工業(yè)生產(chǎn)水系統(tǒng)集輸管線結(jié)垢成因分析及集中誘導(dǎo)成垢技術(shù)的應(yīng)用*

尹豐豐，燕永利**，牛夢(mèng)龍，朱西柱，賀炳成，豆龍龍

(1. 西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西西安 710065；2. 中國(guó)石油股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司采油十廠，甘肅慶城 745100)

工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中傳熱面上的結(jié)垢現(xiàn)象一直被人們關(guān)注，有效降低管線中的結(jié)垢速率，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，已成為石油工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[1]。為保持油藏壓力，提高采收率，我國(guó)大部分油田采用注水開發(fā)方式，同時(shí)對(duì)采出水進(jìn)行回灌，減少環(huán)境污染，節(jié)約能源[2-4]。但隨著油田開發(fā)進(jìn)入中后期高含水階段，在成垢離子濃度、異型水混合、集輸液壓力、溫度等多種因素的綜合作用下，管線中原離子平衡狀態(tài)被打破，導(dǎo)致地面集輸管線常會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象[5]。在原油開采過程中，地面集輸管線結(jié)垢一方面會(huì)減小可流通截面積，降低輸送效率，增加能耗，另一方面會(huì)造成垢下腐蝕，甚至穿孔，必須每隔一段時(shí)間對(duì)結(jié)垢嚴(yán)重的管段進(jìn)行酸洗或停產(chǎn)維修，增加了管線維護(hù)費(fèi)用，嚴(yán)重影響了油田的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益[6]。針對(duì)集輸管線結(jié)垢問題，我國(guó)大多數(shù)油田采用向管線中加注化學(xué)阻垢劑來螯和其中的結(jié)垢性陽(yáng)離子，抑制其與陰離子發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而防止結(jié)垢。油田采出水成分復(fù)雜，經(jīng)常是多種結(jié)垢性離子共同存在，單一阻垢劑無法完全解決結(jié)垢問題，同時(shí)，將多種阻垢劑組合使用會(huì)因?yàn)橛昧看髮?duì)水體或地層產(chǎn)生污染。白鵬凱等[7]研究發(fā)現(xiàn)，隨著采出液含水量的增加，阻垢劑的應(yīng)用效果逐漸變差，阻垢劑的長(zhǎng)期使用不但會(huì)使水體富營(yíng)養(yǎng)化，加劇管線微生物腐蝕，還會(huì)污染環(huán)境，對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。針對(duì)阻垢劑使用中存在的弊端，筆者通過對(duì)采出水水質(zhì)的分析以及對(duì)管線中垢樣成分的檢測(cè)，分析了集輸管線的結(jié)垢成因，采用集中誘導(dǎo)成垢技術(shù)，將垢提前沉積，減緩了后期管線及工藝設(shè)備中的結(jié)垢速率，為解決工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中集輸管線的結(jié)垢問題提供了一種的選擇。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要試劑及儀器

主要試劑：水樣、垢樣與阻垢劑，均取自華慶油田地區(qū)。

主要儀器：101-1AB 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海試驗(yàn)儀器有限公司；SHZ-D(III)循環(huán)水式多用真空泵，鞏義市英峪予華儀器廠；JOANLAB 玻璃砂芯真空過濾裝置，寧波群安實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；DMAX-2400 X 射線衍射儀，北京理化賽思科技有限公司；ICAP-6000 原子發(fā)射光譜儀，賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司西安分公司。

1.2 試樣分析方法

1.2.1 水質(zhì)分析

參照SY/T 5523—2000《油氣田水分析方法》、SY/T 5329—94《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》對(duì)水樣中結(jié)垢性陰離子含量進(jìn)行測(cè)定。水樣中結(jié)垢性陽(yáng)離子含量(w，下同)測(cè)定方法為：對(duì)水樣進(jìn)行過濾、溶劑萃取等預(yù)處理后，取1 mL處理液用超純水配制的(w)1% HNO3稀釋至100 倍，然后利用ICAP-6000 原子發(fā)射光譜儀，測(cè)定其中的結(jié)垢性陽(yáng)離子含量[9-11]。

1.2.2 垢樣分析

取部分現(xiàn)場(chǎng)垢樣放在120 ℃下的烘箱內(nèi)烘干至恒重，稱質(zhì)量為m1，使用石油醚進(jìn)行索式抽提后靜置約6 h，取出烘干至質(zhì)量不變，稱質(zhì)量為m2[12-13]。依據(jù)式(1)計(jì)算有機(jī)雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωm。

此時(shí)，垢樣中有機(jī)雜含量為ωm，將剩余固體粉末采用DMAX-2400 X 射線衍射儀進(jìn)行組分分析[14]。

1.2.3 阻垢劑應(yīng)用評(píng)價(jià)

依據(jù)SY/T 5673—93《油田用防垢劑性能評(píng)定方法》標(biāo)準(zhǔn)，利用元17 增總機(jī)關(guān)水樣對(duì)常用的4種阻垢劑進(jìn)行阻垢效果測(cè)試。

1.3 集中誘導(dǎo)成垢技術(shù)的應(yīng)用

為了防止管線結(jié)垢影響正常生產(chǎn)，油田中大多采用向管線中加注化學(xué)阻垢劑的方法來預(yù)防結(jié)垢，但隨著回灌次數(shù)增多，會(huì)出現(xiàn)采出水水質(zhì)復(fù)雜、阻垢效果差、污染環(huán)境且經(jīng)濟(jì)性較差等的問題。因此，筆者采用了集中誘導(dǎo)成垢技術(shù)以減緩集輸管線結(jié)垢問題，其工藝流程如圖1 所示。

圖1 集中誘導(dǎo)成垢技術(shù)工藝流程

為了檢驗(yàn)集中誘導(dǎo)成垢技術(shù)的應(yīng)用效果，分別進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，具體方法如下：①室內(nèi)試驗(yàn)。在裝置前端和后端分別懸掛3 片與管道材質(zhì)相同的掛片，然后將集中成垢裝置置于正常運(yùn)行狀態(tài)30 d。采用防垢率指標(biāo)評(píng)價(jià)防垢效果。裝置前后設(shè)置2 個(gè)觀察點(diǎn)懸掛掛片，掛片單位面積結(jié)垢速率為同一掛片前后質(zhì)量差值與掛片表面積的比值，防垢率為前、后端結(jié)垢速率差值與前端結(jié)垢速率的比值。②現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。將集中誘導(dǎo)結(jié)垢器置于元17增總機(jī)關(guān)正常狀態(tài)運(yùn)行24 h 后，垢體收集1 次；正常運(yùn)行7 d 后清理垢體并進(jìn)行記錄。試驗(yàn)過程中每天對(duì)總機(jī)關(guān)取樣分析，對(duì)結(jié)垢量進(jìn)行理論計(jì)算，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行詳細(xì)記錄，記錄內(nèi)容包括加熱爐出口流體溫度、除垢器來液流量、每次收集的垢體質(zhì)量，比較垢體質(zhì)量與理論結(jié)垢量。

2 結(jié)果與討論

2.1 某油田地區(qū)集輸管線結(jié)垢現(xiàn)狀

隨著采出井綜合含水量的逐步上升，各增壓站、接轉(zhuǎn)站及區(qū)塊總集輸管線結(jié)垢情況日趨嚴(yán)重，對(duì)該地區(qū)目前部分站點(diǎn)的平均除垢周期進(jìn)行了總結(jié)，其結(jié)果如表1 所示。

表1 不同站點(diǎn)平均除垢周期

由表1 可見：不同增壓站或接轉(zhuǎn)站結(jié)垢情況相近，平均除垢周期均約為75 d，除垢間隔較短，表明該地區(qū)結(jié)垢情況較為嚴(yán)重。

2.2 水樣分析

油田采出水成分復(fù)雜、礦化度較高，在集輸過程中，采出水中含有的結(jié)垢性離子CO32-、HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Ba2+會(huì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，造成管線堵塞，影響正常生產(chǎn)。對(duì)采出水進(jìn)行水質(zhì)分析，有利于管線結(jié)垢成因的明確及防垢方法的選擇。結(jié)垢性離子分析結(jié)果如表2 所示。

表2 不同站點(diǎn)結(jié)垢性離子質(zhì)量濃度 ρ: mg·L-1

由表2 可見：取自不同站點(diǎn)的14 個(gè)水樣中，結(jié)垢性陽(yáng)離子質(zhì)量濃度平均約為150 mg/L，結(jié)垢性陰離子(HCO3-+CO32-)質(zhì)量濃度大多高于200 mg/L，少數(shù)還超過了1 500 mg/L，SO42-質(zhì)量濃度平均約為30 mg/L。結(jié)垢性離子普遍含量較高，較易成垢。不同站點(diǎn)平均除垢周期與離子質(zhì)量濃度的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 不同站點(diǎn)平均除垢周期與Ba2++Sr2+、SO42-含量關(guān)系

由圖2 可以看出，不同站點(diǎn)的成垢離子中，SO42-的含量與Ba2++Sr2+的含量呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，SO42-多，則Ba2+與Sr2+少。而水樣中SO42-的含量相對(duì)偏低，說明結(jié)垢問題的關(guān)鍵在于SO42-的含量，并且SO42-的含量與平均除垢周期呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)，進(jìn)一步說明了如需解決結(jié)垢問題，關(guān)鍵在于降低SO42-的含量。

2.3 垢樣分析

為明確結(jié)垢物類型，確定結(jié)垢成因，便于采取有效的防垢措施，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的8 種垢樣進(jìn)行了組分分析，分析結(jié)果見表3，垢樣XRD 分析見圖3。

由表3 與圖3 可見：所取垢樣中有機(jī)雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于10%。增壓站A、增壓站B、增壓站D、總機(jī)關(guān)A、總機(jī)關(guān)B、接轉(zhuǎn)站B 6 個(gè)地區(qū)管線中形成垢樣的無機(jī)組分主要為BaSO4，增壓站C、接轉(zhuǎn)站A 2 個(gè)地區(qū)形成垢樣的無機(jī)組分主要為BaSO4與CaCO3混合物。

表3 垢樣成分分析結(jié)果

圖3 垢樣XRD分析

2.4 結(jié)垢成因

通過對(duì)油田進(jìn)行的水質(zhì)與垢樣分析，不同站點(diǎn)采出水中大量存在的Ba2+與SO42-之間發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的BaSO4沉淀是導(dǎo)致集輸管線結(jié)垢的主要原因，結(jié)垢過程見圖4。

圖4 結(jié)垢過程示意

由圖4 可見：當(dāng)Ba2+與SO42-質(zhì)量濃度達(dá)到過飽和狀態(tài)時(shí)，由于BaSO4溶度積極低，產(chǎn)生沉淀的速率較快，會(huì)在水中較先析出并吸附在管線表面，作為結(jié)晶中心不斷長(zhǎng)大，還會(huì)催化其他結(jié)垢性離子的結(jié)晶，出現(xiàn)共沉淀，使得新沉積物進(jìn)入原有沉積物中，形成了復(fù)雜的混合垢。針對(duì)管線結(jié)垢問題，大多數(shù)油田采用了向管線中加注化學(xué)阻垢劑的方法來抑制結(jié)垢。

2.5 阻垢劑應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

目前，油田管線阻垢劑主要有4 種，分別為CQZG02、ZG558、HZG05 和KW129。利 用 元17增站點(diǎn)采出水對(duì)阻垢劑性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，具體結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同種類阻垢劑阻垢效果

由圖5 可見：HZG05 阻硫酸鋇垢效果最好，阻垢率為70.9%，ZG558 阻硫酸鋇垢效果最差，僅有26.54%。阻碳酸鈣垢效果最好的是HZG05，阻垢率為73%，CQZG02 效果較差，只有48.31%，綜合分析，4 種阻垢劑平均阻垢率為50%左右，應(yīng)用效果較差，無法起到較好的抑制結(jié)垢作用。針對(duì)阻垢劑應(yīng)用效果差，無法起到抑制結(jié)垢作用，采用了集中誘導(dǎo)成垢技術(shù)。

2.6 集中誘導(dǎo)成垢技術(shù)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

采用集中誘導(dǎo)成垢技術(shù)可使成垢離子在管線源頭附近析出，實(shí)現(xiàn)集中誘導(dǎo)成垢，同時(shí)還可以將垢體收集、清除，達(dá)到除垢的目的，可有效解決集輸系統(tǒng)后端管線及工藝設(shè)備的結(jié)垢問題，其室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分別見表4、表5 及表6。

表4 集中誘導(dǎo)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

由表4 可見：該技術(shù)應(yīng)用效果良好，集中誘導(dǎo)成垢技術(shù)處理后可除去91%以上的成垢離子。

表5 元17增總機(jī)關(guān)加裝集中誘導(dǎo)裝置后試驗(yàn)結(jié)果 ρ:mg·L-1

由表5 可見：停加阻垢劑，應(yīng)用集中誘導(dǎo)成垢裝置后，混合水樣中ρ(Ba2++Sr2+)降低了14.518 5 mg/L、ρ(Ca2++Mg2+)降 低 了1 289.94 mg/L、ρ(SO42-)降低了360.162 mg/L、ρ(CO32-)降低了31.873 mg/L、ρ(HCO3-)降低了304.165 mg/L，總體成垢率為90.5%。

表6 元17增總機(jī)關(guān)除垢結(jié)果對(duì)比分析

由表6 可見：與添加阻垢劑相比，平均除垢周期大幅延長(zhǎng)，降低了清垢頻率。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：集中誘導(dǎo)成垢技術(shù)應(yīng)用效果良好，可大大降低集輸管線中結(jié)垢性離子含量，平均沉降固相4.8 kg/d，成垢效果顯著，節(jié)省了加藥環(huán)節(jié)，確保下游管段、設(shè)備高效安全運(yùn)行。

相比于傳統(tǒng)化學(xué)阻垢劑，集中誘導(dǎo)成垢技術(shù)主要有以下優(yōu)勢(shì)：①將以往被動(dòng)式的阻垢轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)結(jié)垢，通過定期將誘導(dǎo)罐中沉積的垢清除，起到了凈化水體與除垢作用。②適用性強(qiáng)，對(duì)不同種類的結(jié)垢性離子均能起到誘導(dǎo)成垢的作用。③性能穩(wěn)定，通過誘導(dǎo)罐時(shí)，使垢快速結(jié)晶析出，受水體pH 值、溫度、壓力影響較小。

3 結(jié)論

某油田地區(qū)站點(diǎn)平均除垢周期約75 d，除垢間隔短，結(jié)垢情況嚴(yán)重。采出水總礦化度分布范圍廣，水質(zhì)差異性較大，水中結(jié)垢性離子含量普遍較高，為成垢提供了條件，其中SO42-的含量是影響結(jié)垢問題的關(guān)鍵因素。造成集輸管線結(jié)垢的主要原因是Ba2+與SO42-發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生BaSO4沉淀，之前使用的4 種阻垢劑效果較差，阻垢率在50%左右，無法有效抑制結(jié)垢。采用集中誘導(dǎo)成垢技術(shù)進(jìn)行了室內(nèi)模擬和現(xiàn)場(chǎng)元17 增總機(jī)關(guān)應(yīng)用試驗(yàn)，結(jié)果表明：集中誘導(dǎo)成垢技術(shù)在工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中應(yīng)用效果良好，成垢率為90.5%，能有效將垢提前沉積，減小后端設(shè)備與管線中的結(jié)垢問題，可以較好地解決工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)集輸管線中的結(jié)垢問題。