三元复合驱油井结垢机理及防治措施

孙万成

三元复合驱（简称“ASP”）技术是80年代中后期在国际上兴起的新型高效驱油技术。二类油层开发三元复合驱技术是油田高含水后期进一步提高采收率的重要手段。但随着三元复合驱矿场试验不断地深入，暴露出的油井结垢问题已成为该技术工业化应用的最大障碍，因此，研究三元复合驱油井结垢机理及防治措施是当前非常迫切的任务之一。

三元复合驱驱油机理

三元复合驱是利用碱、表面活性剂和聚合物的溶液作为驱替液来提高油田采收率的—种新型采油技术，它可以提高驱替液的黏度，增大波及效率，降低油水界面张力，在一定程度上提高驱油效率，使石油的采收率增大。

三元复合驱中的碱与原油中的有机酸反应生成的烷烃链羧酸皂和环烷酸皂吸附在油水界面上，使油水界面张力降低，引起毛细管力阻滞作用降低，从而使被圈捕的原油参与流动。碱与加入的表面活性剂产生协同作用，增大界面活性。碱作为一种“盐”迫使更多的表面活性剂分子进入油一水界面，从而增加界面层中表面活性剂浓度，拓宽表面活性剂的活性范围。碱与油水界面处存在的胶质、沥青质、石蜡、卟啉中的有机极性物反应，使得油水界面上的刚性膜破裂和有机物溶解，提高原油产量。碱与岩石表面的矿物产生离子交换，使岩石表面矿物组成发生变化，改善岩石颗粒表面电性，减少表面活性剂和聚合物在岩石表面上的吸附、滞留损失。碱的加入，促进聚合物的水解，使ASP体系的浓度增大。

三元复合驱体系中表面活性剂的作用是作为驱油主剂降低油一水界面张力，使残余油变为可流动油。它改变了岩石表面的润湿性，使滞留在岩石孔道内的油滴和水之间的作用力增加。岩石表面对原油吸附作用相对减小，增大水的洗油能力，同时对原油有增溶作用，还可使原油乳化，增加其流动性，达到混相驱油的效果。表面活性剂存在时，更有利于皂化反应进行，两者的协同效应促使界面张力进一步降低，在离子强度和二价阳离子浓度高时起补偿作用。拓宽体系的界面活性范围和油水发生自发乳化的盐含量（或pH值）范围。

三元复合驱体系中的聚合物可以增加驱替水系的黏度，降低水的流度，从而大大降低水油流度比，以减缓指进现象，改善油层横向及微观孔隙结构的非均质情况，缓解窜流、绕流等现象。增加驱替水的波及面积，改善驱替水在油层间垂直方向的分配比，调整吸水剖面。增加低渗透层和正韵律沉积层内上层部位的吸水能力。从而减缓水沿高渗透层窜进的现象，改善驱替水的波及效率。

三元复合驱结垢机理

结垢机理分析

三元复合驱注入体系化学药剂（主要是碱）注入地层后，一方面和地层中流体混合发生物理化学反应，另一方面与岩石矿物发生反应，打破原流体和岩石矿物间的物理化学平衡状态，使地下流体及岩石矿物发生变化，导致三元采出液中的硅离子浓度随pH值的增加而增加，油井出现严重的结垢现象。

采出系统结垢主要是由温度、压力等热力学条件改变引起的，垢的形成过程可简单表示为：水溶液一过饱和状态一结晶析出一结晶长大一结垢。对于垢的形成过程，溶液过饱和状态、结晶的沉淀与溶解、与表面接触时间等是关键因素，其中过饱和度是结垢的首要条件。

硅的化合物在碱性介质中以胶体存在，胶体物质的基本粒子是胶团，胶团在pH值下降或摩擦等条件下发生积聚、失水形成不可溶硅，即硅垢。硅垢可为碳酸盐垢提供晶核，碳酸盐垢可为硅酸盐胶体积聚体提供着附表面，两者有相互促进作用，加速了结垢。

结垢原因

水中若含有杂质，当使用条件（如温度、压力、流速和热传递等）合适时，与水接触的油气管道表面，地层喉道处就容易结垢。在地层压力、温度及盐度合适的条件下，一些矿物（如CaS04，CaC03）溶解于水中而达到最大浓度，当水通过地层并随同油气进入井筒时，由于温度和压力下降，使其中所含的溶解固体的平衡条件发生变化，水溶解矿物的能力下降，形成过饱和现象，导致沉淀而生成水垢。在三元复合聚区中，地下的成垢成分发生了很大的变化，成垢成分的浓度和数量也大大增加，自然在井筒中结垢的程度也大幅增加。在油气的伴生水中—般含有C032-, HC032- Ca2+等致垢物，当输送温度过高时，CaC03垢在油管中的形成将越来越多。

油井垢中的主要矿物成分为非晶质二氧化硅、六方球状方解石、普通方解石和硫酸钡等，次要矿物为碎屑石英、碎屑长石、碎屑粘土颗粒和黄铁矿等，另外还有少量微量矿物。

常用各种防垢、清垢方法

从结垢的过程看，防止的方法有两大类：一是防止垢的形核；二是防止垢的长大。目前，常用的清防垢方法有三种：化学方法、物理方法和机械方法，其中化学方法应用最为广泛。

化学清垢、防垢

防垢剂品种繁多，有的是单一组分，有的是多组分复配而成。油田常用防垢剂可按分子结构进行分类，主要有无机磷酸盐防垢剂、聚合物防垢剂、有机磷防垢剂。

在备类防垢剂中，含磷防垢剂占有很大比例，作为单剂应用时，防垢效率较高；在复合配方的防垢剂中，它具有协同或增效作用。但是，含磷化合物对环境保护是一种威胁。随着环保意识的增强，无磷或限磷的绿色防垢剂是今后的发展方向。

清除碳酸盐垢的药剂主要成分是盐酸。主要反应生成物CaCI，是水溶性的。因此，盐酸能有效地清除碳酸盐垢。用盐酸除垢，由于盐酸对金属设备有严重的腐蚀性，因此要使用缓蚀剂。大多数情况下水中可能含有铁离子，这部分铁离子在地层中很容易转化成沉淀物堵塞地层造成渗透率下降，因此要使用铁离子稳定剂防止铁沉淀物生成。清除硫酸钙垢的药剂：常用25%NaOH浸泡除垢。反应物Na2S04是水溶物，Ca（OH）2是疏松状的物质，可被液流分散带走。

涂层防垢

金属表面涂覆一层涂层后，由于涂层本身的性质就可能防止垢的形成。如涂层是憎水型的，则水在涂层上面难以附着，垢就很难形成。一般在腐蚀产物上也容易形核，由于一般涂层能防止腐蚀，所以涂层也能防止由于腐蚀产生的垢。从目前的水平看，有机涂层中通过特殊设计，可以得到憎水性很好的涂层，所以防垢性能好，但在有杆泵的情形下，耐磨性能不足。而金属涂层更耐磨损和耐高温。

其它防垢措施

通过电磁场的处理，使碳酸钙等晶体结构发生变化，使垢晶体不会附着于接触物（管壁内侧）的表面，而是被水流带走。已经投入使用的物理方法有：磁性处理、超声波防垢等。

经过磁化处理的水滴内水垢颗粒变得更小，而且在水滴表面很少，也就是说水垢颗粒悬浮在水中，与钢铁表面接触机会少，在水流动状态下水垢颗粒容易被水带走。

超声波防垢主要是利用超声波强声场处理流体，使流体中成垢物质在超声场作用下，物理形态和化学性能发生一系列变化，使之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管壁形成积垢。

电化学方法是让垢离子带有同性电荷，这样垢很难聚集和沉积。

三元复合驱暴露出许多需要解决的技术问题，如分注工艺、结垢规律摸索、防垢剂的加药方式和合理的加药周期、加药量等成为制约三元复合驱高效开采的主要因素；采出井结垢、卡泵、杆断现象、检泵周期明显缩短等。但三元复合驱的开采速度为老油田的稳产接替和提高采收率展现了广阔的前景，对三元复合驱的研究还是取得了许多令人满意的成果，部分已经进行了工业化试验并取得了一定的经济效益。