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油田防垢技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展

文檔作者：李海波1 張艦2 文檔來(lái)源： 1．東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 2．大慶油田有限責(zé)任公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年09月22日
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上一篇：油田集輸系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

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第33卷第4期
2012年8月
化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)
Journal of Chemical lndustry&amp;amp;Engineering
V01．33 No．4
Aug．，2012
油田防垢技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展
李海波1，張艦2
(1．東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江大慶163318；2．大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江大慶163411)
摘要：在油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，結(jié)垢會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)很大影響，防垢方法有投加化學(xué)藥劑、超聲、電磁等，也
可以通過(guò)改變工藝來(lái)降低垢的生成。對(duì)油田結(jié)垢的機(jī)理及影響因素進(jìn)行了闡述，介紹了目前常用的化
學(xué)和物理防垢方法以及工藝，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)做了總結(jié)。
關(guān)鍵詞：結(jié)垢碳酸鹽垢硫酸鹽垢防垢除垢
中圖分類號(hào)：TE358．5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006—7906(2012)04—0040—04
Oilfield inhibition technology and application progress
Ll Haib01．zHANG Jian2
(1．School of Chemistry＆Chemical Engineering，Northeast Petro]eum University，Daqing
163318，China；2．Daqing Oilfiled Co．，Ltd．，Daqing 163411，China)
Abstract：In the oilfield development process，scaling brings great influence on production．The mainly methods for anti—
scale include dosing chemicals，using physical methods such as ultrasound，electromagnetic，etc．or changing the process tO re—
duee the formation of scale．The scaling mechanism and affecting factors in the oilfield are presented，and the current common
physical and chemical methods and processes are introduced，and the advantages and disadvantages are summarized．
Key words：Scaling；Carbonate seale；Sulfate scale；Antiscale；Descaling
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多油田已進(jìn)入高含水期，結(jié)垢問(wèn)
題日益突出。結(jié)垢可能發(fā)生在油井與地面集輸系
統(tǒng)，會(huì)對(duì)油層造成損害或堵塞油田管線，給生產(chǎn)帶來(lái)
極大危害，使產(chǎn)量降低，能耗增加，難以連續(xù)操作，甚
至長(zhǎng)期停工停產(chǎn)。20世紀(jì)80年代初，針對(duì)油田不
同的結(jié)垢情況，曾采取過(guò)不同的防垢措施，而現(xiàn)在油
田生產(chǎn)中形勢(shì)復(fù)雜多變，對(duì)防垢提出了更高的要求，
也推動(dòng)了防垢技術(shù)的發(fā)展。
1 油田結(jié)垢的原因及影響因素
1．1 油田結(jié)垢的主要原因
油田結(jié)垢主要有3大原因：(1)注水以及地層水
中含有Ca2十，M92+以及C02一，SO；一等大量的成垢
離子，在采油過(guò)程中，因壓力、溫度或水成分變化破
壞了原來(lái)的化學(xué)平衡而產(chǎn)生垢，以碳酸鈣為主，另外
還混有碳酸鎂、硫酸鈣、硫酸鎂等；(2)2種或2種以
上不相容的水溶液混合在一起，結(jié)垢離子相互作用
而生成垢，最常見(jiàn)的是硫酸鹽垢；(3)采出物中的組
分變化打破原來(lái)的化學(xué)平衡導(dǎo)致垢的生成。
1．2 油田結(jié)垢的影響因素
油田結(jié)垢不僅受體系中各離子種類和含量的影
響，還受外部條件的制約：(1)成垢離子的含量越高，
離子間結(jié)合的幾率越大，結(jié)垢現(xiàn)象越嚴(yán)重；(2)濕度
和壓力是影響成垢的重要因素，成垢物質(zhì)的溶解度
隨溫度和壓力的變化很大，溫度和壓力的變化可能
導(dǎo)致垢的大量生成，溫度升高會(huì)使CaCO。、CaS04、
BaSO。等成垢物質(zhì)在水中的溶解度降低，而壓力升
高使CaC0。的溶解度增加；(3)pH值對(duì)垢的生成也
有很大影響，pH值較高時(shí)，碳酸鹽垢較多，pH值較
低時(shí)，碳酸鹽垢生成量減少。
2油田防垢技術(shù)
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，油田中所用的防垢技術(shù)
也變得更加多樣化，日趨先進(jìn)和成熟。從開(kāi)始的加
酸等簡(jiǎn)單手段到現(xiàn)在的有機(jī)防垢劑的產(chǎn)生，再到高
收稿日期：2012—03—26。
作者簡(jiǎn)介：李海波(1984一)，男，河北石家莊人，碩士研究生。主要
研究方向?yàn)橛吞锘瘜W(xué)。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
李海波等油田防垢技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展· 41 ·
分子聚合物防垢劑的出現(xiàn)，防垢劑的用量越來(lái)越小，
對(duì)設(shè)備的副作用也不斷減小，但是化學(xué)藥劑會(huì)對(duì)環(huán)
境造成不利影響。在環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的今天，超聲
波、電磁、脈沖等物理防垢技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，因其成本
低、能耗低、操作簡(jiǎn)便、節(jié)省大量人力物力資源而倍
受青睞；現(xiàn)場(chǎng)也會(huì)通過(guò)改變外部條件的工藝方法來(lái)
降低結(jié)垢量。各種方法實(shí)施時(shí)有利有弊，應(yīng)視實(shí)際
情況慎重選擇。通常油田水質(zhì)多樣，僅靠單一的手
段難以達(dá)到防垢要求，因此多種技術(shù)共同使用，發(fā)揮
各自的優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生協(xié)同作用是未來(lái)油田防垢的發(fā)展
趨勢(shì)。
2．1化學(xué)防垢法
化學(xué)防垢法就是利用某些化學(xué)物質(zhì)的特性來(lái)阻
止成垢物質(zhì)的形成和沉積，主要是通過(guò)添加阻垢劑
來(lái)防止或減少無(wú)機(jī)鹽垢的生成，防垢機(jī)理一般認(rèn)為
有以下幾種：
a)晶格畸變n]：在水中加入防垢劑時(shí)，它們會(huì)吸
附到晶體的活性生長(zhǎng)點(diǎn)上，并與鈣離子螯合，抑制晶
格的規(guī)則生長(zhǎng)，使晶體發(fā)生畸變，迫使大晶體內(nèi)部的
應(yīng)力增大，從而使晶體易于破裂，阻礙了垢的生長(zhǎng)。
b)絡(luò)合增溶：有機(jī)或無(wú)機(jī)防垢劑溶于水后，與
水中的鈣、鎂等離子形成穩(wěn)定的可溶性絡(luò)合物，將更
多的離子穩(wěn)定在水中，增大了鈣、鎂等鹽的溶解度，
抑制了垢的沉積。這類反應(yīng)不按化學(xué)當(dāng)量進(jìn)行，即
使在防垢劑的用量很低的情況下也能與較多的成垢
離子螯合。
c)闕值效應(yīng)心]：根據(jù)結(jié)晶螺旋位錯(cuò)理論，微晶表
面的活性增長(zhǎng)點(diǎn)數(shù)是有限的，當(dāng)某個(gè)活性增長(zhǎng)點(diǎn)被
防垢劑分子覆蓋時(shí)，將使該活性增長(zhǎng)點(diǎn)周圍的晶體
生長(zhǎng)受阻，因此極低的防垢劑即可抑制結(jié)晶生長(zhǎng)。
通常，在水中投加很少量的防垢劑(數(shù)量級(jí)為每升數(shù)
毫克)，即可將比按化學(xué)計(jì)量計(jì)算高得多的金屬離子
穩(wěn)定在水中。
d)靜電斥力作用[3]：陰離子型防垢劑，在水中解
離生成的陰離子在與垢的微晶碰撞時(shí)，會(huì)發(fā)生物理
化學(xué)吸附現(xiàn)象，使之帶負(fù)電。因?yàn)樽韫竸┑逆湢罱Y(jié)
構(gòu)可吸附多個(gè)相同電荷的微晶，靜電斥力可阻止微
晶相互碰撞，從而避免了大晶體的形成。在吸附產(chǎn)
物碰到其他阻垢劑分子時(shí)，可將已吸附的晶體轉(zhuǎn)移
過(guò)去，出現(xiàn)晶粒均勻分散的現(xiàn)象，減少了晶粒間以及
晶粒與金屬表面的碰撞，降低了溶液中的晶核數(shù)，將
垢晶穩(wěn)定在溶液中。
以上幾種機(jī)理體現(xiàn)出目前對(duì)防垢作用的認(rèn)識(shí)水
平，由于它們都帶有不同程度的推測(cè)，因而在對(duì)具體
結(jié)垢問(wèn)題分析時(shí)，往往認(rèn)為是多種機(jī)理協(xié)同作用。
防垢劑主要經(jīng)歷了從無(wú)機(jī)物到有機(jī)物、從小分
子到高分子的發(fā)展歷程，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外主要采用的
是有機(jī)磷酸型和聚合物型防垢劑，還有將其配制成
納米乳液來(lái)增強(qiáng)其防垢效果的做法。
2。1．1有機(jī)磷酸型防垢劑
00／OH
有機(jī)磷酸防垢劑的分子構(gòu)型為R—P ，
＼
OH
有機(jī)磷酸防垢劑化學(xué)穩(wěn)定性良好，具有較好的耐高
溫性能，不易水解也不易被酸堿破壞結(jié)構(gòu)，其阻垢性
能優(yōu)異，價(jià)格便宜，少量使用即可達(dá)到較好的防垢效
果，是油田應(yīng)用比較廣泛的一類防垢劑。但是該類防
垢劑使用時(shí)會(huì)造成磷的排放，形成藻菌，影響生態(tài)平
衡臥_5]。舒干等認(rèn)為，磷酸防垢劑本身具有表面活
性，可以對(duì)堿土金屬產(chǎn)生去活化作用，使水溶液中形
成鈣垢的晶核數(shù)目降低，從而減少生成垢的機(jī)會(huì)邸]。
榮新明等合成了十二胺基二亞甲基膦酸鹽
(DAMP)[71，并對(duì)其防垢性能進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表
明，DAMP質(zhì)量濃度為10 mg／I。時(shí)，對(duì)硫酸鈣的防
垢率為97．373％。袁彬等使用低劑量的磷酸鹽防
垢劑與驅(qū)油用表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，測(cè)定了體系的
防垢性能[8]。結(jié)果表明，合適的復(fù)配體系由于各化
學(xué)劑之間的協(xié)同效應(yīng)，可以顯著提高防垢性能，
SLPS與ATMP和EDTMP復(fù)配、()RS一41與AT—
MP和EDTMP復(fù)配體系，對(duì)硫酸鈣垢的防垢率達(dá)
到了90％。
2．1．2聚合物型防垢劑
聚合物阻垢劑具有阻垢性能優(yōu)異、用量少、溶限
效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng)良好、低公害或無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)[9]，近
年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著石
油工業(yè)的發(fā)展，地質(zhì)情況變得越來(lái)越復(fù)雜，許多油井
出現(xiàn)大量的鋇、鍶等元素，因此研制開(kāi)發(fā)針對(duì)鋇鍶垢
鹽的防垢劑具有重要的意義[1”11]。共聚物溶于水
后吸附在無(wú)機(jī)鹽的微晶上，使微晶間斥力增加，阻
礙了金屬鹽分子聚結(jié)，減緩晶體生長(zhǎng)速度，從而減
少垢的生成。含有強(qiáng)極性基團(tuán)的共聚物的防垢劑性
能更加優(yōu)越，這是因?yàn)閺?qiáng)極性親水基團(tuán)不易與水中
的鈣離子發(fā)生橋接反應(yīng)，生成聚合物一陽(yáng)離子膠凝
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
· 42 · 化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)2012年第33卷第4期
體，不會(huì)降低防垢劑的活性組分，能有效地防止膠
凝作用。
鄭海洪等用丙烯酸(AA)、順丁烯二酸酐
(MA)、2一丙烯酰胺基一2一甲基丙磺酸(AMPS)制得
新型防垢劑口2。。考察了防垢劑用量、溫度、時(shí)間、體
系pH值、成垢離子濃度對(duì)防垢效果的影響，發(fā)現(xiàn)該
防垢劑耐溫性能好，在70℃以下防垢16 h，防垢率
達(dá)94％以上，在90℃時(shí)防垢率仍接近90％，可適用
于溫度較高的油田作業(yè)區(qū)。吳雪琴等在實(shí)驗(yàn)室以馬
來(lái)酸酐為原料通過(guò)催化聚合制備聚環(huán)氧琥珀酸
(PESA)[1引，當(dāng)其加量為40 mg／I。時(shí)，對(duì)鈣離子質(zhì)
量濃度小于500 mg／L的溶液阻垢效率達(dá)到100％，
對(duì)鈣離子質(zhì)量濃度600～700 mg／L的溶液阻垢效
率達(dá)到85％以上。曹文全等以順丁烯二酸酐、丙烯
酸、丙烯酸甲酯為單體合成順丁烯二酸酐一丙烯酸一
丙烯酸甲酯(MA—AA—MAC)三元共聚物水溶性防
垢劑n“，其防垢率可達(dá)90．1％。
2．1．3納米乳液防垢劑
油氣田生產(chǎn)中最常用的防垢方法之一就是通過(guò)
擠注防垢劑溶液來(lái)達(dá)到防垢的目的H
51 6I。但是在
低含水地層中，水溶性擠注液會(huì)導(dǎo)致出油慢，更嚴(yán)重
的會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成傷害，而用納米乳液輸送水溶性防
垢劑的方法便不會(huì)產(chǎn)生此類問(wèn)題。該方法具有以下
優(yōu)點(diǎn)：(1)乳滴可變形，不易堵塞地層孔喉；(2)乳液
可進(jìn)入所有產(chǎn)油層，不會(huì)產(chǎn)生錐進(jìn)現(xiàn)象；(3)防垢劑
乳液滯留于多孔介質(zhì)中，緩慢破乳，緩慢釋放，防垢
周期長(zhǎng)；(4)油井恢復(fù)生產(chǎn)前期防垢劑不會(huì)大量釋放
而造成浪費(fèi)，而這是其他擠注法不能避免的；(5)擠
注作業(yè)結(jié)束后，防垢劑乳液不會(huì)延緩油的產(chǎn)出，作業(yè)
效益較高。
劉佳林等以正庚烷或正辛烷為油相，添加Span
80與Tween 80，將不同防垢成分的FG一1和FG一
2分散于微乳液水相中，形成穩(wěn)定均相的防垢納米
乳液口川。性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，2種納米乳液防垢劑
的防垢率分別為90．1％和89．6％，與地層水接觸后
無(wú)絮凝物；含有FG一2的納米乳液防垢劑吸附性
好，解吸速率慢，并且高礦化度下仍有較好的防垢性
能。與現(xiàn)用防垢劑商品相比，納米乳液的防垢率隨
時(shí)間變化有一個(gè)峰值，大大增加了防垢劑作用時(shí)間，
提高了防垢效率。
2．2物理防垢法
物理防垢法就是在設(shè)備內(nèi)壁添加某些涂層，或
利用設(shè)備儀器來(lái)抑制垢的形成，主要通過(guò)物理或機(jī)
械的作用來(lái)阻止無(wú)機(jī)鹽沉積于系統(tǒng)的管壁上。這種
方法允許在溶液中形成結(jié)晶甚至沉淀，但要求它們
不能黏附在管壁上而造成管道的堵塞。常見(jiàn)的物理
防垢技術(shù)有：添加金屬防垢涂層、超聲波處理、磁防
垢技術(shù)、高頻及脈沖防垢技術(shù)等。
2．2．1涂層防垢法
在油田技術(shù)系統(tǒng)中，管道內(nèi)壁的表面能越高，成
垢晶核越容易附著在上面，因此，涂層防垢法就是在
管道內(nèi)壁添加表面能低的涂層，以減少晶核附著在
管道壁上的幾率，從而達(dá)到防垢的效果。
姜春花等對(duì)克拉瑪依油田注水及輸油管線內(nèi)壁
結(jié)垢進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)¨引，涂層材料選用YH一
16無(wú)溶劑環(huán)氧和美國(guó)帕羅特環(huán)氧涂料，對(duì)碳酸鈣和
一定量的腐蝕產(chǎn)物FeS、Fe。O。做防垢測(cè)試。結(jié)果
表明，添加涂層后結(jié)垢量較未涂前減少較多，僅有少
量浮垢附著在涂層表面，輕拭即可除去。
2．2．2超聲波處理
超聲波除垢防垢的主要原理是：(1)超聲波產(chǎn)生
的聲場(chǎng)可以提高分子活性，使成垢物在溶液中形成
分散的垢結(jié)晶，而不沉積在器壁上形成結(jié)垢；(2)超
聲波會(huì)使液體內(nèi)產(chǎn)生大量的空隙和氣泡，當(dāng)其破裂
時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力峰，使成垢物質(zhì)粉碎；(3)超聲波在垢
層和器壁上的傳播速度不同，形成剪切力，使垢層脫
落，達(dá)到除垢作用。
霍文蘭等以輸油管道垢塊、金屬鐵片為研究對(duì)
象，利用化學(xué)試劑、化學(xué)試劑與超聲波相結(jié)合的方法
分別對(duì)其進(jìn)行除垢、防垢實(shí)驗(yàn)[1引。結(jié)果表明，選用
10％Na。CO。，10％鹽酸，0．5％NaF組成的除垢
劑，除垢量可達(dá)0．013 1 g／m2，和超聲協(xié)同作用后除
垢量可達(dá)0．075 9 g／m2。選用0．01％NaOH、
0．01％Na。PO。組成的防垢劑，經(jīng)過(guò)1 h，結(jié)垢量為
6．83 g／m2；而與超聲配合使用，經(jīng)過(guò)同樣的時(shí)間，結(jié)
垢量為0．25 g／m2，防垢率可達(dá)96．3％。該研究說(shuō)
明超聲波對(duì)輸油管道具有較強(qiáng)的除垢、防垢能力。
2．2．3磁防垢技術(shù)
磁防垢技術(shù)投資小、操作簡(jiǎn)單、無(wú)毒無(wú)污染，可
同時(shí)防垢、除垢和殺菌等，是一種極具發(fā)展前景的防
垢技術(shù)。磁防垢主要是通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)成垢物質(zhì)的物理
化學(xué)性質(zhì)、結(jié)晶過(guò)程及晶體結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響來(lái)減少
垢的生成。磁感應(yīng)強(qiáng)度可以影響成垢物質(zhì)的成垢速
率、晶體大小及數(shù)目。有研究表明，磁處理可使溶液
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
李海波等油田防垢技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展· 43 ·
的電導(dǎo)率顯著降低，使溶液中成垢物質(zhì)的成核速率
大于晶體生成速度，不形成大塊的沉積，因此具有防
垢效果。
張濟(jì)鵬對(duì)XSCX型磁化器和MDS型脈沖磁化
器在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果進(jìn)行了調(diào)查‘2?，發(fā)現(xiàn)安裝磁防
垢器后系統(tǒng)中Ca2+結(jié)垢趨勢(shì)明顯變小，防垢率達(dá)到
90．01％。
2．2．4高頻及脈沖防垢技術(shù)
脈沖防垢器一般體積小、重量輕、安裝和使用方
便，節(jié)約大量的能源和人力資源，在使用過(guò)程中不會(huì)
產(chǎn)生污染的副產(chǎn)物，綠色環(huán)保，不會(huì)對(duì)管線造成腐蝕
破壞，有利于延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。
吳永華等進(jìn)行了吉一聯(lián)超音頻脈沖除垢防垢儀
的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)團(tuán)]。選用BS一200L防爆型超音頻脈
沖防垢除垢儀，發(fā)現(xiàn)使用該設(shè)備后不僅結(jié)垢變少，而
且將部分堆積在設(shè)備內(nèi)壁的垢層震落，使之排出，達(dá)
到了防垢除垢的雙重效果。
3 結(jié)語(yǔ)
油田結(jié)垢的防治是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)，對(duì)
實(shí)際生產(chǎn)有重要意義。目前國(guó)內(nèi)的防垢技術(shù)較國(guó)外
還有很大差距。化學(xué)防垢劑主要的發(fā)展方向是研發(fā)
防垢性能好、鈣容忍度高、耐高溫且具有防垢和緩蝕
復(fù)合功能的新型防垢劑。物理防垢技術(shù)具有成本低
廉、操作簡(jiǎn)便、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中
有廣闊的發(fā)展空間。在應(yīng)用技術(shù)上，加強(qiáng)物理方法
和化學(xué)投藥法及生物技術(shù)的協(xié)同處理，將會(huì)取得更
好的效果。
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