施工方案要求恢复工艺管线连接并进行注水水样检测。3 现场应用3.1 W注水站概况W 注水站隶属于 S 采油厂，对 W 注水站水质进行化验分析，结果表明，注水管线末端水质悬浮固体含量严重超标，注水管线首末端悬浮物含量平均差达 15 mgL，水质中硫酸盐还原菌含量（102 个L）、腐生菌含量（103 个L）、铁细菌含量（101 个L）都比较高。其中，腐生菌在一定条件下会从有机物中得到能量而产生粘性物质，与某些代谢产物累积沉淀可能造成注水管线堵塞；硫酸盐还原菌一定条件下能够将硫酸根离子还原成二价硫离子，进而形成副产物硫化氢，对金属有很强的腐蚀作用且产生的硫化铁沉淀可能造成管线堵塞4。另外，注入水中 Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-含量都比较高，部分井段注入水的总矿化度高达 42756 mgL，会使注水管线结垢、堵塞严重，继而降低注水效率。3.2 现场实施经分析，W 注水站垢样中含 58的碳酸钙、23的锈垢、5的油垢及 14的杂质。由于药剂配方需随垢样成分的变化而变化，因而专门针对W 注水站筛选出了复配药剂，其主要物质为 10（质量分数，下同）氨基磺酸+25乙酸+5盐酸+5 NaCl+10 BTA 盐。对带有锈和垢的管件进行 23 h 的浸泡试验，锈和垢可以完全清除；对带有锈和垢的管件进行 24 h 的浸泡试验，管件19油田注水采油中高压注水管网积垢清洗新技术研究与应用第4期本体无损伤，表明清洗除垢剂只对锈和垢产生作用，不会对管线本体造成腐蚀。经试验验证后，实际采用 10氨基磺酸+25乙酸+5盐酸 图 1 带有锈和垢的管件清洗前后对照图：（a）清洗前；（b）清洗后3.3 应用效果从外观上看，S 采油厂 W 注水站注水管线清洗除垢前后水质由黄色浑浊液体变成透明清液，清洗后注水管线压差从平均 2.57 MPa 降至平均1.68 MPa，实施管线首末端悬浮物含量差值由平均 16.6 mgL 降至平均 0.95 mgL，具体数据见 表 1。总体而言，该清洗方法可有效减少注水水质的二次污染，降低管损、提高泵效，极大地提高注水效率和生产效率，且清洗效果完全达标。表 1 S 采油厂 W 注水站注水管网清洗前后运行数据的变化管线 编号管线长度km管线压差MPa清洗后管线首末端悬浮物含量mg L-1清洗前清洗后首端末端差值10.291.851.1618.619.20.621.282.351.4318.619.00.431.472.151.4018.619.40.841.402.571.8618.619.20.651.212.201.5618.619.61.061.741.851.0918.619.50.971.111.780.9618.619.00.482.752.661.5718.619.81.292.592.541.8818.619.71.1103.243.602.7418.619.61.0114.173.112.0818.620.01.4122.32-18.6-134.953.272.1518.620.11.5146.613.522.0618.620.11.5平均-2.571.68-0.95+5NaCl+10BTA的复配药剂完成了15.78 km 管线的清洗除垢，带有锈和垢的管件清洗前后对照图见图 1。3.4 效果与效益评价应用该注水管线清洗与防垢技术后，预计全年累计减少管线维修 20 次，且可减少管线的更 换，缩短停工停产时间，降低检维修对生产的影响，对材料、人工等各方面成本进行计算，全年累计可节约费用约 180 万元。另外，应用该注水管线清洗与防垢技术后，实施管线首末端悬浮物固体含量差值控制在 10以内，井口水质达标率提高 20，有效减少了注水水质的二次污染，注水管线管损下降，管网效率提高 5以上，在节约电费、材料费以及提高注水系统效率等方面有明显效果，对油田实现降本增效具有一定的意义。20第26卷 2023年第4期四川化工Research and Application of a New Technology for Cleaning Scale in High Pressure Water Injection Pipeline Network in Oilfield Water Injection and Oil ProductionZHAO Nixia，SHEN Peng（Wuqi oil production plant of Yanchang Oilfield Co.，Ltd.，Yanan 716000，Shaanxi，China）Abstract：In order to effectively remove the scale accumulation in the water injection pipeline during oilfield water injection and oil production，achieve the smoothness of the water injection pipeline，ensure the quality of water injection，analyze the mechanism and types of pipeline scale accumulation，and study the cleaning technology of clean composite acid solution.This technology has been applied on site at the W water injection station of S oil production plant.The pressure difference of the cleaned pipeline has decreased from an average of 2.57 MPa to an average of 1.68 MPa.The difference in suspended solids content at the beginning and end of the pipeline has been controlled within 10，and the water quality compliance rate at the wellhead has been increased by 20.The cleaning effect has met the standard，greatly improving the water injection efficiency and production efficiency，and has certain significance for achieving cost reduction and efficiency increase in the oil field.Key words：oilfield water injection and oil recovery；high pressure water injection pipeline；fouling mechanism；clean composite acid cleaning technology；on site application；scale removal rate；water injection efficiency4 结论针对 S 采油厂 W 注水站管线结垢严重的情况，分析注水管线结垢堵塞机理并现场应用清洁复合酸液除垢技术，清洗后的管线注水水质和注水系统效率得到提高，管线压力损失下降，能满足油田注水要求，且有较好的节能效果，综合经济效益显著，有较高的推广应用价值。参考文献1 张龙胜，马秀敏，刘昌银.八面河油田面 138 区块注水配伍性研究J.石油天然气学报，2010，32（6）：288-290+305.2 陈峰，赵春辉，陈朝林.油田注水系统结垢机理研究J.油气田地面工程，2006（7）：7-8.3高学成.浅谈普光气田集气站检维修技术J.石化技术，2022，29（3）：232-234.4 张曼杰.基于两次内检测数据比对的海管剩余强度和剩余寿命评价J.涂层与防护，2022，43（8）：52-57+62.of vanadium batteries.Describe the relevant enterprises in the domestic vanadium battery industry and the layout of vanadium battery projects in the past two years，and propose the development of new clean production processes，electrolyte leasing operation models，and large-scale energy storage application scenarios as the future development trends of the vanadium battery industry.Key words：vanadium redox battery；performance evaluation；industry status；price analysis；development trends（上接第 8 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