新疆某油田轉油泵結垢成因分析及除垢對策研究

袁鵬 柳雨萌 簡霖 王巖 李連群 萬征

1新疆油田公司工程技術研究院

2新疆油田公司采油二廠

隨著新疆油田水平井體積壓裂大規模的使用，其采出液具有高懸浮物、高礦化度和黏度大的特性[1]，含有HCO3-、Ca2+、Mg2+、Cl-等離子。某油田A 轉油站作為重要的輸液節點，主要負責將各個井區的采出液轉輸至處理站，采用井口→計量站→轉油站→處理站的三級布站方式[2]。水平井采用井口加熱集輸工藝，單井來液經計量站計量后，通過匯管進入轉油站一體化加熱轉輸裝置，目前共有2 臺泵，一用一備，每日平均進液量達7 000 m3以上，轉油泵來液溫度均加熱至40 ℃以上。

A 轉油站轉油泵葉輪結垢速度快（圖1），需一周一次強制性停泵、清垢，而正常運行情況下，在達到一保時間（約為42 天）后，根據需要才會拆輸檢修，其當前拆泵周期遠小于保修拆泵檢查時間，嚴重影響了泵的轉輸能力和油田的正常生產，增加了現場人員工作量。因此，必須分析結垢原因，采取相應措施來降低結垢速度，延長清垢周期，確保油田的正常生產[3]。

圖1 葉輪結垢圖Fig.1 Scaling diagram of impeller

1 結垢機理分析

1.1 垢樣成分

對A 轉油站轉輸泵進行拆泵后，對泵內葉輪上的垢樣進行成分分析，分析結果如表1 所示。

表1 垢樣成分分析Fig.1 Scale sample composition analysis

由表1 可知：轉油泵葉輪垢樣中主要成分為CaCO3，占比達到80.24%，其次為MgCO3，占比為11.18%。因此，在葉輪表面的垢樣成分主要為碳酸鹽。

1.2 水質全分析

目前A 轉油站的轉輸液來自4 個井區的采出液，在葉輪垢樣成分分析的基礎上，又分別對4 個井區的采出液進行取樣，并開展了水質全分析來判斷結垢陰離子和陽離子的來源。在水質全分析過程中分別得到了4 個井區水樣的pH 值、CO32-、HCO3-、OH-、Ca2+、Mg2+等離子含量，井區1～井區4 的水質全分析結果見表2。

表2 4 個井區水質全分析Fig.2 Total analysio of water quality in 4 well areas

對現場水質進行取樣檢測時發現，轉輸液中泥沙含量約為50 mg/L，雜質含量較少，且在現場拆泵檢查過程中并未發現大量雜質。水質全分析結果發現4 個井區均含有HCO3-（800～2 200 mg/L）、Ca2+（320～620 mg/L）及少量SO42-和Mg2+，礦化度高（＞9 400 mg/L）。根據SY/T 5523—2016《油田水分析方法》中蘇林分類法可知：井區1～井區3 水型為CaCl2型，井區4 水型為NaHCO3型。

1.3 結垢原因

通過垢樣成分分析和水質全分析可知，A 轉油站葉輪結垢原因為井區水型不配伍[3]，當轉輸液中的Ca2+和HCO3-濃度較大時易生成Ca(HCO3)2，隨著溫度的升高Ca(HCO3)2易分解產生CaCO3垢物，其反應式為：Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2O，該反應為吸熱反應，由于葉輪材料表面的粘附力使垢物易附著在其材料表面上形成垢層。

2 結垢量影響因素

對于碳酸鹽類的垢物，其結垢速度受到多方面因素影響，A 轉油站轉油泵7 天約產生4.9 kg 的結垢量，需要每周進行人工拆卸清垢。因此需要根據結垢原因分析，在確定A 轉油泵葉輪結垢的成因基礎上，進一步對轉油泵葉輪結垢速度的相關因素進行室內靜態模擬實驗研究分析。

2.1 溫度和壓力

溫度的影響主要是改變易結垢鹽類的溶解度[4-6]，CaCO3在水中的溶解度隨溫度的升高而降低。壓力的影響主要是改變結垢鹽類的反應速度。通過室內實驗發現：當壓力一定時，結垢量隨著溫度的升高而急劇增加；當溫度一定時，結垢量隨著壓力的升高而下降，但下降趨勢相當微弱（圖2）。目前A 轉油站來液經相變爐加熱后溫度為45 ℃左右，經轉油泵提升壓力至5 MPa 左右，因此可通過降低溫度來減少結垢量，無需調整泵出口壓力。

圖2 不同溫度下結垢量與壓力的關系Fig.2 Relationship between the amount of scaling and the pressure at different temperatures

2.2 pH 值

對于碳酸鹽類的垢物，其結垢速度與環境的pH 值也有相關性。根據室內實驗：結垢量隨pH 值升高而增加，當pH 值升至7.5 后，結垢量上升速率變緩，上升趨勢不明顯（圖3）。因此，需要將轉輸液的pH 值調整在合適的范圍內，減緩葉輪表面垢物結垢速度。

圖3 不同溫度下結垢量與pH 值的關系Fig.3 Relationship between the amount of scaling and the pH value at different temperatures

2.3 流速

泵內結垢為動態過程，通過結晶析出、對流、擴散過程到達葉輪內壁，形成垢層后管壁厚度增大，影響后續結晶顆粒沉積過程，垢體顆粒在葉輪內壁的結垢量可由平均停留時間分布變化情況反映，由室內實驗分析不同流速停留時間分布函數見圖4。

圖4 不同流速停留時間分布函數Fig.4 Distribution function for different velocity residence time

由室內實驗可知：隨轉油站來液流速減小，垢物沉積在管壁的概率增大且在葉輪內壁上可以更加充分地完成沉淀反應，導致結垢量增加。

3 阻垢實驗

目前除垢方法主要有機械除垢和化學除垢，機械除垢方法主要采用射流技術，化學除垢針對碳酸鹽類的垢物主要采用酸洗。阻垢措施主要為添加超聲波防垢器、添加阻垢劑、材料改性.針對A 轉油站轉油泵結垢情況，從安全性、可實施性、經濟性、可靠性和操作性4 個方面考慮，采用添加阻垢劑[7-10]可迅速減緩結垢速度，保障油田正常生產。

3.1 阻垢劑篩選

對A 轉油站轉輸液阻垢劑進行室內篩選評價，其結果見表3。

表3 阻垢劑篩選評價實驗結果Tab.3 Experimental results of scale inhibitor screening and evaluation

由實驗結果可知：加入KL-501（酸性）阻垢劑（20 mg/L）后，失鈣率為1.37%，阻垢率達93.4%；加入KL-502（堿性）阻垢劑（30 mg/L）后，失鈣率為1.68%，阻垢率達91.9%；兩種藥劑均能對A 轉油站轉輸液有較好的阻垢效果。由于轉輸液pH 值在6～7 范圍內，呈酸性，會對A 轉油站設備造成腐蝕問題，而選用阻垢效果較好的KL-501（酸性）會加速設備腐蝕，選用堿性阻垢劑KL-502（堿性）可起到緩蝕的效果，最終選用藥劑為KL-502（堿性）。

3.2 現場方案及優化措施

在氣液分離器前端來液處設置1 臺加藥裝置，井區1、井區2、井區3、井區4 來液加完藥后，經氣液分離器再通過一體化加熱裝置加熱轉輸至處理站，改造后流程示意圖見圖5。將KL-502 阻垢劑加入溶藥箱內，調節好加入清水的比例及相關參數，控制藥劑質量濃度為30 mg/L，系統自動按比例對氣液分離器前端進行持續加藥。

圖5 改造后流程示意圖Fig.5 Schematic diagram of process after transformation

在加阻垢劑實施方案中，當加藥質量濃度為30 mg/L、轉輸液溫度由20 ℃升高至50 ℃時，其阻垢率大幅降低（圖6）。

圖6 藥劑阻垢率隨加藥濃度和溫度變化Fig.6 Scale inhibition rate of the agent varies with the concentration and temperature of the agent

由圖6 可知，將轉輸液溫度控制在30～40 ℃時藥劑阻垢效果較好，阻垢率在91.2%～100%；另一方面，轉油站出站溫度根據集輸工藝要求為30～40 ℃。因此，可優化相變爐加熱溫度，確定為35 ℃，即可在滿足集輸工藝的同時確保藥劑的阻垢效果。

3.3 實驗結果

通過現場加藥后轉輸液的取樣實驗分析，轉輸液的失鈣率均≤5%，阻垢率均達到了95%以上（圖7）。因此，將溫度控制在35 ℃左右，阻垢劑加藥濃度為30 mg/L 時，不僅減少了轉輸泵葉輪的結垢量，還強化了阻垢劑的阻垢效果。

圖7 阻垢率和溫度隨時間變化Fig.7 Scale inhibition rate and temperature varies with time

通過對A 轉油站轉輸泵進行現場實驗跟蹤，監測轉油泵可連續運行一個月以上，運行42 天后進行一保時拆開轉輸泵未發現結垢現象，改善效果顯著。通過控制溫度優化措施實現年節約天然氣4.1×104m3，年可節約標煤53.52 t，減少CO2排放80.87 t。

4 結論

（1）根據某油田A 轉油站轉輸泵葉輪的結垢成因分析，通過阻垢劑的藥劑篩選及比選，優選出KL-502（堿性）阻垢劑，并通過室內實驗確定了反應溫度及藥劑濃度的運行參數。

（2）現場試驗應用了KL-502（堿性）阻垢劑，通過控制加藥量及溫度，葉輪內壁上再無結垢現象發生，實現了轉輸泵的高效運行，延長了泵的使用壽命，達到了節能減排的目的。