貫通型螺旋板換熱器在含聚合物原油生產中的應用*

劉孝根 倪利剛 江慧豐 吳曉紅 張明然

(合肥通用機械研究院)

聚合物驅油是20世紀60年代初發展起來的一項三次采油技術，它是向水中加入高分子量的聚合物，從而使其粘度增加，改善驅替相與被驅替相間的流度比，擴大波及體積，以提高原油采收率的一種技術措施。目前我國已經成為世界上使用聚合物驅技術規模最大、增產效果最好的國家[1～3]。隨著聚合物采油技術的推廣應用，開采面積和產量不斷增加，采出液中聚合物含量也不斷提高，給整個采油工藝流程，尤其是原油脫水和污水處理帶來影響。目前，對于采出液的處理存在較大困難。以綏中某電脫水平臺為例，該平臺主要作用是通過電脫水器對平臺一期、二期及周邊平臺含聚合物原油進行脫水處理，以減少下游終端處理廠的外排污水量，脫出的生產污水處理合格也可以作為注水的水源，實現節能減排。該平臺換熱器結垢呈現出速度快、周期短及清理困難等特點。換熱器從投入運行至發現問題僅一個月時間，管殼式換熱器只能清理管束，每臺耗時12天。電脫原油換熱器堵塞已經引起換熱效率下降的問題。同時，注聚工藝造成原油乳化嚴重，脫水困難。根據設計，電脫水平臺需要將來液脫水至1%，但目前實際只能脫水至5%～10%。為此，需要更換換熱設備。

1 運行現狀

在運行期間，平臺各個換熱設備均出現問題。油-油加熱器、油-水換熱器和原油加熱器原油側均存在壓降變大的問題。為防止流程憋壓，需打開設備旁通才能維持運行。以原油加熱器為例，在生產過程中進行測試，單臺進料泵流量在235m3/h運行，回流閥開度為23%的情況下，加熱器進口壓力為550～570 kPa，出口壓力為220kPa，壓降為330～350kPa，遠超過設計壓降45kPa。海水冷卻器也存在降溫效果不好的問題，在3臺海水冷卻器同時投用的情況下，原油冷卻效果極差，只能從65℃降至63℃，遠達不到設計要求。海水冷卻器管束臟堵照片如圖1所示，可以看出，堵塞物為黑色膠狀物，換熱管基本已被堵塞物覆蓋，部分換熱管間隙已被堵死。

圖1 海水冷卻器殼程堵塞照片

綏中陸地原油處理廠采用通過性較好的可拆式堵死型螺旋板換熱器。然而這種換熱器也存在嚴重的堵塞問題。換熱效率達不到要求，換熱器出口溫度為93℃，遠低于設計溫度120 ℃。換熱器結垢速度快，清洗耗時。清洗作業組常駐現場對7組換熱器(每組兩個)進行循環清洗，清洗時需要拆卸頂端，平均一個換熱器的清洗時間為兩天左右。

2 堵塞成因分析

2.1 堵塞物組成和成分分析

對電脫平臺加熱器開蓋檢查發現，在殼程側排放物中(熱介質油)排出大量的原油和污水，說明管程側原油已泄漏到殼程側。浮頭蓋內部有大量柱狀固體物堆積，直徑約15mm，長約20～100mm。對含聚合物原油進行脫油抽提處理，然后對抽余物進行組成和成分分析。經分析，堵塞物由油與不溶物兩部分組成，兩者分別占53%和47%。堵塞物中不溶物成分主要是方解石Ca1.11Mg0.89(CO3)2和纖維蛇紋石Mg3Si2O5(OH)4，具體成分見表1。

表1 堵塞物中的不溶物成分

2.2 堵塞物沉積機理分析

合理的換熱器流道結構使流體均勻、順暢、無死區流動，有助于防止離子形成的微晶沉積結垢和阻力降的增加。對管殼式換熱器而言，殼程或管程存在多處流動死角，如殼程進出口處、折流板區域及管程管箱布管區邊緣處等，在這些“滯區”部位容易形成沉積，促進污垢形成。

可拆式堵死型螺旋板換熱器兩側通道均為螺旋通道，冷熱側可實現純逆流換熱。因此，換熱效率較高。但是原油走螺旋通道，流動緩慢，流速方向與重力場方向垂直，靠近管壁流速較低，容易造成微晶在換熱器換熱壁面沉積。

采油過程中加入聚合物聚丙烯酰胺(HPAM)，使原油粘度增大[4,5]，原油在換熱器中流速降低。同時，原油粘度的提高增加了采油過程中攜帶泥沙等雜質的量，促進了堵塞物的形成。采出液中攜帶的HPAM與Ca2+、Mg2+等高價離子形成的微晶以及采出液中攜帶的泥沙等雜質在重力作用下在管殼式、可拆式堵死型螺旋板換熱器換熱壁面以及“滯流區”沉淀，采出液中的易結晶離子Ca2+，Mg2+, Sr2+, Ba2+, HCO3-, SiO32-等就以上述微晶為晶核，快速生長，以Ca1.11Mg0.89(CO3)2和Mg3Si2O5(OH)4等形式結晶沉積。然后不斷地有垢和少量粘土、泥沙和鐵銹沉積。垢的混合物形成后再吸附重質油，繼而形成了堵塞物。

3 可拆式貫通型螺旋板換熱器

結合目前含聚合物原油特性和生產運行情況，含聚合物原油換熱器技術要求如下：

a. 熱側、冷側設計壓力不超過2.5MPa，設計溫度250℃；

b. 基于聚合物驅油工藝，原油側含較多聚合物，導致原油側粘度較大，流動速度較慢，容易沉積結垢、堵塞，因此要求換熱器流道結構簡單，原油側流道順暢、無死區，防堵塞能力強；

c. 流道方位豎直排布為宜，流速實現與重力方向一致，有利于防止原油中微晶在換熱器壁面沉積結垢；

d. 另一側介質較清潔，粘度較小。

螺旋板換熱器按結構形式可分為不可拆式和可拆式。可拆式螺旋板換熱器又分為兩種：一種結構特點是螺旋通道兩端面交錯焊死，兩端面的密封采用端蓋加墊片的密封結構，螺旋通道內可由兩端分別進行清洗，稱為可拆式堵死型螺旋板換熱器；另一種可拆式螺旋板換熱器結構特點是一個通道兩端焊死，另一個通道兩端全部敞開，兩端面采用封頭端蓋結構，稱為可拆式貫通型螺旋板換熱器。可拆式貫通型螺旋板換熱器一側流體呈螺旋流動，另一側流體穿越螺旋體呈軸向流動。軸流側流道寬且為兩端全部敞開結構，可方便采用機械清洗，如圖2所示。

圖2 可拆式貫通型螺旋板換熱器

隨著我國制造技術的進步，螺旋板換熱器技術水平已經取得長足發展。產品與國外同類產品在總體技術水平、使用功能方面已十分接近。耐壓方面，可拆式結構的最高工作壓力達2.5MPa，不可拆式結構最高工作壓力可達10MPa。使用溫度方面，可拆式可按照墊片使用溫度確定，不可拆式按照鋼材使用溫度要求。2003年我國頒布了螺旋板換熱器的設計制造行業標準JB/T4751《螺旋板式換熱器》，目前國產螺旋板換熱器已經完全滿足含聚合物原油生產中對換熱器耐壓能力與使用溫度的要求。

與管殼式換熱器相比，可拆式貫通型螺旋板換熱器流道結構簡單，流道均勻、順暢、無死區[6]，有助于防止離子形成的微晶沉積結垢。因此，螺旋板換熱器的污垢熱阻較小，僅為管殼式換熱器污垢熱阻的70%左右[7]。對于已經沉積形成的污垢，因其換熱器流道結構單一，一旦流道某處污垢沉積，該處的流通面積減小，流體在該處的局部流速相應提高。污垢較易被沖刷掉，因此其具有一定的自潔作用。

與可拆式堵死型螺旋板換熱器相比，可拆式貫通型螺旋板換熱器軸向流道結構可實現原油至上而下流動，流動方向與重力場方向一致，在重力作用下，靠近流道壁流速較大，污垢不易在管壁沉積。另外，由于可拆式貫通型螺旋板換熱器長徑比值比管殼式換熱器小，層流區的傳熱系數較大，很適于高粘度流體的加熱或冷卻。

為驗證可拆式貫通型螺旋板換熱器對含聚合物原油防堵塞的適應性，設計制作了貫通型螺旋板換熱器樣機，并進行了現場試驗。試驗中含聚合物原油流經換熱器軸向流道，自上而下流動。換熱器運行一個月以來，未出現堵塞情況。說明貫通型螺旋板換熱器可有效解決原油側的堵塞問題。

4 結束語

可拆式貫通型螺旋板換熱器軸向流道流通截面積較大，流道無死區。流道結構可實現原油從上而下流動，流動方向與重力場方向一致，有助于防止離子形成的微晶沉積結垢。對粘度較高的流體或含有顆粒的流體有較好的適應性。有效解決了含聚合物原油脫水處理過程中換熱器的堵塞問題。目前我國多數油田處于二次采油晚期，三次采油開采面積不斷擴大，隨著聚合物驅油技術在三次采油中的推廣，可拆式貫通型螺旋板換熱器有廣闊應用前景。

[1] 韓淑娟，徐文林，潘衛國. 聚驅上、下返封堵新工藝[J]. 新疆石油科技，2004 ,4(14):20～22.

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[4] 田敏, 李楠. 聚合器驅油機理及增效新措施[J]. 內蒙古石油化工, 2010, 36(18):34～35.

[5] 趙榮彥. 聚合器驅油技術研究[J]. 企業技術開發, 2011, 30(24):161～162.

[6] 劉清. 原油穩定裝置中防沉積換熱器的應用[J]. 工程管理，2011,30(4):87～88.

[7] 錢頌文. 換熱器設計手冊[M].北京: 化學工業出版社2002: 401.