除垢技術進展綜述

摘 要：隨著社會快速的發展，國民對石油與天然氣的消費也在穩步增長，現如今含水油氣田出產的油氣量在總出產油氣量中占有很高的份額，所以開采高含水油氣田已經成為未來技術發展的主要趨勢。但是高含水油氣田的開采存在油井和集輸系統容易結垢的一個嚴重的普遍現象。闡述了污垢的分類及形成的機理，影響結垢的因素以及結垢的危害，總的分析了國內外防除垢技術發展狀況，主要分為化學防除垢法，物理防除垢法，機械防除垢法，工藝防除垢法。從多角度相比幾種防除垢技術各自的特點。

關鍵詞：除垢;防垢;進展

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.19.092

油田結垢的問題日益突出。物體表面因為物理，化學，或者生物的作用而產生污垢。管道輸送的油氣里面存在的雜質：H2S，CO2多種離子，有機物，細菌及泥沙等，因此易結垢。產生的污垢，阻礙了輸油，浪費了更多的能源，危害極大，許多科學研究者致力于研究如何徹底解決油氣田結垢的問題。

1 污垢的分類及形成機理

污垢通常是混合物，具有固態或軟泥狀物質的形態。污垢的分類形式多種多樣，可以按照工藝過程、流體類型、換熱器類型污、垢隨時間變化特性等進行劃分，其中由 EPSTEIN 在第六屆國際傳熱學大會中指出的對污垢進行分類的方法， 得到了國內外的廣泛認同，主要可以分為以下六種：

（1）化學反應污垢，是流體中的溶液離子被加熱，發生化學反應而產生的沉積物。

（2）析晶污垢，是在過飽和流動的溶液中溶解的無機鹽在換熱器的表面堆積而形成的污垢。其中工業中最常見的污垢是水垢。

（3）顆粒污垢，是指固體顆粒（如灰塵和砂）懸浮在流體系統中，在集輸管道內表面上的積聚而產生的污垢。油田集輸管路中固體雜質在管道內壁的沉積現象是這種污垢的主要體現方式。

（4）微生物污垢，是微生物和其排泄物，化學污染物等物質粘附在集輸管道內表面上形成的膠粘狀沉積物。

（5）腐蝕型污垢，是因為流體中具有腐蝕性物質（如除垢加的酸）或有腐蝕性的雜質腐蝕管道內表面，產生的腐蝕產物沉積在管道內壁上。腐蝕型污垢具有很強的破壞性，它在腐蝕管道內表面的同時，促進其他種類的污垢在管道內表面聚集，產生新垢層，造成集輸管道內壁的二次污染。

（6）凝固污垢，因為所配置的溶液中的高溶解組分在溫度較低的換熱器表面沉積凝固而產生。

污垢的類型多種多樣，水質條件是影響油氣田污垢的種類形式不同的重要因素。現如今已經發現的垢有許多種，但是集輸系統中危害較大的常見的垢只有六種，可以分為兩大類：硫酸鹽型（BaSO4，SrCO4，CaSO4，MgSO4，）和碳酸鹽型垢CaCO3，MgCO3）。對于碳酸鹽垢和硫酸鹽垢的形成通常要經過以下三個步驟：①水中含有許多能夠成垢的離子，形成結合物逐漸變大;②結合物經過堆積，堆積變成垢;③在內壁上形成各種垢樣。

污垢的形成機理十分復雜。油田污水結垢有兩個主要原因：一是地層水和注入水不配伍，在混合過程中產生無機鹽垢。比如在含Ba2+中加入了含硫酸根較多的注入水生成BaSO4污垢;二是熱力學條件（pH值，含鹽量，溫度，壓力）變化造成的化學平衡破壞產生的垢層。

2 影響結垢的因素

為了更好的了解結垢特性，更好的防除垢，需要探究多種因素如何影響結垢，目前主要是通過以下結垢因素的來研究其對管道結垢的影響，包括以下五點。

2.1 溫度的影響

溫度對管道結垢影響重大，其作用就是使得易結垢鹽類在水中的溶解度發生改變。硫酸鈣和碳酸鈣會跟著溫度的升高而導致在水中的溶解度減小，所以硫酸鈣垢和碳酸鈣垢在高溫時更容易形成。而且，溫度升高也會促進結垢的反應向正向進行，加快垢的生成速度。除此之外，溫度升高也會加快管道中細菌的繁殖速度，使管道中腐蝕型垢增多。所以油田的加熱管段處，碳酸型垢和硫酸型垢容易產生。

2.2 壓力的影響

在熱力學中，難溶物質的溶解度，多用平衡常數溶度積Ksp 來表示。降低壓力會導致硫酸鹽型垢和碳酸鹽型垢的溶解度變小，因而結垢呈現增加趨勢。在原油集輸系統中壓力的變化不大，所以對管道結垢產生的影響較小。但在油井開采過程中，分離器等設備壓力變化大，非常容易產生污垢。

2.3 pH值的影響

增大pH值會減小碳酸鈣的溶解度，導致沉淀增加。因此 pH值在較大程度上影響碳酸鈣型垢的溶解度。但是，硫酸鈣型垢在水中的溶解度卻不受 pH 值的影響。經研究表明，較大的 pH 值易產生碳酸鈣型垢，而較低的 pH 值，容易產生 Ca（OH）2 等堿性垢。因此，多方面考慮，采出液的 pH 值控制在 6.5～8.0 范圍之間合適。

2.4 鹽量的影響

在一定范圍內，碳酸鹽型垢和硫酸鹽型垢的溶解度會隨著溶液非結垢鹽濃度的增加而增大。并且集輸系統中的非結構型鹽，如具有高濃度的 CaCl2、CaBr2、ZnBr2 時，會抑制加入的防垢劑的阻垢效果。因此在油氣集輸系統中，要充分掌握采出液組分的變化，采取相應的措施防止結垢。

2.5 流速的影響

對于每種污垢，流體的流速增大，污垢增長率反而減小。這是因為流速變大雖然會提高污垢沉積率，但是提高的剝蝕率更大，所以總的增長率變小。

3 污垢的危害

根據長期的研究發現，污垢會產生許多方面的危害，包括以下四點：

（1）能源浪費：原油在管道輸送中需要加熱升溫。污垢會降低換熱設備的工作效率 ，造成能源的浪費。污垢也會增加流體阻力，使原油的輸送費用上升。

（2）環境污染：除垢后中的酸或除垢劑排放 ，也對環境有污染。

（3）影響運行：積累的污垢可能會導致輸送管線和換熱設備堵塞，不能正常輸送，會給企業帶來不可估量的損失。

（4）增加運行成本：結垢導致的停輸，更換管線，防除垢花費等，使運行成本上升。

4 防除垢技術

目前 ，國內外許多科研機構對油氣田的防除垢技術進行了大量的研究，提出了一些方法，分為化學防除垢法，物理防除垢法，機械防除垢法，工藝防除垢法。

4.1 化學防除垢法

化學防除垢法的機理是利用化學藥劑的一些性質以阻礙垢的生成。

4.1.1 加酸或注二氧化碳

加鹽酸或注CO2等主要目的是使pH控制在合適的范圍內，防止生成堿性垢，這樣可防止堿性垢的生成。雖然許多油田的水的pH值容易測量，但是水的多少不容易確定，從而導致不易確定加酸的量。加酸過多會導致腐蝕情況嚴重，過少又不能起阻垢作用。注二氧化碳可以防止加過多。

4.1.2 阻垢劑

防垢劑能夠使易結垢的離子分開，而且能夠改變結垢的狀態，尤其對鋇鍶垢和鈣垢效果明顯。目前防垢劑有數千種。有機磷酸型防垢劑和聚合物型防垢劑是近些年國內外的主要選擇。目前，國內廣泛使用的除垢劑有 WS 系列化學清洗劑，CTI-2、CTI-3、CTI-4等。上述每種化學除垢劑對不同的垢的除垢效率不同，應當選擇恰當的除垢劑，改善除垢的效果。

4.2 物理防除垢法

物理法是使用物理設備，阻止垢的形成，其包括：超聲波除垢法，高壓水射流除垢法，磁場加熱法。

4.2.1 超聲波除垢法

超聲波在溶液中傳播時，改變液體分子間的距離，大幅度減小分子的內聚力，所以溶液的黏度，表面張力明顯降低。同時，超聲波不斷振蕩 ，垢顆粒分散，減慢了結垢的速度。

4.2.2 高壓水射流除垢法

高壓水射流除垢法：使用高壓泵讓清水產生高壓，利用高壓清洗油管的表面，達到清洗除垢的目的。該方法環保，并且勞動強度低。

4.2.3 油管電磁加熱法

水中離子間的吸引力被外加強磁場改變，影響無機鹽結晶。加熱可以促進結垢平衡向逆方向進行，有效阻止垢的形成。從資料中查到，含鹽量小于3000mg/L的水溶液可以用該方法。

4.3 機械防除垢法

機械除垢是在壁內運用切削工具進行刮蝕除垢。銑刀等切削工具因其自身的特點在作業中可能會破壞管柱，并且油井最小部位尺寸會限制其使用。所以此法大多只能用在規則的管道，但是油井大多不規則的，加之它的花費高，機械除垢法使用較少。

4.4 工藝防除垢法

工藝防除垢法主要有三種：一是正確選擇和地層水配伍的注入水，且選擇性封堵地層的產出水;二是控制油氣井投產流速和生產壓差，防止污垢快速生長;三是加快管內液體的流速，使井中的油水混合液變成紊流狀態。

5 各種防除垢的比較

化學防除垢技術效率高，便利，使用范圍大，但是其也存在一定的問題。許多阻垢劑能為微生物提供營養，所以使用阻垢劑同時 ，還會使用大量的滅藻劑、殺菌劑、平衡劑等 。除此之外化學藥劑本身對工業設備、輸油管道也有一定的腐蝕作用。物理防除垢技術多運用在局部、不污染環境，徹底，經濟等特點。 物理法和化學法比較，化學法除垢更快 。機械防除垢技術主要用于特殊的情況，對于不規則的壁，不能運用，運用范圍狹窄。工藝防除垢法利用工藝本身的特點，根據結垢的形成機理，從源頭上控制垢的產生，具有節能省事的特點，但是在一些情況時，不能滿足輸油的條件。

6 結束語

各種防除垢技術各自具有各自的特點，不能從某一方面就全盤否定。在防垢除垢應用中，應根據實際的情況，經過綜合考慮，選擇經濟適用的防除垢技術。根據現在的趨勢，多種方法聯合除垢是今后的整體趨勢。

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