油田管道室內靜態結垢模擬實驗研究

彭 壯，付田田，李 丹

（1. 長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100；2. 中國石油天然氣集團公司 采油采氣重點實驗室長江大學分室，湖北 武漢 430100；3. 中石化河南石油分公司，河南 鄭州 450000）

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油田管道室內靜態結垢模擬實驗研究

彭 壯1，2，付田田1，2，李 丹3

（1. 長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100；
2. 中國石油天然氣集團公司 采油采氣重點實驗室長江大學分室，湖北 武漢 430100；3. 中石化河南石油分公司，河南 鄭州 450000）

摘 要：目前油田注水設備及地面管線嚴重的結垢現象已經影響到油田正常的生產運行，而油田常見的結垢物主要為碳酸鈣、硫酸鈣等鹽類垢，因此有必要對油田管道鹽類垢的形成及影響因素進行分析。對4種常見的鹽類垢進行了室內靜態結垢實驗，重點研究了結垢溫度、作用時間以及管道材質對結垢速率的影響。實驗結果表明：在40 ℃和80 ℃時，垢質晶體的形成速率較慢，而在60 ℃時，垢質晶體的形成速率較快，相同溫度下，不同晶體類型的結垢速率也存在較大的差異；不同鹽類垢均在8 h內的結垢速率最大，隨著靜置時間的延長結垢速率逐漸減小；鋼制掛片表面的結垢量明顯大于聚乙烯管道的結垢量，說明鋼制掛片與介質發生的氧化反應對垢質的形成具有一定的促進作用。

關 鍵 詞：結垢；鹽類垢；實驗；結垢速率；影響

油田結垢現象就是在油田生產過程中，在地下儲層，采油井筒、套管、生產油管、井下完井設備及地面集輸管線內由于流體的不配伍而形成的一層沉積物質，它會造成管線阻塞，導致地層滲透率下降，從而阻礙流體的流動，嚴重影響油田的正常生產活動［1-4］。在我國新疆克拉瑪依的百口泉油田、勝利油田以及渤海灣的海上油田等由于井筒、地面管線和設備的結垢，都不同程度的影響了正常生產。油田最為普遍的結垢物主要有碳酸鈣、硫酸鈣和硫酸鋇等鹽類垢［5-7］。因此，本文針對以上幾種油田常見的鹽類垢，設計了室內靜態結垢模擬實驗，分別以Q235鋼和聚乙烯管為材質，在40、60、80三種不同溫度和8、24、48、72 h的不同作用時間下，通過觀察前后結垢量的變化，來研究結垢溫度、作用時間以及不同材質對管道結垢的影響，以期為今后油田防垢和除垢工作提供一定的理論依據。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

本實驗中所使用的主要試劑均依據SY/T0600-2009《油田水結垢趨勢預測—石油與天然氣行業標準》的規定。它們的等級、依據標準如表1所示。

表1 主要試劑Table 1 Main reagent

1.2 實驗儀器

本實驗所用的主要儀器如表2所示。

表2 主要儀器Table 2 Main instruments

1.3 實驗步驟

本實驗對碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇和硫酸鍶這四種常見的鹽類垢進行了室內靜態結垢模擬，這里以碳酸鈣結垢實驗為例，其具體實驗步驟如下：

（1）分別配置含有 和 離子的溶液各50 mL，溶液配比具體所需克數，標準參見SY/T 5673-93。

（2）將所配置的以上兩種溶液倒入錐形瓶中，擰緊瓶塞，混合后待反應完全，取出適量混合溶液。

（3）取Q235鋼制掛片若干塊采用砂紙打磨除銹后，采用蒸餾水沖洗，并放入恒溫干燥箱，12 h后取出待用；

（4）取聚乙烯管材將其截成若干約220 g的小段，將邊緣打磨光滑，用蒸餾水沖洗后，放入恒溫干燥箱，12 h后取出待用。

（5）將鋼制掛片和聚乙烯管分別稱重后，放入混合溶液中，并在不同溫度下的水浴鍋中分別靜置8～72 h后，稱其重量。

（6）計算結垢重量和單位面積上的結垢速率。

2 實驗結果

碳酸鈣垢是管道中垢的主要組成成分，以碳酸鈣結垢實驗為例，實驗結果如下。

（1）掛片材質為Q235鋼時的結垢實驗數據，如表3所示。

（2）掛片材質為聚乙烯時的結垢實驗數據，如表4所示。

表3 Q235鋼制掛片結垢數據表Table 3 Q235 steel hanging piece of fouling Data Sheet

表4 聚乙烯掛片結垢數據表Table 4 Polyethylene coupon scaling data sheets

3 結垢影響因素分析

3.1 溫度對結垢的影響

在研究溫度對結垢速率的影響時，選取Q235鋼制掛片，將不同靜置時間下四種鹽類垢的結垢速率隨溫度變化的關系繪制成如下圖1所示。

圖1為不同溫度下的結垢速率變化關系圖。由圖可知，對于碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇以及硫酸鍶這4種鹽類垢，溫度的變化對于垢質的形成均有較大影響。其中，不同的靜置時間下，結垢速率在40 ℃到60 ℃之間均呈現增加趨勢，在60 ℃到80 ℃均呈現降低趨勢，當溫度為60 ℃時的結垢速率均達到最大值。這一現象主要是由于溫度在一定范圍內能夠影響水垢熱阻，即流體溫度越高，溶液的穩定時間越短，結垢物質如 在水中的溶解度降低，從而在容器表面形成附著的結垢物。

圖1 不同溫度下結垢速率的變化Fig.1 Variation of fouling rate at different temperatures

另外，溫度的升高還會促使其他物質分解而生成碳酸鈣垢，從曲線圖上也可以反映這一點，同一溫度下不同晶體類型的結垢速率也存在較大差別，碳酸鈣垢和硫酸鈣垢的結垢速率整體上均大于硫酸鋇垢和硫酸鍶垢。因此，為了節約成本，在不影響集輸的前提下，油田在除垢的過程中可以采取適當降低集輸溫度的方式來減少管道內結垢物質的產生。

3.2 靜置時間對結垢的影響

圖2為不同靜置時間下結垢速率的變化關系圖。

圖2 不同靜置時間下的結垢速率的變化Fig.2 The change of fouling rate under different static time

由圖2可知，在靜置8 h后，所有的鹽類垢的結垢速率均達到最大值，之后隨靜置時間的延長均呈現減小的趨勢。其中，對于碳酸鈣垢和硫酸鈣垢的結垢速率在8～48 h時降低比較明顯，在48～72h時逐漸趨于穩定；對于硫酸鋇垢和硫酸鍶垢的結垢速率在8～24 h時降低比較明顯，在24～72 h時逐漸趨于穩定。另外，從整體上來看，溫度為60 ℃下的結垢速率在不同的作用時間內均保持在較高的水平，這也從另一個角度應證了鹽類垢的較適宜形成溫度為60 ℃。碳酸鈣垢和硫酸鈣垢的結垢量總體上大于硫酸鋇垢和硫酸鍶垢，這也說明在實驗條件下，碳酸鈣垢與硫酸鈣垢更易形成。

3.3 不同管道材質對結垢的影響

圖3為不同材質下結垢速率的對比關系圖。

圖3 不同管材質下結垢速率的對比Fig.3 Comparison of fouling rate under different pipe materials

從圖3可以看出，在相同的混合溶液中，同一溫度下、同一靜置時間內Q235鋼制掛片表面的結垢速率明顯大于聚乙烯管道表面的結垢速率。本實驗中采用的金屬管材是Q235鋼制管道，Q235鋼制管道的主要成分是Fe和微量的C、Mn、Si等元素，Fe3+離子在碳酸鈣溶液中與H2O反應生成不溶于水的紅褐色Fe2O3氧化膜，使管材表面發生氧化作用，加快了垢質的生成，同時也大幅度增加了結垢量。

4 結 論

通過進行室內靜態結垢實驗，分別對碳酸鈣、硫酸鈣等四種油田常見結垢物質在不同溫度（40、60、80 ℃）、不同靜置時間（8、24、48、72 h）條件下的前后結垢變化以及不同材質（Q235鋼、聚乙烯管）表面的結垢變化進行了研究分析，得到了以下結論：

（1）溫度對不同鹽類垢的結垢過程均有較大的影響。不同鹽類垢的結垢速率隨溫度均呈現先增加后減小的趨勢，在溫度為60 ℃達到最大的結垢速率。同一溫度下不同晶體類型的結構效果也存在較大差異。在油田的防除垢工作中通過控制管線溫度可以有效起到減小結垢物質生成的作用。

（2）整體來看，不同溫度、不同結垢物質的結垢速率隨靜置時間的延長均表現出減小直至趨于穩定的特點。其中碳酸鈣垢和硫酸鈣垢的結垢速率減小比硫酸鋇垢和硫酸鍶垢要緩慢。

（3）鋼制管道對結垢晶體的形成有促進作用，聚乙烯管道的對結垢晶體無影響。通過實驗發現，鋼制管道的結垢速率較大，結垢量也比較多，主要是由于鋼制管道與溶液接觸，形成一層氧化膜，這層氧化膜與所結的垢質膠結在一起，導致結垢量的增加。而聚乙烯管道則沒有此類現象，聚乙烯管道的防腐功能較強，內壁粗糙度小于鋼制管道。

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Indoor Simulation Experiment Research on Oil Field Pipeline Fouling

PENG Zhuang1， 2， FU Tian-tian1， 2， LI Dan3
（1. College of Petroleum Engineering ，Yangtze University， Hubei Wuhan 430100，China；2. The Branch of Key Laboratory of CNPC for Oil and Gas Production， Yangtze University， Hubei Wuhan 430100，China；3. Sinopec Henan Petroleum Company， Henan Zhengzhou 450000，China）

Abstract:At present， the scale of water injection equipments and the pipelines in the oil field has already affected the normal production and operation. The common scaling in the oilfield is the calcium carbonate， calcium sulfate and other salt scale. Therefore， it is necessary to analyze the formation and influencing factors of salt scaling in oil field pipeline. The indoor static fouling experiments were carried out on 4 kinds of common salt scales. The effect of temperature， time and the effect of pipeline material on fouling rate were studied. The experimental results show that the formation rate of the scale crystals is slower at 40 ℃ and 80 ℃， while the rate of the scale crystals is fast at 60 ℃； and the fouling rate of different crystal types is different under the same temperature； The fouling rate of different salts in 8 h is the largest， and the scaling rate decreases with the prolonging of the time； The fouling rate of the steel plate is obviously higher than that of the polyethylene pipe， which shows that the oxidation reaction of the steel plate and the medium has a certain effect on the formation of the scale.

Key words:Scaling； Salt scaling； Experiment； Fouling rate； Influence

中圖分類號：TE 357

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0247-03

基金項目：國家大學生創新性實驗計劃項目，項目號：2014042。

收稿日期：2015-11-28

作者簡介：彭壯（1990-），男，湖北武漢人，碩士研究生，2014年畢業于長江大學油氣儲運工程，研究方向：從事管道安全的研究。E-mail：pengzh1230@163.com。