渤海M稠油油田通過新增高效換熱器,將平臺(tái)熱介質(zhì)鍋爐富余熱量與生產(chǎn)水進(jìn)行換熱,使生產(chǎn)水加熱至所需溫度后注入地層,通過熱膨脹、熱降黏、相滲改善、界面張力減小、啟動(dòng)壓力降低等機(jī)理,來提高儲(chǔ)層稠油的開發(fā)效果[1]。然而,在熱水驅(qū)過程中,換熱器部位易發(fā)生嚴(yán)重結(jié)垢,如果不及時(shí)干預(yù)處理,生成的垢會(huì)使換熱器換熱效率降低,注水困難,壽命縮短,甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備堵塞[2-5],引發(fā)安全事故。

目前油田常用的防垢方法有物理法和化學(xué)法。化學(xué)法工藝方便,性價(jià)比高,應(yīng)用最為廣泛[6-8],主要是通過防垢劑抑制晶體垢鹽的生成和聚集,從而達(dá)到防垢的目的。常用的防垢劑主要有聚磷酸鹽、有機(jī)磷酸、聚羧酸等,作用機(jī)理主要有螯合增溶機(jī)理、晶格畸變機(jī)理、閾值機(jī)理、雙電層作用和靜電斥力機(jī)理等,抑制晶體垢鹽的生成和聚集[9-11]。

1、結(jié)垢原因分析

根據(jù)M油田水質(zhì)分析結(jié)果可知,注入水為氯化鈣(CaCl₂)水型,Ca²⁺、Mg²⁺、HCO^-₃含量較高。運(yùn)用垢化學(xué)分析軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行結(jié)垢趨勢(shì)模擬,模擬流量為1000m3/d,模擬結(jié)果見表1。從表1可以看出:M油田水樣現(xiàn)場(chǎng)工況下主要產(chǎn)生碳酸鈣垢;該水質(zhì)在壓力(12MPa)一定時(shí),碳酸鈣垢隨溫度升高而增多;該水質(zhì)在溫度(120℃)一定時(shí),碳酸鈣垢隨著壓力增高而減小;溫度變化對(duì)結(jié)垢影響相對(duì)較大,壓力變化對(duì)結(jié)垢影響相對(duì)較小。

2、實(shí)驗(yàn)

2.1主要原料

實(shí)驗(yàn)用水均為M油田現(xiàn)場(chǎng)注入水樣,所選用的防垢劑代號(hào)及主要成分見表2。

2.2評(píng)價(jià)方法

采用原子吸收光譜法:將防垢劑用現(xiàn)場(chǎng)注入水分別配制濃度為規(guī)定濃度的試樣,倒入高溫反應(yīng)容器中,在規(guī)定溫度的恒溫烘箱中恒溫16h后,取出并靜置至室溫,再通過原子吸收光譜儀測(cè)定溶液中鈣離子濃度變化,并計(jì)算得出防垢率。

3、結(jié)果與討論

3.1防垢劑篩選和評(píng)價(jià)

3.1.170℃下防垢劑初篩評(píng)價(jià)

鈣防垢劑在70℃現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)條件下的防垢率進(jìn)行初篩評(píng)價(jià),結(jié)果見表3。

根據(jù)表3結(jié)果初步篩選出F9、F12、F15三種防垢劑,這三種防垢劑在不同濃度下的防垢率相較其他防垢劑明顯較高,說明更加適用于M油田現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)條件下的防垢。

3.1.2130℃下防垢劑篩選評(píng)價(jià)

將F9、F12、F15三種防垢劑在130℃條件下進(jìn)行防垢測(cè)試,結(jié)果見表4。

由表4可見,防垢劑F9在130℃溫度下防垢性能最好,說明具有更好的耐溫性。因此,針對(duì)M油田,優(yōu)選防垢劑F9。

3.2緩蝕阻垢劑的配比優(yōu)選

為增強(qiáng)在高溫環(huán)境下的防垢體系的緩蝕性能,在配伍性良好的前提下,將防垢劑F9與高溫緩釋劑HS-304按不同比例混合后,將混合好的溶液在90℃溫度條件下進(jìn)行靜態(tài)掛片腐蝕實(shí)驗(yàn)。 結(jié)果見表5。

由表5可見,隨著緩蝕劑占比增加,腐蝕速率逐漸減小。適宜的F9/HS-304(體積比)為2∶1。

3.3高溫緩蝕防垢劑動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)

靜態(tài)評(píng)價(jià)方法不能模擬實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,只適合對(duì)防垢劑的性能做初步評(píng)價(jià),故需采用動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法,對(duì)高溫緩蝕防垢劑做進(jìn)一步驗(yàn)證與優(yōu)選[13-14]。

3.3.1動(dòng)態(tài)防垢性能評(píng)價(jià)

將高溫緩蝕防垢劑和現(xiàn)場(chǎng)注入水,分別通過兩臺(tái)恒壓恒流泵,依次按照高溫緩蝕防垢劑不同濃度時(shí)的對(duì)應(yīng)比例,同時(shí)注入預(yù)熱罐溫度為130℃的高溫動(dòng)態(tài)防垢評(píng)價(jià)系統(tǒng)中,記錄注入泵吸入水量,排出水量,溫度和壓力等參數(shù),密切關(guān)注壓差變化。當(dāng)試驗(yàn)達(dá)12h或螺旋管進(jìn)出口壓差大于8MPa時(shí),即結(jié)束實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表6。

由表6可見,130℃注水狀態(tài)下,高溫緩蝕防垢劑對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)中碳酸鈣垢的防垢效果明顯,防垢率隨著藥劑濃度增大而增大,綜合藥劑濃度與防垢率增幅關(guān)系,優(yōu)選藥劑加量為200mg/L。

3.3.2高溫高壓動(dòng)態(tài)緩蝕性能評(píng)價(jià)

按200mg/L加量將藥劑與現(xiàn)場(chǎng)注入水的混合液加入高溫高壓釜中。將裝好試片的夾具裝入高溫高壓釜中,使試片完全浸沒于溶液中。將高溫高壓釜密閉裝好,關(guān)閉入口閥門,升溫至130℃,通過調(diào)節(jié)高溫高壓釜的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)試片,使試片轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)值,開始計(jì)時(shí)。試驗(yàn)周期為72h,停止加熱及攪拌,取出掛片,清洗、干燥處理后,計(jì)算損失質(zhì)量、平均腐蝕速率,結(jié)果見表7。

從表7可見,高溫緩蝕防垢劑對(duì)鋼片的腐蝕較小,符合Q/HS2064—2022《海上油氣田生產(chǎn)工藝系統(tǒng)內(nèi)腐蝕控制及效果評(píng)價(jià)要求》中小于0.076mm/a的指標(biāo)要求。

4、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在M油田開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),高溫緩蝕防垢劑加注濃度從200mg/L提升到300mg/L,通過監(jiān)測(cè)換熱器進(jìn)出口端的壓差變化及出口水溫變化來判斷換熱器內(nèi)部的結(jié)垢情況。試驗(yàn)期間,隨著加注濃度的增加,高效換熱器進(jìn)出口壓差上升速率明顯降低,出口水溫下降幅度減小,說明高溫緩蝕防垢劑在M油田具有明顯的防垢效果,見表8。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況下的防垢效果仍與室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定差距。通過現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)比,主要原因是未考慮介質(zhì)流速對(duì)結(jié)垢以及防垢效果的影響[14]。現(xiàn)場(chǎng)注水速率較大,流速對(duì)結(jié)晶體的擴(kuò)散作用大于剪切作用,結(jié)垢量增加[15]。同時(shí),流速較大,防垢溶液從藥劑注入口流至高效換熱器的時(shí)間很短,防垢粒子未能充分釋放并與水中易結(jié)垢離子充分反應(yīng)[16],從而削弱了防垢效果。

5、結(jié)論

a.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)分析,運(yùn)用垢化學(xué)分析軟件進(jìn)行結(jié)垢趨勢(shì)模擬,得出M油田現(xiàn)場(chǎng)工況下主要有碳酸鈣垢的形成,且結(jié)垢量隨溫度升高而增多。

b.通過對(duì)多種碳酸鈣化學(xué)防垢劑的篩選、優(yōu)化和評(píng)價(jià)研究,最終得出適用于M油田的高溫緩蝕防垢劑體系。

c.高溫緩蝕防垢劑體系現(xiàn)場(chǎng)防垢效果明顯,但是仍未達(dá)到室內(nèi)實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果,后續(xù)將充分考慮介質(zhì)流速對(duì)防垢效果的影響,從工藝和體系兩個(gè)角度,對(duì)M油田高效換熱器的防垢技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

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