油田清垢技术研究进展*

王琪，刘江红，王庆国，李宜然

（1.东北石油大学化学化工学院，黑龙江大庆163453；2.大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆163453）

综述

油田清垢技术研究进展*

王琪1，2，刘江红1，王庆国2，李宜然2

（1.东北石油大学化学化工学院，黑龙江大庆163453；2.大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆163453）

垢一直是影响油田原油采收率的重要因素之一。油田开采过程中，油井的泵和管柱、地面集输系统管道和近地地层结垢问题十分突出，造成原油产量缩减、设备磨损，最严重会致使油井停产、报废甚至引发生产安全问题，所以清垢是油田维持安全生产、稳产高产的重要手段之一。油田结垢原因复杂，本文综述了影响油田结垢的主要因素，总结了油田现有清垢技术及分析其优缺点，并展望油田清垢技术发展方向。

油田结垢；影响因素；清垢；技术优劣

随着国民经济的快速持续发展，我国对石油的需求量在不断增加，目前，在发现新油田和新储量越来越困难的情况下，如何维持现有油田的持续稳产高产是每个油田技术员追求的目标。随着我国内陆主力油田相继进入开发中后期，大庆油田、吉林油田、胜利油田等多数区块都进入二次、三次开采阶段，而油田长期进行水驱、聚驱、三元复合驱等使得油井、注水井的泵和管柱、地面集输系统、地层均出现了不同程度的结垢，严重影响了原油采收率。

油田结垢原因复杂，科研和生产中对影响油田结垢的因素进行了大量现场观测及实验研究。研究结果表明，不同结垢部位、不同影响因素影响了垢的种类及其物理性质。而油田清垢技术须针对结垢部位及垢的类别，设计清垢方案，选择不同的清垢技术。因此，本文综述了影响油田结垢的主要因素，并总结了国内外现有清垢技术，以期为油田清垢发展方向提供一些新思路。

1　影响油田结垢的主要因素

油田结垢以主要结垢部位划分为3个部分：近地地层、油井和地面集输系统管线，其中油井又分为机采井及水井，本文重点介绍影响地层及油井结垢的主要因素。

1.1影响地层结垢的主要因素

影响地层结垢的主要因素主要有：（1）注入水与地层水不配伍性。在开采过程中，为补充地层能量，需要不断从注水井向地层注水驱油。在注水与地层水混合过程中，如果注水所含成分与地层水不配伍更会加速结垢。在油田开采中地下不同水系相混，注入水又和地下水的不同水质相混，导致成垢离子相互补充，不同水质相互排斥，水中悬浮物及机械杂质增溶性下降、腐蚀产物（FeS、Fe2O3）粘土矿物质等出现无机沉积物。然后在地层岩石孔隙中产生结垢，堵塞注水通道和产油通道［1］。（2）细菌。油田开采中细菌堵塞地层主要有两种情况：细菌自身大量繁殖，形成菌络堵塞地层和细菌代谢产生的粘液堵塞地层［2］。（3）粘土矿物。粘土矿物堵塞地层主要体现在储层的敏感性，酸敏、水敏的地层储层出水后粘土矿物膨胀易造成地层孔隙堵塞。（4）油井注入酸碱等液体。以大庆油田为例，大庆油田某区块采用三元复合驱法采油，三元复合驱液体呈碱性，注入地下可溶掉地层以含硅等元素为主的岩石，但酸洗时酸化液会中和掉一部分碱，使得硅垢析出堵塞地层［3］。

1.2影响油井结垢的主要因素

油井结垢中的机采井结垢是油田3大结垢部位中结垢成因最复杂的，远远高于地层和地面集输系统结垢。具体原因有以下6个：（1）温度。采出液中大部分金属离子溶解度随温度降低而减小。采出液从地层至地表过程中，温度逐渐降低，使得金属离子溶解度逐渐降低至析出生成垢。（2）压力。随着采出系统压力减小，采出液中CO2的溶解度随之减小，导致采出液中CaCO3的溶解度减小至析出生成垢［4］。（3）矿化度。因地层元素组成不同，不同地区采出液矿化度不同、不同油田区块注水驱油中注入水的矿化度也不同。矿化度降低导致钙垢中的CaCO3溶解度降低至析出垢。矿化度高硅垢等垢质易于生成析出。（4）pH值。pH值降低时，钙垢、钡垢等在采出液中以离子形式存在，但以无定型SiO2为主的硅垢结垢趋势明显［5］。pH值升高时，以无定型SiO2为主的硅垢溶解度升高，但钙垢等反应生成沉淀［6］。（5）采出液流速。因地层结垢及油井、集输系统油管结垢，导致地层间采出液流动速度变缓甚至反阻，油管内径变窄。在时间一定时，油管内壁变窄意味着采出液流量变小，流量变小致使采出液流速变缓，在重力作用下沉积速度变快，造成结垢更快导致地层空隙、油管内径更窄，导致流速变缓恶性循环。（6）采出液中蜡、胶质、沥青质及有机物。采出液中的重油部分蜡、胶质及沥青质在开采、集输过程中，随着温度、压力变化极易粘附于有垢的管壁上，与无机垢混在一起产生混合垢。而水井结垢原因相对较为简单，主要以温度、矿化度为主［7］。

1.3影响地面集输管线结垢的主要因素

影响地面集输管线结垢的主要因素为集输管线输送的油气中未去除的有机物、H2S、CO2、细菌、砂砾等杂质，容易沉积、黏附在集输管线管道内壁形成污垢。

2　国内外油田清垢主要技术

国内外油田清垢主要技术有6种，分别为化学清垢技术、机械清垢技术、超声波清垢技术、空穴射流清垢技术、高压水射流清垢技术及电磁清垢技术。

2.1化学清垢技术

国内油田现以化学清垢技术为主，化学清垢以其清垢时间短、见效快、成本低等优点至今尚无其他技术可替代［8］。化学清垢主要为传统的“酸处理工艺”及碱清洗。结垢严重的油层采用酸化压裂处理，油井采用循环酸洗或碱清洗，水井采用酸化处理。碱性清垢液清洗油井中油脂性污垢效果比较好，可将其用作脱脂剂，将油脂溶解到水中后清洗掉。碱具有很强的化学活性，它对钢管内表面仅产生轻微作用，而对污垢作用比较明显，较易解离而去掉。酸洗针对结垢层中含有的化学成分来选取适当的酸类化学剂溶解污垢。选择酸类清垢剂具体取决于垢质成份及管道材质等因素，但由于垢质所含成份不同，普通的清垢剂根本无法达到预期效果，加上化学清垢技术复杂多变，具体操作过程中极易引发管线腐蚀及环境污染，清垢液反排治理也需成本。张绍广［9］使用酸洗清垢技术清洗SZ36-1油田CEP-A平台输水管道，清垢后当量管径明显增大，流量和流速显著提高。

2.2机械清垢技术

机械清垢技术即传统的物理清垢技术。机械法是油田最早使用的清垢手段之一，该技术较为复杂，可概括为“管道机器人清洗法”。工作原理主要是以管道端的输送泵为动力，利用管道机器人边缘特有的装置对管道进行清垢的一项技术。包括现场跟踪技术和发射接收技术。因为费用高、效率低，所以目前国内较少采用。所有机械法都是机械对系统器壁施加一个力进行刮（磨）垢蚀。徐宏国等［10］利用PIG机械清垢技术在滨南采油厂对注水管线进行清垢，清洗后割管检验清洗效果，目测基本无余垢，管线注水后数据显示，在相同注水压力下流量增加明显，在相同注水流量下压力降降低0.4～1.5MPa，达到预期的清垢要求。

2.3超声波清垢技术

超声波清垢技术是利用声激仪产生的高强声激波对集输管线输送的液体进行处理，超声波场作用于液体中结垢物质，使其物理、化学形态发生改变，出现脱落、粉碎、分散，而不会在管道内壁进行沉积、黏附形成污垢［11］。超声波清垢技术相比于传统化学、机械清垢技术具有显著优势，不仅能连续在线工作，而且该清垢机的操作性能安全、自动化水平高、投资成本少及环境污染率低。但该技术一般使用于地面集输管线内壁未形成垢质前进行防垢，垢质致密坚硬时，这种方法不理想。高玉芝［12］使用CMFG超声波装置对天津石化烯烃部聚乙烯车间调温水换热器进行实验，结果表明该超声波装置具有清垢效果良好，并能保持稳定运行的特点。

2.4空穴射流清垢技术

空穴是因液体中局部低压低于相应温度下该液体的饱和蒸汽压，导致液体汽化而引发微气泡（或气核）爆发性生长的现象。空穴射流清垢技术是在射流喷嘴中加活动转叶或中心体，使流体绕流或在射流剪切层内形成大量涡旋，其中心压力降低，造成水射流内等处的局部压力降至该处的饱和蒸汽压以下，从而在射流内部产生数量众多并具有一定大小尺寸的微气泡，形成冲击波，打破管内壁与污垢的黏合力，实现对管道的彻底清洗［13］。该技术可彻底清除输油管线、注水管线中的硫酸钡锶垢。殷峰炎等［14］使用水力空穴射流技术对三元复合驱计量间掺水管线和集油管线进行清垢，清垢后管壁无腐蚀、损伤现象发生，垢质清除彻底，肉眼观察可见管道内壁清洁，除垢效果较好。

2.5高压水射流清垢技术

高压水射流是早期油田清垢手段之一。通过高压泵和专门喷嘴将水以高速、高压状态射出，强大的冲击力按一定角度连续不断地冲击管道污垢，从而使管内壁的污垢直接脱落，达到清洗目的。高压水射流清垢技术可根据垢的性质、成分调整清洗的压力和速度，与化学清垢技术相比具有无污染、不腐蚀管道、操作简单及节能等优点，清洗质量高［15］。该方法操作简单，工作效率较高，但不足之处是清洗成本高，油管须拆装清洗。李根生等针对胜利油田注水井油管结垢研究了高压水射流清垢技术，并设计了两套使用的高压水射流清垢方案。经现场试验，在射流压力为20MPa时，清垢率可达100%。

2.6电磁清垢技术

电磁清垢技术产生磁力线作用于垢质时会产生一定的电动势，受到电场干扰时管道内液体会被磁化，增大无机盐沉淀的电离度，破坏沉淀物或促使结垢物溶解脱落，进而进行冲洗或者让管内液体直接带走。该方法较适合应用于注水井、集输系统管线。

以上6种清垢技术的优劣对比见表1。

表1　国内外油田清垢技术优劣对比Tab.1 Comparison of dirt clean technique in home and abroad

从表1可以看出，目前没有任何一种清垢技术可以达到成本低、清垢时间短、操作简便、对设备损耗小、无污染的目标。因此，设计一种成本低、见效快、操作简单、对设备损耗小、无污染、清防一体的复合型清垢技术是油田清垢技术未来发展方向。

3　结语

目前，我国内陆主力油田相继进入开发中后期，在二次采油、三次采油技术下，结垢问题以结垢量大、清垢周期短等问题使得维护成本日渐增高。我国内陆油田目前主要采用化学清垢技术，虽有成本低、见效快等优点，但会对环境造成污染，难治理。其他一些清垢技术虽有对环境无污染、不腐蚀管道、操作简单等优点，但也存在一定的缺陷，其在成本和效率上无法与化学清垢技术相抗衡。这是其他清垢技术虽然受到人们关注但同时也受到很大程度的使用限制而不能进行大规模普及的重要原因。为解决这个重要问题，要在以下3个方面进行研究探索：（1）研制环境友好型、对管线和泵腐蚀率低的化学清垢剂。（2）改进现有机械清垢技术，降低成本增加效率。（3）研究复合型清垢技术，以预防结垢为主，清防结合，将化学清垢、防垢技术及机械清垢技术结合起来，研制环境友好型、腐蚀率低的清垢剂及防垢剂，加入到机械清垢技术里，使机械清垢技术提高效率，边清垢边预防，一步到位，节省时间、人力，降低总成本。总之，随着科学清垢技术快速发展，复合型清垢技术终将代替单一清垢手段。

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Research development of cleaning scale technology in the oilfield*

WANG Qi1，2，LIU Jiang-hong1，WANG Qing-guo2，LIYi-ran2
（1.Chemical Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163453，China；2.Oil Production Engineering Institute of Daqing Oilfield Company Ltd，Daqing 163453，China）

Scale has always been one of the important factors thataffect crude oil recovery.During the process of oilfield exp loitation，severe problems of scale formation are discovered at the pump and column of well，the pipelines of near surface gathering system and oilwells near land stratum.Due to the serious results caused by scale，such as reduction in crude oil production，wear and tear of equipment，shutting down and scraping the wells，and even some security problems，scale removal is an importantway tomaintain oil producing safety and guarantee a high and steady yield.The reasons for results in oil scale are complex.This paper reviews themain factors affecting formation of oilfield scale，summarizes the present techniques for scale removal and analyzes theirmerit and demerit.In addition，the expectation about further developmentof scale removal technologies is also propounded.

oil fouling；factors；clean dirt；technicalmerits

TE358；TE832

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20160244

2015-11-02

黑龙江省教育厅科学技术研究项目（No.12531064）

王琪（1990-），女，在读硕士研究生，主要研究方向：环境化学。

导师简介：刘江红，女，教授，研究方向：环境生物技术和土壤环境、水处理方面。