空穴射流技術在橇裝增壓裝置清垢中的應用

熊小偉，王 軍，崔雪琳，崔文喆，侯艷紅

（1.中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750001；2.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古鄂爾多斯 017399；3.中國石油長慶油田分公司第八采油廠，陜西延安 717600）

空穴射流技術在橇裝增壓裝置清垢中的應用

熊小偉1，王 軍1，崔雪琳2，崔文喆3，侯艷紅1

（1.中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750001；2.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古鄂爾多斯 017399；3.中國石油長慶油田分公司第八采油廠，陜西延安 717600）

因集成了常規增壓站點油氣分離、緩沖、加溫、增壓等功能，橇裝增壓集成裝置內管線密度高，彎頭使用數量多，導致盤管內壁易沉積垢質。裝置內盤管結垢后將影響原油的正常流動、加溫和增壓外輸，結垢嚴重時會導致裝置管線堵塞，站點功能無法發揮正常。利用水力空穴射流技術能徹底清除附著在橇裝增壓集成裝置盤管內壁的堅硬、難溶的硫酸鋇鍶垢，且施工時間短、效率高、無環境污染。從姬源油田H區現場應用效果來看，增壓裝置清垢后能較大幅度提高盤管換熱效率，降低裝置系統壓力，延長盤管使用壽命，降低生產成本，具有一定的推廣應用前景。

橇裝增壓裝置；空穴射流；物理清垢

數字化橇裝增壓集成裝置將加熱、分離緩沖、油氣分離、油氣混輸等功能集于一體，有效解決了姬源油田H區塊因區塊管轄范圍大、油井分散，建增壓站點征地難度大、工程投資費用高、建設周期長等問題。但因其采用橇裝緊湊化設計，裝置內部集輸管徑小、彎頭使用數量多，在生產運行過程中極易引起管線結垢等問題，既造成了能源浪費又影響了原油加溫外輸及正常生產。

1 結垢情況

H區塊內各橇裝增壓站點均接收長8、長9等油層產出液體，由于地層不同，原油成分不同，流體配伍性差且含水高。混合后站內設備結垢嚴重。流體進入站內閥組總機關后混合，閥組下游的管線幾乎全部存在結垢現象，從閥組出口的觀察短節看，結垢速度約為15 mm/a，部分設備甚至在2個月后就出現了被完全垢堵死的現象。

1.1 結垢機理

當成垢離子含量超過溶度積時，在一定的溫度、pH值條件下，就會有垢生成。如隨著硫酸根、碳酸氫根、鎂離子、鈣離子、鋇離子、鍶離子等結垢離子含量的增加，結垢程度會增大；但隨著鉀、鈉離子等非結垢離子含量的增加，結垢程度會有所減小。在一般情況下，隨著溫度的升高、pH值增高，結垢量會增加。

垢的形成較為復雜，過程通常如下：水中成垢離子結合形成溶解度很小的鹽類分子，分子結合后排列形成微晶體，大量晶體堆積長大，在不同條件下，會形成不同形狀的垢。

1.2 離子分析

H區長8、長9地層水型均為CaCl2型，但長8地層中Ca2+含量高達7 944 mg/L，在與長9地層水在不同比例下混合時，會與其SO42-結合生成CaSO4的沉淀。同時，在一定的條件下，SO42-還會與混合的地層水中的Ba2+、Sr2+，有機物，細菌以及泥沙相互組合，最終形成各種化合物并析出粘附于管壁上。化合物在高溫高壓的條件下會發生物理化學變化，如形成結構非常致密、硬度較高的BaSO4，SrSO4的無機垢質及有機瀝青膠質（見表1）。

表1 H區塊地層水質監測數據

如H區塊內某增壓站點結垢管線內垢樣組成為：含硫酸鋇61.6%、硫酸鍶19.2%、硫酸鈣5.2%，屬典型的硫酸鋇、鍶混合型酸不溶垢。

2 清垢技術現狀

若裝置內盤管結垢，管線阻力增加，裝置系統運行壓力增高，原油外輸也會受影響；另一方面，為了保證原油出口溫度，需要提升加熱爐爐腔內溫度，又會減少加熱爐火管及煙管的使用壽命。當橇裝增壓集成裝置系統壓力增高，換熱效率降低時，可能導致裝置加熱功能停用，因此需要及時對其內部管線、盤管進行清垢。

2.1 化學清垢

橇裝增壓集成裝置內部管線、盤管清垢曾經采用化學方法，即利用酸液配方與盤管內的無機、有機垢發生化學反應。當反應完成后，垢質脫落、溶解于酸液中。再通過加入適量堿液中和后，用清水反復沖洗管線。化學清垢方法雖然操作容易，但施工過程中酸液會腐蝕損壞管線、還可能會產生有毒、有害的H2S氣體，造成空氣污染及施工人員中毒事故，而且化學清垢還存在施工周期長、效率低等問題。

2.2 高壓水射流清垢

該技術基本原理是利用高壓柱塞泵將普通清水加壓到15 MPa～150 MPa，然后通過1 mm～2 mm噴嘴的孔徑，產生200 m/s～500 m/s高速水射流。能量高度集中的高壓水射流連續不斷地作用在被清洗的管道內壁產生巨大沖刷力（拉伸力）和磨削（切向力），引起管線內的垢質從其裂縫及孔隙處開始破碎、脫落，最終隨水流排出。該技術具有成本低、效率高、無污染、不損壞管線、設備等優點。但只有當高壓水射流的壓力大于垢質本身的耐壓強度時，垢質才會產生破裂、脫落。

2.3 水力空穴射流清垢

該技術采用流體力學領域中的“空穴效應”原理，利用在堵塞管線中放入的特制清垢器，水流在通過交錯疊加的韌性葉片間隙時流速升高，壓力降低，產生空化氣泡，引發空穴效應。而空化氣泡潰裂的瞬間，徑向上內流會產生極高的微射流，無數的微射流匯聚成沖擊波，形成對固體邊界的高速沖擊，從而破壞管壁上沉積物與垢質。同時在水流的推動作用下，清垢器周圍一直會形成空化氣泡，達到了垢質被連續剝離，最終達到管線清垢的目的，且清垢器尺寸較小，彈性壓縮形變大，通過能力強，適用范圍廣[1，2]。

3 現場應用與效果分析

由于H區各站點橇裝增壓集成裝置內管線垢樣為不溶于強酸、強堿的硫酸鹽垢，且垢質堅硬，采用傳統的化學清垢及高壓水射流清垢難以湊效，所以計劃在z1等6個橇裝增壓站點試驗水力空穴射流清垢。

3.1 施工工序

水力空穴射流物理清垢時需要配套水泥泵車、罐車等特種車輛。水泥車上三缸柱塞泵額定壓力為15 MPa，額定排量為30 L/min，使用清垢工作液為清水。清垢時，實際工作壓力可根據需要進行調節。

清水由水箱經柱塞泵加壓變成高壓水，再通過高壓軟管到達清垢器。高壓低流速水流在通過交錯疊加的韌性葉片后引發空穴效應，從而剝離、去除管壁上的垢質。清垢器依靠水流的推進作用在管道內自動向前移動[3-6]。管壁清除下來的部分污質也隨水流清出管外，其主要施工過程如下：

（1）組織施工人員（包括水泥車、罐車司機、現場施工人員等），進行全過程安全風險識別教育，以保證施工過程中不發生中毒窒息或人員傷害事故；

（2）現場檢查確認無誤并確認已具備施工條件后開始施工作業；

（3）先停止裝置運行，打開旁通，確保進液、外輸流程斷開后再將橇裝增壓集成裝置進油盤管泄壓放空；

（4）水泥泵車入口管線與備水罐車出口相連接，同時將盤管進口與水泥泵車出口管線相連接、盤管出口與空罐車上排污管線入口相連接；

（5）啟動水泥車，用水清掃盤管。清掃時觀察壓力變化，并判斷盤管是否有破損；

（6）在橇裝增壓集成裝置盤管進口安裝清垢裝置、排污管線末端安裝接收裝置；

（7）啟動水泥車，推動盤管中的清垢裝置至接收裝置，運行壓力控制在2 MPa以內，超此壓力應停止清垢作業；

（8）每次清垢完成后，注意觀察盤管進出口斷面垢質殘余量和盤管出口流體內垢質含量；

（9）依據現場盤管內結垢程度及出口流體內垢質含量，多次重復清垢；

（10）在管線清垢完畢后，恢復流程，在管線不滲不漏后，恢復設備運行。

3.2 效果分析

H區z1站內橇裝增壓集成裝置內管線結垢平均厚度達20 mm且較致密，導致管徑變細、系統壓力升高（0.5 MPa至1.1 MPa），換熱效果差（來液進口溫度18℃，出口35℃），集輸系統運行困難。

在實施空穴射流物理清垢時，清出垢量先為瀝表蠟質有機垢，后為硬質無機垢。清垢完成后，管線進出口均無垢質，橇裝增壓集成裝置進出口管線內徑恢復率達95%以上，且設備運行壓力降低至0.5 MPa，來液出口溫度上升至45℃，其加熱爐的換熱效率有較大幅度提升（見表 2，圖 1）。

表2 清垢效果統計表

圖1 z1站橇裝增壓集成裝置清垢效果對比圖

4 經濟評價

H區采出層位多，流體配伍性差，結垢速度較快，站內橇裝增壓集成裝置管線與盤管結垢非常嚴重，新換盤管少則3個月多則半年，就形成厚達10 mm～20 mm的垢層。站內雖采用添加阻垢劑、配套地面電磁防垢器等措施，但效果并不明顯，只是在一定程度上延緩了結垢速度，最終只能靠更換盤管來維持運行，成本投入較高。

若未使用水力空穴射流技術清垢前，裝置內盤管每年更換1次、預計每臺次費用在8萬元/年；而使用該技術后，每臺次費用僅為2萬元/年，每臺就可節約成本6萬元/年。清垢后，設備立即投入運行，既縮短了工期、又節約了資金，取得了很好的經濟效益。

5 改進建議

采用水力空穴射流技術對橇裝增壓集成裝置內管線、盤管進行清洗除垢時，在施工前必須弄清垢質類型、管徑等詳細情況，優選清垢裝置尺寸及參數，充分考慮施工過程中的不確定因素，保證施工的正常進行，盡量減少對生產的影響。

（1）經過對幾種清垢方式比較發現，各種除垢方式均有一定的適用范圍。后期可針對垢質類型，采用一種或多種工藝，以達到最佳的防垢效果：如針對硫酸鋇鍶垢等類型，可以試驗化學清垢與物理清垢相結合的方法，提高清垢成功率。

（2）因裝置內管線、盤管的形狀較為復雜，轉角較大（U形管或螺旋管），在設計水力空穴射流清垢裝置時應選用內徑合理、彈性較大、收縮性較好、耐沖蝕的柔性葉片，以提高其通過能力，減少施工周期，保證清垢效率。

6 結語

H區塊多層系復合開發中導致設備結垢嚴重，水力空穴射流清垢技術克服了傳統化學清垢帶來的管線腐蝕及環境污染問題，高效地解決了裝置盤管結垢，設備運行壓力上升，造成站點運行困難等問題。該技術不僅大大降低生產設備內盤管的更新維護費用，延長了設備的使用壽命，同時可為油田生產系統節能降耗提供有力保障，對于降低油田改造投資、保證安全生產具有重要的意義。

（1）空穴射流清垢技術具有清洗速度快，安全可靠、清垢徹底（對于較軟垢質，除垢率可達95%以上）的特點，裝置在清垢完成后，換熱效率顯著提高，具有較高的推廣價值。

（2）對于垢質硬度大，水力空穴射流清垢效果并不理想時，應考慮化學溶垢與物理清垢相結合的方法。

（3）站點應依據結垢情況，優選防垢、除垢相結合的工藝體系，延長站內設備管線結垢的周期，降低站點維護運行成本。

［1］王振東，張偉哲.空穴射流清洗技術在加熱爐上的應用［J］.油氣田地面工程，2011，30（12）：80-81.

［2］劉力，張偉亞.空穴射流清垢技術在靖安油田的應用及效果［J］.中國新技術新產品，2012，（23）：117-118.

［3］譚波，丁燕.改善真空爐結垢現狀工藝研究［J］.石油化工應用，2012，31（7）：96-98.

［4］周建新.水套加熱爐盤管結垢解析［J］.內蒙古石油化工，2012，（23）：22-24.

［5］李世滎，王宏偉，岳潘東．油水井清防垢工藝技術研究［J］.油氣田地面工程，2008，27（11）：32-33．

［6］余蘭，高英杰，余宏偉，等．超聲波防垢措施及效果分析［J］.油氣田地面工程，2009，28（10）：16-17．

Application of hydraulic hole jet technology in skid mounted supercharging equipment descaling

XIONG Xiaowei1，WANG Jun1，CUI Xuelin2，CUI Wenzhe3，HOU Yanhong1
（1.Oil Production Plant 3 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yinchuan Ningxia 750001，China；2.Gas Production Plant 3 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Erdos Innermongolia 017399，China；3.Oil Production Plant 8 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yan'an Shanxi 717600，China）

Skid mounted supercharging equipment integrates oil gas separation,buffer tank,heating,pressurized functions of traditional station,therefore it has a high pipeline density and tube bending use,leading to serious scaling trend in gathering pipelines.And serious scaling will cause pipe blockage,even lose the normal function.Hydraulic hole jet technology can apply to remove hard acid-insoluble barium strontium sulfate scale on the pipeline wall of skid mounted supercharging equipment.The descaling process has many characteristics including shortly time,safe,complete thoroughly,efficiently,and pollution-free.After descaling,the heat changing efficiency between crude oil and pipelines improving,and the equipment operating system pressure reducing.This could result in prolonging the life of equipment and cutting the cost of production down,and valuable for spread.

skid mounted supercharging equipment；hydraulic hole jet；physical descaling

TE358.5

A

1673-5285（2017）10-0086-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.022

2017－09-29

熊小偉（1985-），2011年畢業于西南石油大學油氣田開發工程專業，現為采油三廠采油工藝研究所注水室工程師，主要從事油田開發工作。