油田注水井管防结垢试验研究

(中石化石油工程造价管理中心，山东 东营 257000)

油田采用注水开发的目的是补充地层能量，提高采收率。然而，注水量的不断增加及水质问题的存在，给油田注水井管以及油气集输管线带来十分严重的腐蚀及结垢问题。传统防结垢技术存在经济效益差、环保不达标、防垢保护范围有限等问题。经过实验室反复研究筛选与现场试验，发现疏水性环氧玻璃钢复合材料的防腐蚀、防结垢效果最为显著。

1 注水井管结垢现状分析

1.1 腐蚀结垢与水质状况

油田注入水多为经处理后的油田采出水，矿化度高，含有多种易引起结垢、腐蚀的介质成分，注水井管使用一定时间后均会出现腐蚀结垢现象。严重者使用不足一年即因结垢、腐蚀而报废[1]。图1为胜利油田某注水井井下钢质油管结垢和腐蚀情况。

图1 油田注水井管腐蚀结垢情况

表1为胜利油田某区块(管理区)注入水水质成分。从表1可见，注入水中含有高浓度易造成结垢的离子成分(碳酸氢根和钙镁离子)。在注水过程中，因压力、温度、流向及流速等因素的变化，改变了原先的离子化学平衡状态而产生垢的分子，继而产生微结晶体，在粗糙的金属油管内壁沉积，形成管内壁结垢[2]。

表1 胜利油田辛一管理区注入水水质 mg/L

1.2 注水井管结垢机理

油田采出水结垢可分为3种情况。

(1)随污水温度、压力、流速及流向等条件的改变，导致水中离子平衡状态随之改变，成垢组分溶解度降低而结晶沉积。如含钙镁离子和碳酸根、碳酸氢根离子的水会形成碳酸钙垢。碳酸钙垢的形成反应如下：

(2)两种不配伍的水混合而反应产生垢沉淀。如含钡锶离子的水与含硫酸根离子的水混合后会很快产生钡锶垢沉淀。硫酸钡垢的形成反应如下：

成垢分子结合并排列形成垢结晶体，结晶体大量堆积、沉积在管道内表面,造成管道截面减小甚至堵塞，影响管道的正常运行。2017年12月24日，对某油田注水管道内壁垢类沉积物进行分析，结果见表2。由表2可见，垢类沉积物主要成分为钙、镁、钡、锶及铁等构成的盐类或金属氧化物等。

(3)钢质管道在使用中会发生腐蚀，腐蚀产物堆积也会形成结垢，这是注水井管结垢的另一个原因。

表2 某油田注水管道内沉积物分析结果 μg/g

1.3 防结垢技术及存在的问题

目前，传统的防垢除垢技术从技术原理上可以分为物理除垢、化学除垢、机械除垢及工艺除垢。工艺除垢与机械除垢比较简单，但除垢效果受限。化学防垢法是用化学防垢剂来阻止垢物生成，大多数化学防垢剂会腐蚀金属设备，且污染环境，需要连续投加，防垢保护范围小。物理除垢主要是利用电、磁、声波等物理现象与垢体相互作用达到防垢除垢的目的，但该类设备比较复杂，作用区域有限，对一些硬垢效果不明显。因此，绿色环保、高效的新型防垢除垢技术成为工业防结垢领域的发展方向之一。

胜利油田营47×34注水井原注水井管为钢质油管，该钢质油管运行16个月后，于2017年2月6日因不能正常注水停运。抽出井下注水井管，检查发现，该注水井管结垢、腐蚀严重，局部堵塞，外壁及垢下发生严重的局部腐蚀。注水井管外观照片见图2。

图2 营47×34注水井管腐蚀和结垢状况

2 新型防结垢技术现场试验与分析

2.1 试验井概况

选择结垢、腐蚀严重的胜利油田某采油厂营47×34注水井作为试验井。该井最大井斜37.8°，注入水为油田采出水，注入水温度60 ℃，水质成分如表1所示。

2.2 试验管柱设计

采用胜利油田某管业公司新研制生产的环氧玻璃钢长效分层注水管作为试验管。该管道抗拉强度432.64 MPa，弹性模量31.44 GPa，管道公称直径为DN65 ，管道连接方式为新型“4牙”结构玻璃钢螺纹连接。分层注水试验管柱结构示意见图3。该管柱采用压缩式封隔器，配套长距补偿丢手装置、锚定装置及测调一体化配水器。

图3 试验管柱结构示意

2.3 现场试验结果

2017年2月6日，将营47×34井注水井管更换为环氧玻璃钢油管，长度2 245.8 m。2017年2月13日开井注水。分两层配水，上层20 m3/d、下层160 m3/d。注水运行参数见表3。

表3 防结垢试验井管运行参数

连续注水23个月后，于2019年1月取出玻璃钢注水井管检查，其内外表面及管端螺纹完好，基本无腐蚀结垢现象，继续下井使用(见图4),已持续运行26个月。玻璃钢注水井管与原钢管使用情况对比见表4。

图4 玻璃钢注水井管使用后状况

管 材钢管玻璃钢管结垢速率/(mm·a-1)2.30.05腐蚀速率/(mm·a-1)0.90平均检查周期/a25更新年限/a2～3>5

现场试验表明，在同样的工况及介质条件下，环氧玻璃钢管道与钢管道相比，具有优异的防结垢、耐腐蚀性能。

2.4 试验结果分析

管道结垢的原因除与介质的物理化学性质有关外，还与固体表面的粗糙度和疏水性有关。相关研究表明，材料表面能与结垢有着密切的关系，降低材料表面能有利于减缓垢的形成。姜春花等[3]研究YH-16环氧材料和帕罗特环氧涂层在油田注水和输油环境下防结垢和防结蜡性能，经过15 d动态浸泡，两种环氧涂层相比基材结蜡量分别下降 85.3%和 83.3%, 结垢量分别下降 71.1% 和72.4%，表现出良好的防结垢和防结蜡性能。环氧材料涂层表面能较低，表面光滑，不利于蜡晶及垢晶在涂层表面吸附，同时在流体作用下结蜡和结垢容易脱附，最终蜡质和污垢在涂层表面的沉积速率降低。

通常将表面张力在100 mN/m以上者称为高能表面，100 mN/m以下者称为低能表面。几种常用管材的临界表面张力见表5(通常可用表面张力表征其表面能的大小)。玻璃钢及其他几种常用管材的粗糙系数见表6。

表5 几种常用管材的临界表面张力 mN/m

表6 几种管道的粗糙系数

环氧玻璃钢管道采用环氧树脂基体与玻璃纤维增强材料复合制造，其管材临界表面张力只有钢的48%，具有较低的表面能，且具有与有机聚合物环氧涂层相类似的性能，属于疏水性材料。由表6可见，玻璃钢管道内壁光滑，粗糙系数只有钢管的48%，不利于垢蜡沉积，且流体阻力小，在同等压力下可以缩小管径、提高流速运行，有较好的冲刷效果，因此具有良好的防结垢、防结蜡性能。综合两方面原因，玻璃钢管的结垢速率比钢管大幅降低。

3 结论及建议

(1)环氧玻璃钢在油气田防腐蚀方面得到大量应用，并取得了显著的防腐蚀效果和经济效益，在防垢方面研究较少。现场试验表明，玻璃钢管有优异的防结垢性能。

(2)试验表明，低表面能非金属复合材料具有优异的防结垢和防腐蚀性能，经济环保，使用周期长，效费比高，为解决油气田管道防结垢难题提供了一条新的途径。

(3)研究开发低表面能超疏水环氧玻璃钢管材，经过系列防结垢试验研究，进一步提高材料的防结垢效果和对各种不同介质条件的适应性，具有重要意义和可观的经济价值。