新疆油田注汽管網結垢成分分析及對策

李曉艷

新疆油田公司工程技術研究院

新疆油田稠油產量占原油總產量的40%，是油田穩產的重要支撐之一。稠油采用注蒸汽開發方式，注過熱蒸汽的油井周期產油量是注濕蒸汽的1.2 倍，油汽比是1.5～2.3 倍[1-2]。因高品質過蒸汽驅油效果較好[3]，應用過熱蒸汽鍋爐比例逐年增加。與遼河油田的過熱蒸汽鍋爐相比，新疆油田獨創了不排濃鹽水的直流燃氣過熱蒸汽鍋爐，經濟和環境效益顯著。由于新疆油田稠油采出水水質中溶解固形物約4 000～5 500 mg/L，SiO2約180～350 mg/L，屬于高硅、高鹽采出水，處理后凈化水雖可滿足普通蒸汽鍋爐的水質要求，但達不到過熱蒸汽鍋爐的給水水質要求，造成注汽管網結垢嚴重，鍋爐注汽閥門更換頻繁，井口泵卡次數多。因此，分析了注蒸汽采油系統的結垢成因后，明確了鍋爐給水水質控制關鍵指標。采取相應處理措施，可確保稠油凈化水滿足過熱蒸汽鍋爐給水要求，從而減少注蒸汽采油系統結垢，保障稠油生產中注汽系統的平穩運行。

1 注汽管網結垢成分分析

1.1 蒸汽鍋爐給水水質

新疆油田凈化（軟化）器出口水及各類注汽鍋爐主要給水指標要求見表1。

表1 凈化（軟化）器出口水及各類注汽鍋爐主要給水水質指標Tab.1 Purifier(softener)outletwater quality indicators and indicators of main water supply quality of various steam injection boilers

由表1 數據可知，過熱蒸汽鍋爐給水水質要求比濕蒸汽鍋爐嚴苛，采出水處理后，除SO2含量超標，其余水質指標可以滿足濕蒸汽鍋爐要求；但SiO2和溶解固形物含量達不到過熱蒸汽鍋爐給水水質要求，所以采用清水和凈化水摻混的方式給過熱蒸汽鍋爐供水。

新疆油田典型稠油處理站A 站將采出水經除油、除懸浮物處理后所得凈化水經換熱，與除氧、換熱后的清水在匯管處混合后，加熱成過熱蒸汽供過熱蒸汽鍋爐使用。1#、2#過熱蒸汽鍋爐清水與凈化水按一定比例混合后的進水及軟化器出口水質分析見表2。

表2 A 站注汽鍋爐給水水質分析結果Tab.2 Water quality analysis results of steam injection boilers in A Station

由表2 數據得出：凈化（軟化）器出口水為采出水凈化（軟化）水，其溶解固形物、SiO2含量、總硬度等都高于清水與凈化水混合水，表明一定比例的清水與采出水凈化（軟化）水混合后，其水質遠遠好于采出水凈化（軟化）水，除總堿度外，清水比例越高水質越好。采出水凈化（軟化）水與清水混合后，Si O2含量可滿足所有過熱蒸汽鍋爐給水指標要求，但溶解固形物含量仍不滿足過熱蒸汽鍋爐給水指標要求。

1.2 垢樣成分

新疆油田注汽管線建設時間較長，使用年限最長的已有17 年，管道材質均選用20G 無縫鋼管（GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》）[6]，管道設計壓力12～16 MPa，設計溫度350 ℃。

為掌握注汽管線的結垢情況，在新疆油田某作業區伴熱注汽管線安裝結垢取樣器（圖1）。結垢取樣器的參數為：注汽壓力10 MPa，進出口管徑DN50，取樣器進出口的中間部分管徑為DN150（長度1.8 m），取樣器流經混合蒸汽（過熱蒸汽和常規蒸汽）。

圖1 現場結垢取樣器Fig.1 Field scale sampler

從注汽管線上取出注汽運行6 個月后的結垢取樣器，進行結垢、結鹽成分分析，結果見表3。

表3 注汽結垢取樣器管壁上垢樣成分分析Tab.3 Analysis of scale component on the wall of seeam injection scale sampler

表3 垢樣成分分析結果表明：經過6 個月的注入蒸汽的沖蝕，在注汽管壁上結的垢主要成分包括NaCl、SiO2、SiCl4、Na2O、FeO 5 種，其 中NaCl、Na2O 占比為50.66%，SiO2、SiCl4占比為30.23%。

1.3 結垢成因分析

當飽和蒸汽同飽和水接觸時，水中溶解的鹽有一部分溶于蒸汽。隨工作壓力的升高，蒸汽的物理性能接近于水，溶鹽的能力也增強。蒸汽也和水一樣，對不同鹽類的溶解能力是不同的，蒸汽的溶鹽也是有選擇性的，并有下列特點：①飽和蒸汽和過熱蒸汽均可溶解鹽類，凡能溶于飽和蒸汽的鹽也能溶于過熱蒸汽；②蒸汽的溶鹽能力隨壓力的升高而增大；③蒸汽對不同鹽類的溶解是有選擇性的，在相同條件下不同鹽類在蒸汽中的溶解度相差很大。

物質溶于蒸汽的量可用分配系數α表示，α的大小同飽和汽密度ρ″ 與飽和水密度的比值ρ″/ρ′有關。根據試驗數據整理，二者的關系為。

指數n決定于物質本身的特性。圖2 給出的是不同鹽類的試驗數據。

圖2 不同物質的分配系數和壓力的關系Fig.2 Relationship between partition coefficient and pressure of different substances

圖2 縱坐標為分配系數，橫坐標有兩個，一個是ρ″/ρ′的倒數，一個是壓力，Kp是用壓強表示的化學平衡常數，代表分壓平衡常數；pkp代表壓力。

根據飽和蒸汽的溶鹽能力，可把爐水中常遇到的物質分為三類：第一類物質是在水溶液中不離解的弱酸。在爐水中所遇到的這類物質只有硅酸（H2SiO3），硅酸的分配系數最大，表4 中給出不同壓力硅酸的分配系數αH2SiO3。可以看出在壓力為10 MPa 時，αH2SiO3≈0.8，這時溶于蒸汽而被帶出的硅酸要比機械攜帶（蒸汽濕度ω=0.01%～0.1%）大30～40 倍，可見在高壓時蒸汽溶鹽的嚴重性。第二類物質為NaOH、NaCl 和CaCl2。這類物質在蒸汽中的溶解度比第一類低很多。第三類物質為Na2SO4、Na2SiO3、Na3PO4、Ca3(PO4)2、CaSO4和Mg-SO4等。這類物質的溶解度很低，壓力在20 MPa 以下時，可以不考慮它們在蒸汽中的溶解問題。

表4 不同壓力下硅酸的分配系數Tab.4 Partition coefficient of silicic acid under different pressures

注汽管網所注蒸汽，是由蒸汽鍋爐將鍋爐給水加熱而產生的，蒸汽達到所需溫度和壓力后注入管網，蒸汽中溶解的鹽類將隨溫度、壓力的降低不斷析出導致注汽管壁結垢，而伴隨蒸汽產生的H2SiO3和硅酸鹽類是最值得注意的，因為在相同壓力下，H2SiO3和硅酸鹽類在蒸汽中的溶解度最大。一般爐水中同時存在H2SiO3和硅酸鹽，它們在飽和蒸汽中的溶解能力很不相同。由圖2 可知，H2SiO3按分配系數屬于第一類物質，在飽和蒸汽中的溶解度很大；而硅酸鹽如Na2SiO3、Na2Si2O5，則屬于第三類物質，很難溶于蒸汽，尤其壓力在20 MPa 以下時，可以不考慮它們在蒸汽中的溶解問題[7]。

因此，針對新疆油田的注汽壓力10 MPa，過熱蒸汽中的主要溶解物為第一類（H2SiO3）和第二類（NaCl 等鹽類）物質。由表5 數據可知，過熱蒸汽冷凝水中SiO2及溶解固形物含量均低于濕蒸汽冷凝水，通過兩種冷凝水的水質差異，也反映出過熱蒸汽鍋爐比普通蒸汽鍋爐結垢嚴重。

表5 不同蒸汽冷凝水的水質情況Tab.5 Water quality of different steam condensate

注汽鍋爐汽水分離器分離的高含鹽飽和水，噴入干蒸汽中與高溫過熱蒸汽摻混，迅速轉化為低溫過熱蒸汽（過熱度5～23 ℃）時，勢必造成高含鹽飽和水中全部的礦物離子和雜質析出，沉積在注汽管網管壁上。

2 注汽管網結垢的解決對策

為提高新疆油田稠油產量，大量引入過熱鍋爐，導致注汽系統結垢腐蝕日趨嚴重。通過對注汽管線結垢產物進行分析，得出注汽管壁上的垢樣主要成分是NaCl、Na2O、SiO2、SiCl4和少量FeO，結垢主要因素是鍋爐給水中的溶解鹽類和SiO2所造成的。為提高鍋爐給水水質，減輕注汽管線結垢，需要提出相應解決對策[8-11]。

2.1 分質分類供水

新疆油田注汽系統結垢的主要因素是采出水中礦化度高及硅含量高，常規污水處理的水質不能滿足燃煤蒸汽鍋爐、過熱蒸汽熱鍋爐的安全生產需求。為滿足鍋爐安全生產，效益最大化，為優化稠油開采的普通蒸汽鍋爐、過熱蒸汽鍋爐、燃煤蒸汽鍋爐供水水質，提出進行分質、分類供水，以減少清水用量。根據表1 中凈化（軟化）水及各類注汽鍋爐主要給水水質指標要求，分類、分質供水原則為：燃煤流化床蒸汽鍋爐給水以清水水源為主，過熱蒸汽鍋爐給水水源主要是凈化水與清水的摻混水。鍋爐分類、分質供水可滿足鍋爐安全生產需要，減小污水深度處理規模，降低處理成本。

2.2 降低鍋爐給水的含鹽量

根據垢樣成分的分析，為確保經過熱蒸汽鍋爐加熱后產生的蒸汽不在注汽管線中結垢，需要對鍋爐給水進行除鹽處理。

2.2.1 高溫凈化（軟化）水除鹽技術

高溫凈化（軟化）水除鹽技術工藝流程見圖3。

圖3 過濾-軟化-反滲透流程圖Fig.3 Filtration-softening-reverse osmosis flow chart

目前新疆油田B 站建有4 臺RO（反滲透）膜設備，處理規模6 000 m3/d，實際處理量3 000 m3/d。該裝置設計產水率≥70%，產水溶解固形物≤700 mg/L，產水與清水摻混后供4 臺燃煤鍋爐，水質指標見表6。

表6 RO 反滲透系統設計指標Tab.6 RO reverse osmosis system design index

工藝流程簡述：凈化（軟化）水首先加入阻垢劑進入保安過濾器，脫除部分懸浮物、油、硅化物后，通過高壓泵輸送至高溫反滲透膜除鹽裝置進行預處理，產水進入軟化水罐，最終產水外輸給燃煤鍋爐，反滲透濃水排進存儲池或回注。

新疆油田B 站RO 裝置實際產水為3 000 m3/d，產水率為72.1%。來水溶解固形物為4 600 mg/L，產水溶解固形物為690 mg/L，除鹽率達到了85%，改善了燃煤鍋爐給水水質。RO 除鹽系統水質分析見表7。

表7 B 站凈水RO 除鹽系統水質分析Tab.7 Water quality analysis of water purification RO de-salting system in B Station

2.2.2 濃鹽水深度處理技術

新疆油田在某作業區開展了針對高溫、高含鹽污水除鹽技術攻關研究，最終確定了機械蒸汽壓縮（MVC）更適合稠油油田高溫、高含鹽水的除鹽處理，并對MVC 蒸發除鹽技術開展了現場中試試驗。中試試驗設計規模為10 m3/h，采用“蒸汽機械再壓縮+強制循環結晶”技術，除鹽水回收率達到98%。

MVC 設備結構見圖4。

圖4 MVC 設備結構Fig.4 MVC device structure

試驗工程分為機械蒸汽壓縮和強制循環結晶兩個流程。

（1）機械蒸汽壓縮流程。鹽水原液首先進入原液緩沖罐，再由進料泵提升進入降膜蒸發器，當達到循環水量后，降膜蒸發器的循環系統開始工作；循環的鹽水原液由降膜蒸發器頂部經布液器分布到換熱管的內部，均勻成膜，自上而下流動；殼程通入飽和蒸汽，加熱原液，鹽液被加熱汽化，產生濃縮液由底部進入循環泵，繼續循環濃縮。蒸汽進入分離器，汽液經充分分離，二次蒸汽進入蒸汽壓縮機。壓縮升溫后，對循環鹽液進行換熱，蒸汽的冷凝液由接水盤收集回收，鹽液通過不斷的循環，達到接近飽和濃度后，進入強制循環流程。

（2）強制循環結晶流程。機械蒸汽壓縮產生的接近飽和的濃液進入強制循環結晶流程，飽和溶液由結晶器循環泵提升至加熱室，被殼程的蒸汽加熱汽化，不斷濃縮為超飽和溶液及結晶鹽，最終進入離心機將鹽渣部分固化分離。

新疆油田A 站試驗的MVC 裝置，前段機械蒸汽壓縮工藝總體運行良好，來水含鹽濃度平均15 000 mg/L，出水含鹽濃度為40 mg/L 左右，出水水質達到了設計指標，實際產水指標見表8。運行期間產水率、蒸汽壓縮機前后蒸汽溫升、進出口水質等指標均達到了設計標準，MVC 深度除鹽技術可有效改善鍋爐給水水質。

表8 A 站MVC 產水指標完成情況Tab.8 Completion of MVC water production index of A station

2.3 降低鍋爐給水的硅含量

目前常用的除硅工藝技術有離子交換法、活性鋁吸附法、混凝吸附澄清法、化學混凝法（藥劑軟化除硅法、鎂劑除硅法）等[12]。綜合多種除硅技術的優缺點，結合現場水質條件，新疆油田選用化學混凝法除硅，以緩解過熱蒸汽鍋爐結垢問題。化學混凝法是一種物理化學方法，其機理是在堿性條件下，含有氫氧化物的粒子表面吸附硅酸化合物，形成難溶的硅酸鹽，在一定程度上也發生了硅酸膠體的凝聚，除硅劑在一定的投加濃度內，能夠降低水的硬度，生成CaSiO3等物質，再通過投加凈水劑和助凝劑對水中的膠體粒子進行絮凝和架橋，從而達到除硅目的。

新疆油田某作業區設計除硅工藝規模30 000 m3/d，已投用2 年，采用采出水除硅與凈化工藝相結合[13]，先除硅，再凈化，利用高效除硅反應器，提高藥劑反應效率，除硅劑加量300 mg/L 時，采出水硅含量≤100 mg/L，現場采出水除硅前后運行數據見圖5。

圖5 污水除硅效果Fig.5 Sewage removal effect of silicon

3 現場應用

經過2 年的攻關研究，形成了新疆油田高溫凈化（軟化）水除鹽技術及濃鹽水深度處理技術。該技術已在新疆油田推廣應用，其中在新疆油田A 站注采系統運行情況對比見表9，鍋爐給水通過除鹽處理基本消除了鍋爐爐管爆管事故，大大降低了注汽閥門的更換頻率。由表9 可以看出，2014 年過熱鍋爐運行臺數88，泵卡次數最高為1 738 次，2018年對采出水進行除硅處理提高鍋爐給水水質后，泵卡次數減少至268 次，降垢效果明顯。

表9 A 站注采系統運行情況對比Tab.9 Comparison of the operation of injection and production system in A station

濕飽和蒸汽鍋爐是指“過熱蒸汽鍋爐按照濕蒸汽鍋爐運行的臺數”，目的是為了將汽、水分離器中的垢沖刷掉排出去。

4 結論

（1）通過元素分析法對鍋爐給水水質分析，揭示了注汽管網腐蝕結垢機理。在相同壓力下，H2SiO2在蒸汽中的分配系數最大，因此在鍋爐中優先形成硅垢，其次形成鹽垢。通過注汽管線垢樣成分分析，得出結垢主要因素是SiO2和溶解鹽類。

（2）采取鍋爐分類分質供水，RO 反滲透、MVC 深度除鹽，化學除硅等措施降低鍋爐給水中硅化物和鹽的含量，提高鍋爐給水水質，大大降低了注汽閥門的更換頻率及井口泵卡頻率，泵卡頻率由1 738 a-1少為268 a-1，保障了注汽系統的平穩運行。