硫酸鋇鍶垢定點除垢物理模擬實驗研究

康玉陽，李凡磊，劉松林，李 興，齊 寧，馮貴賓，潘 義

（中國石油化工股份有限公司江蘇油田分公司采油一廠，江蘇揚州 225265）

硫酸鋇鍶垢定點除垢物理模擬實驗研究

康玉陽，李凡磊，劉松林，李 興，齊 寧，馮貴賓，潘 義

（中國石油化工股份有限公司江蘇油田分公司采油一廠，江蘇揚州 225265）

在油田正常生產作業過程中，采出水中含有的Ba2+、Sr2+易與產生沉淀，容易造成管道堵塞，損害生產設備，甚至影響到正常生產。國內外對于硫酸鋇鍶垢的防治多采用化學方法，但存在著流動過程中二次結垢的問題，防垢效果不佳。為解決傳統除垢技術成本高、除垢效果差的問題，提出了一種新的物理除垢方法，該方法運用水處理工藝中的沉淀池原理及淺池沉淀理論，設計定點除垢器實驗模型，具有操作簡單、便于清理的優點，可以實現成垢離子在指定位置結垢的目的。以反應時間、成垢離子濃度、摩爾濃度比、溫度作為影響硫酸鋇鍶垢結垢的敏感性因素，通過大量實驗室定點除垢器物模實驗，進行各敏感性因素評價分析。

定點除垢器；硫酸鋇鍶垢；結垢規律；淺池理論

隨著油田含水率的上升、新層系的動用、合采層系的增加和油田注水強度的提高，油田結垢問題變得越來越突出。對于油氣井來講，由于結垢離子在井中的結垢腐蝕，造成油井在生產過程中出現一系列的事故，如泵卡、泵漏、抽油桿斷裂等[1]；對于注水井來講，注入水在地層中發生的沉淀現象，使地層孔隙度降低，滲透率減小，從而使地層的吸水指數降低，注水難度增大，作業的次數增加，嚴重的將會使注水管線堵死，使注水壓力異常增高，發生嚴重的生產事故[1-5]。

為解決以上清防垢技術所帶來的問題，本文提出一種物理清除垢方法-定點除垢器除垢技術。將易結垢離子引入定點除垢器中進行處理，避免結垢離子在管道中結垢、沉積及運移；通過室內定點除垢物模實驗，對影響硫酸鋇鍶垢結垢的敏感性因素進行評價實驗，并篩選出各因素的最優結垢條件，保證定點除垢器除垢效率。

1 定點除垢器原理及設計

1.1 理想沉淀池假設條件

（1）在同一水平斷面上各個點的流動速度都等于水平流速v；

（2）整個沉淀池中固相顆粒分布均勻，按水平流速v流出，按沉降速度uo下沉；

（3）顆粒一經沉降，便認為被去除，不會再隨液體流動。

圖1 平流沉淀池沉淀原理圖

1.2 淺池理論

設沉淀池總體積一定，沉淀池池長L，池中水平流速v，顆粒沉速為uo，在理想狀態下L/H=v/uo，當池長L與水平流速v固定不變時，池身越淺即H越小，顆粒的沉降速率uo越小，根據Stocks定律可知，可被去除的懸浮固相顆粒越小。若用平行于水面的隔板，將深度為H的水面分成4層，每層層深為H/4，在流量Q不變的條件下，只需L/4，就可以將uo的顆粒去除。即總容積可減少到原來的1/4，就可以達到相同的處理效果；如果池長不變，由于池深為H/4，則水平流速可增加到4v，仍能將沉速為uo的顆粒除去，也即處理能力提高4倍。

1.3 平流沉降池沉降原理理論（見圖1）

其中水的流速為：

式中：Q-處理流量（負荷）；B-沉淀池的寬度；H-沉淀池的高度。

鋇鍶離子反應速率快，而且晶體顆粒通常是微米級的，滿足Stocks定律[6]：

式中：uo-顆粒沉降速率；dp-結晶體顆粒直徑；K受到顆粒形狀、流體的流態、流體性質等因素的影響。

在重力場、理想層流狀態下的流體，當結晶顆粒直徑一定時，沉降速度為常數。提高結晶顆粒的去除率，只有縮短沉降所需要的時間。縮短沉降所需要的時間，進行沉淀池物理模型的設計，可利用淺池沉淀的理論進行設計。對于分散顆粒，只有沉降速率大于或等于uo的晶體顆粒才會在高度為H的沉降池中沉降至池底并被完全去除；當沉降速率為沉降高度為h，結構晶體不能完全沉降在池底被去除，存在晶體顆粒去除的效率問題。

1.4 斜板沉淀池

斜板沉淀池[6，7]的理論依據仍為淺池理論，其晶體顆粒的沉降去除效率滿足公式（3）。

從公式（3）中可以看出，沉降顆粒的去除率E是分離高度H的函數，當分離高度H降低時，沉降顆粒的去除效率增加；在其他影響因素一定的條件下，隨分離高度減小，沉降顆粒首先在斜板上沉淀，進而縮短沉降時間，顆粒的去除效率相應增加。由此分析可知，在沉淀池中增加斜板，可增加沉淀池的工作表面積，減小沉淀池分離高度H，使得顆粒的去除效率增加。

1.5 定點除垢物理模型

定點除垢物理模型包括注入系統、反應系統、廢液回收系統三部分，三部分依次貫通相連。

反應系統包括箱體、卡條支撐板、結垢板，箱體的上部設有液體采集口，箱體的兩側面設有連通至箱體內的入口管線接口，箱體的一側面設有廢液排出口。箱體內設置有多塊隔板，將箱體空間分隔為混合區、結垢場和緩沖區，箱體上設有入口和液體采集口，入口與混合區連通，液體采集口與緩沖區連通，結垢場位于混合區與緩沖區之間。結垢場包括多塊結垢板，多塊結垢板之間相互平行，固定于卡條支撐板上。不同卡條支撐板固定部位與水平面夾角不同，分別為45°、60°和90°，用于驗證結垢板不同角度對結垢率的影響。結垢板的材質有兩種，一種是有機玻璃，一種是不銹鋼，以便驗證結垢板材質對結垢的影響。

2 定點除垢器物模實驗研究

研究各單一因素反應時間、鋇鍶離子濃度、摩爾濃度比、溫度對硫酸鋇鍶結垢規律影響的實驗方法：

（1）利用天平分別稱量所需BaCl2（SrCl2）、Na2SO4的質量，并分別溶解于含有7 L去離子水的中間容器中，并保證BaCl2溶液密封；

（2）通過控制泵的流量，調節液體在實驗裝置內所需的停留時間；

（3）含有成垢離子的兩種液體由入口進入混合區，在混合區內進行結晶；

（4）混合液由支撐板孔進入到結垢場，與結垢板進行充分接觸并沉淀；

（5）當液體進入緩沖區，在結垢場內未沉淀的垢在這一區域內可進一步沉淀，防止被帶出實驗裝置；

（6）隨后液體由樣品采集口流出，并收集樣品采集口所排出的液體，做好標簽；

（7）通過檢測流出液中結垢離子濃度，與混合前液體中的結垢離子濃度做對比，計算出結垢率。

3 定點除垢器結垢規律研究

結垢率計算公式：

式中：η-結垢率，%；c1-反應后離子濃度，mg/L；c2-反應前離子濃度，mg/L。

3.1 反應時間對單一硫酸鋇鍶結垢規律的影響

通過式（4），得到不同反應時間下硫酸鋇鍶的結垢率，實驗數據（見表1、表2）。

表1 反應時間對硫酸鋇結垢率的影響

室溫的條件下，鋇（鍶）離子濃度、硫酸根離子一定時，鋇離子結垢率均在99%以上，鍶離子結垢率在90%～92.5%。硫酸鋇結垢率隨反應時間的增加先增加后減小最后趨于穩定狀態，結垢率在5min～10min達到最大值；硫酸鍶的結垢率隨反應時間的增加先減小后增加再減小最后趨于穩定。

3.2 鋇鍶離子濃度對單一硫酸鋇鍶結垢規律的影響

通過式（4），得到不同鋇鍶離子濃度條件下硫酸鋇鍶的結垢率，實驗數據（見表3、表4）。

表3 Ba2+濃度對硫酸鋇結垢率的影響

表4 Sr2+濃度對硫酸鍶結垢率的影響

在溫度、硫酸根離子濃度、反應時間一定時，隨著鍶離子濃度的增加，硫酸鍶的結垢率逐漸增加，最終結垢率處于穩定狀態。鍶離子濃度的增加會增加與硫酸根離子的碰撞幾率，從而使結垢率不斷增加，當鍶離子濃度為1340.95mg/L時，結垢率隨鍶離子濃度的增加處于穩定狀態。

表5 摩爾濃度比對硫酸鋇結垢率的影響

3.3 摩爾濃度比對單一硫酸鋇鍶結垢規律的影響

利用公式（4）計算，不同摩爾濃度比條件下，單一硫酸鋇鍶垢的結垢率，實驗數據（見表5、表6）。

表6 摩爾濃度比對硫酸鍶結垢率的影響

隨著硫酸根離子濃度的增加，鋇、鍶離子的結垢率先增加后減小，其中當時鋇、鍶離子的結垢率最大。主要是由于硫酸根離子濃度的增加會增加硫酸根離子與鋇、鍶離子的碰撞幾率，使結垢率增大。當硫酸根離子濃度增加到一定程度時，隨著硫酸根離子濃度的增加，Ba2+（Sr2+）與的競爭激烈，溶液處于動態平衡時，由于較低，鋇、鍶離子的剩余濃度較高，結垢率較低；當硫酸根離子濃度增加時，Ba2+（Sr2+）與的接觸程度提高，使得Ba2+（Sr2+）與更容易形成沉淀，因而使得結垢率增加，當硫酸根離子增加到一定程度，使得溶液中鋇鍶離子處于弱勢地位，此時結垢率不但不會增加，相應的還會減少，以保持溶液動態平衡。

3.4 溫度對單一硫酸鋇鍶結垢規律的影響

利用公式（4）計算，不同溫度條件下，單一硫酸鋇鍶垢的結垢率，實驗數據（見表7、表8）。

表7 溫度對硫酸鋇結垢率的影響

表8 溫度對硫酸鍶結垢率的影響

隨著溫度的增加，鋇、鍶離子的結垢率先增加后減小。鋇離子的結垢率均為99%以上，結垢率在溫度變化下波動較小，但在小范圍內仍有所波動。鍶離子的結垢率隨溫度增加變化幅度較大，溫度在80℃時結垢率最高。從熱力學的角度分析得知，隨溫度的增加，水溶液中離子的活躍程度增加，不配伍離子間的接觸幾率增加，更容易產生沉淀；當溫度增加到一定程度，隨著溫度的增加，離子的溶度積隨溫度的增加而增大，當結垢程度達到一定程度，由于結垢離子的離子積小于溶度積，使結垢率降低。

4 結論

（1）基于淺池理論設計的定點除垢物理模型，包括注入系統、反應系統、廢液回收系統三部分，通過調節卡條支撐板的角度、調整結垢板的傾斜程度、更換不同結垢板的材料調節結垢表面、調節流速來改變反應時間，使混合液在反應系統的混合區中進行反應，通過結垢規律分析對定點除垢器的結構進行優化，以保證除垢效率。

（2）在鋇、鍶離子與硫酸根離子結垢的過程中，相比較于鍶離子，鋇離子更容易與硫酸根離子結垢，而且結垢現象更加明顯；反應時間對硫酸鋇、鍶結垢的影響雖然并不明顯，但是將時間控制在5min～10min鋇、鍶離子的結垢率最大。

（3）鋇離子濃度對于硫酸鋇的結垢率影響較小，但是鍶離子濃度對硫酸鍶垢的結垢率影響顯著，鍶離子濃度較低時的結垢率明顯小于鍶離子濃度較高時的結垢率，當時鋇鍶離子結垢率最大。

（4）硫酸根離子濃度對于鋇離子的結垢率影響較弱，但是硫酸根離子的濃度對硫酸鍶的結垢率影響較為明顯，增加硫酸根離子濃度可以增加硫酸鍶的結垢率，當時鋇鍶離子結垢率最大。

（5）溫度對鋇離子的結垢率影響較低，但溫度對鍶離子的結垢率影響較大，當溫度在80℃時，鍶離子的結垢率達到最大值。

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TE358.5

A

1673-5285（2017）09-0132-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.09.033

2017－08-31

康玉陽，男（1987－），滿族，河北平泉人，學士，工程師，2010年畢業于東北石油大學獲得油田應用化學學士學位，現從事油田化學法處理工藝的研究與技術管理工作。