青海躍進油田集輸管道結垢的綜合治理

新疆大學地質與礦業工程學院

青海躍進油田集輸管道結垢的綜合治理

李澍 田繼軍新疆大學地質與礦業工程學院

以青海躍進油田集輸管道為例，對其結垢機理、結垢成因和影響結垢的因素進行分析，從化學法除垢、高壓水槍噴射除垢、機械除垢、超聲波除垢等方面進行治理研究，提出相應結垢治理技術措施。集輸管道清掃時，盡量縮短酸液與管道接觸的時間，清洗后盡快將殘余酸液排盡，防止清晰余留酸液引起結垢。建立管道結垢監測系統，及時發現結垢部位和結垢數量、性質特征等情況，及時采取治理措施，避免結垢物增多。開發針對性強、效率高的結垢物化學處理劑，采用管內移動式除垢器及電動控制除垢設備，對集輸管道內存在的結垢物進行自動清理。

油田；集輸管道；結垢；物理防垢；化學防垢

集輸管道由于輸送的油氣含有有機物、H2S、CO2、細菌等雜質，容易形成污垢并黏附在管道內壁，造成集輸管道壓力損失、內徑減小、排量減小、流通不均勻等，嚴重影響了集輸系統的輸送效率和穩定性。同時，結垢還可能引起管道局部腐蝕，導致穿孔、破損等現象，進而引發安全事故，后果嚴重。以青海躍進油田集輸管道為例，對其結垢機理、結垢成因和影響結垢的因素進行分析，提出科學有效的集輸管道結垢治理措施，對解決青海油田日益嚴重的管道結垢問題，提高設備傳熱效率、集輸管道輸送效率，提高集輸系統使用壽命和油田經濟效益具有十分重要的促進作用。

1 集輸管道結垢分析

1.1 結垢機理

（1）物質不相容機理理論。由于管道液體中含有的離子或氣體，在發生化學反應的腐蝕過程中，產生了不穩定的物質，這些物質與管道液體不相容，進行沉淀后就形成垢物。例如，水型為NaHCO3的油氣井條件和含有CaCl2的油田采出物混合輸送后就會在集輸管道內形成結垢物。

（2）熱力學條件影響結垢機理。油氣井開采過程中，由于開采和輸送環境的變化，集輸管道內壓力下降，溫度上升導致輸送物質的礦化度增高，沉積速率加快且容易結垢。

（3）吸附機理理論。在發生腐蝕后，結垢物經歷析出、長大和沉積3個過程。垢是晶體結構，集輸管道表面是凹凸不平的粗糙面，垢形成后會吸附在管道表面，然后以其為中心不斷長大形成密集的結垢物。

（4）結垢因素。這3個結構理論機理直接表明了集輸管道結垢因素：一是地層中含有高濃度易結垢離子，化學平衡破壞產生硫酸鎂、硫酸鈣等結垢物；二是兩種或兩種以上不相容的水混合在一起，離子相互作用產生硫酸鋇、硫酸鍶等結垢物，以及大量的硫酸鹽結垢物。

1.2 結垢成因

根據油田集輸管道結垢機理理論，針對青海油田特征進行分析，青海油田水中含有較高的Ca2+、Sr2+、Ba2+等成垢離子。地殼中鈣的豐度僅次于氧、硅、鋁、鐵，占第5位，顯然鈣是含量較高的元素之一，因而地層水顯示出Ca2+含量高的特征。根據結構機理，Ca2+屬成巖垢的主要離子之一，它與CO32-、SO42-等陰離子的結合輕易產生碳酸鈣、硫酸鈣等結垢物。同時，青海油田還存在以下結垢形成條件：①地層水中含有Ca2+、Sr2+、Ba2+等成垢離子，是由于巖石礦物長期反應緩慢形成的。這些都是成垢離子，是各種礦石如斜長石、黑云母、沸石、方解石等自然釋放形成而進入地水層，從而形成結垢物。②黏土巖和黏土礦物的陰離子交換，黏土巖表面吸附Ca2+、Sr2+、Ba2+等進入孔隙水中，增加了管道結構的危險性，也是結構成因之一。③青海油田油層形成空間條件，一方面一定的空間是成垢的必然條件，另一方面孔隙為成垢過程提供成垢離子。

有了上述條件，青海油田集輸管道就極容易產生硫酸鋇、硫酸鍶等結垢物，同時還有碳酸鈣、硫酸鈣和少量的碳酸鎂等結垢物。

1.3 管道結垢影響因素

影響青海油田集輸管道結垢的因素很多，除了介質本身含有的有機物、H2S、CO2外，還受到許多外界因素影響。

（1）溫度對管道結垢的影響。溫度對管道結垢的影響主要是改變形成垢物的鹽類溶解度。結垢物大多數是隨著溫度升高溶解度降低，也就是結垢物形成加快。對鹽類垢物進行分析，當溫度升高時發生如下反應該反應吸熱，溫度升高反應加快，形成CaCO3結垢物。同理，對于BaSO4、SrSO4、CaSO4等結垢物而言，其形成過程難溶解，都是吸熱反應，因此溫度升高結垢物增多。并且，溫度升高對集輸管道介質中的細菌、鐵離子反應速度加快，從而影響和加大結構物形成。

（2）壓力對管道結垢的影響。壓力對集輸管道CaCO3、BaSO4、SrSO4、CaSO4等結垢均有影響，結垢反應方程中含有氣體參與，壓力降低時，促使結垢加快。在青海油田集輸管道輸送過程中，管道壓力都是逐步降低，因此結垢速率加快，結垢物增多。

（3）介質流速對管道結垢的影響。一般情況下，集輸管道輸送介質的流速增大，可以降低沉積物，反應產生的結垢物難以大面積堆積沉淀；同時流速增大引起的剝蝕率的增加十分顯著，造成結垢增長減少。流速降低時，介質中的固體顆粒、微生物等沉積增多，結垢趨勢明顯加大。流速增大也是壓力變化的體現，引起結垢反應的加快。

（4）pH值對管道結垢的影響。對青海油田的結垢物和原油進行實驗研究，得出結論：提高溶液pH值，碳酸鹽溶解后迅速結晶，結垢物形成加快，pH值過低時，容易出現腐蝕并形成腐蝕物結垢。界定合適的pH值，使得集輸管道結垢控制在最佳范圍，即6.5～8.0范圍內。

2 結垢治理技術措施

2.1 化學防垢技術

化學除垢是當前集輸管道結垢治理最基本、最常用的方法。一方面選擇良好的化學防垢劑注入集輸介質中能有效防止結垢物生成；另一方面選用合適的除垢清洗劑，針對結垢物性質特征采用化學藥劑對其進行清洗，通過化學反應將結垢物進行溶解。實際治理時要根據青海油田結構物成分有針對性地研究，才能最大限度提高除垢治理效果，最低限度減小成本和損耗。化學除垢清洗劑在集輸管道結垢治理應用廣泛，但是往往容易造成管道損壞，污染環境等，需要進一步研究。

2.2 高壓水槍噴射清洗除垢

高壓水槍噴射是最清潔、最簡單的管道結垢治理方法，它主要是利用高壓水經過特殊噴嘴噴向結垢物時，將其直接沖洗掉，結垢治理效率高，無附帶負作用。這種方法目前使用較少，主要是耗水量十分大，結垢治理后的水處理難度大，噴射掉的污垢難以快速、安全、徹底排掉。青海油田根據自身實際情況可以從此方面入手，結合水處理系統，將處理水進行循環利用，進而采用高壓水噴射除垢方法。

2.3 機械除垢

集輸管道結垢機械治理是采用強力清管器（包括磁力清管器、釘輪清管器、刷輪清管器等）在集輸管道內部對管道內壁黏附的結垢物進行自動清理。清管器操作簡單、治理速度快、自動化程度高、無污染，可以在青海油田進行試用。但是清管器機械結構治理法難以徹底將垢物清理干凈，一般需要重復清理8～10遍，除垢效率低下，而且設備容易損耗、成本高。

2.4 超聲波除垢

超聲波治理是通過超聲波儀器對集輸管道輸送介質進行處理，使得流體中的結構物質在超聲波場的作用下，物理形態和化學形態發生變化，出現分散、松散、粉碎、脫落，而不會出現在管道內壁進行沉積、黏附形成污垢。一般是在未形成結垢物前進行防垢，處理效果明顯、成本低、無污染、無損壞，在青海油田集輸管道結垢防護過程中可以推廣應用，但是對已結垢進行治理起到的作用不大。

3 結語

（1）集輸管道清掃時，盡量縮短酸液與管道接觸的時間，清洗后盡快將殘余酸液排盡，防止清晰余留酸液引起結垢。

（2）建立管道結垢監測系統，及時發現結垢部位和結垢數量、性質特征等情況，及時采取治理措施，避免結垢物增多。

（3）開發針對性強、效率高的結垢物化學處理劑，通過化學反應機理將管道內產生的結構物進行清理。

（4）采用管內移動式除垢器及電動控制除垢設備，對集輸管道內存在的結垢物進行自動清理，達到效率高、速度快、質量好、無污染的效果。

（欄目主持 焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.053