非金屬連續復合管防垢性能研究

邢希金，張海龍，范白濤

中海油研究總院有限責任公司（北京 100028）

0 引言

在油田注水開發過程中，因注入水與地層水之間的組成差異，可能會導致結垢，結垢會導致在集輸過程中流體流動阻力增加、油層傷害、設備磨損及金屬管線的局部腐蝕等嚴重后果，對油田生產作業的危害日趨嚴重[1-2]。油氣井生產及采出液集輸過程中，地層水在溫度、壓力、流動速度等狀態發生變化時，水中的碳酸鈣、硫酸鈣等容易過飽和沉積在管線表面。相比金屬管，非金屬復合材料管具有優良的耐腐蝕性能[3-6]、有效延緩結垢[7-10]優勢，基于防腐、防垢方面的需求，非金屬管線的應用越來越廣泛。

采用非金屬材料防垢的機理是降低管道內壁的表面能來減少過飽和結晶鹽在其表面的附著，目前該方面的研究主要集中在涂層或表面改性上，而直接研究非金屬管道防垢性能的文獻較少。為了研究非金屬管與常規金屬管在結垢方面的差異，選用了非金屬復合管及油田常用碳鋼金屬管，對比考察兩者在垢沉積量、垢沉積強度的差異，以期為非金屬管在油氣田中的應用提供理論指導。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

非金屬復合連續管防垢性能評價實驗所用試劑主要包括NaCl、CaCl2·2H2O、MgCl2·6H2O、NaHCO3、Na2SO4，純度均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 垢沉積實驗

非金屬復合連續管與常規金屬管防垢性能評價中的溶液離子濃度配比參照石油天然氣行業標準SY/T 5673—2020《油田用防垢劑通用技術條件》。

將非金屬復合連續管與常規金屬管放入對應溶液中，存放1、5、10 d 后取出稱重記錄后再投放于溶液中繼續結垢；分析非金屬復合連續管與金屬管的結垢量隨結垢時間的變化規律及差異。

1.2.2 劃痕實驗

目前，劃痕法作為一種半定量的測試方法應用十分廣泛。劃痕法原理示意圖如圖1所示。

圖1 劃痕法原理示意圖

采用Anton Paar 公司生產的劃痕儀對非金屬管垢樣品與金屬管垢樣品進行對比測試，測試過程中壓頭對不同管道材料與垢結合體系的差異通過聲發射信號變化初步確定臨界載荷Lc[11-13]，如圖2所示。

圖2 典型劃痕形貌簡圖

在劃痕測量過程中，當增加法向力時會存在不同連續的垢層變化情況。LC1指在劃痕邊緣處剛開始出現傾斜裂紋的臨界載荷；LC2指在裂紋擴展過程中，垢層首次剝落，呈現出部分管材基底且有小碎片剝落的臨界載荷；LC3指垢層出現區域較大部分剝落或開始完全剝落的臨界載荷，呈現管材的形貌特征，且局部被少部分剝落垢層的碎屑所覆蓋[14-17]。

2 結果與討論

2.1 垢沉積速度評價

渤海油田常規生產井井筒溫度為80 ℃。為了對比考察非金屬復合連續管與常規金屬管結垢的差異，考察了非金屬復合連續管與常規金屬管結垢量在不同溫度（60、70、80、85、90 ℃）時隨時間的變化，溶液離子濃度配比參照石油天然氣行業標準SY/T 5673—2020，結果分別見表1～表5。

表1 60 ℃時非金屬管與金屬管結垢量隨時間變化

表2 70 ℃時非金屬管與金屬管結垢量隨時間變化

表3 80 ℃時非金屬管與金屬管結垢量隨時間變化

表4 85 ℃時非金屬管與金屬管結垢量隨時間變化

表5 90 ℃時非金屬管與金屬管結垢量隨時間變化

由表1～表5可知，當溫度相同時，無論是非金屬復合連續管還是常規金屬管，兩者的結垢量均隨結垢時間的延長而增加；當結垢時間相同時，無論是非金屬復合連續管還是常規金屬管，其結垢量隨著體系溫度的升高而增大。相同條件下，非金屬管的結垢量均低于金屬管，非金屬管占金屬管結垢量的44.4%～69.8%，這可能是由于非金屬管表面更光滑，表面能低所造成的。

溫度為70 ℃，存放5 d 非金屬復合連續管與常規金屬管結垢實物圖如圖3所示。

圖3 70 ℃時非金屬管與金屬管存放5 d結垢實物圖

與常規金屬管相比，當結垢時間與溫度相同時，非金屬復合連續管的結垢量較低，表明非金屬復合連續管的防垢性能優于常規金屬管。

2.2 垢沉積強度評價

劃痕測量法是一種快速有效測定薄膜的附著力和摩擦性能的方法，一般用于表征不同材料與薄膜的結合強度。借用劃痕法來表征非金屬復合連續管與常規金屬管兩種不同材料表面與垢的結合強度。非金屬復合連續管與常規金屬連續管不同實驗條件見表6。

表6 非金屬管與常規金屬管所得水垢實驗條件對應表

2.2.1 非金屬復合連續管劃痕測試與分析

根據表6 實驗條件測得非金屬管垢，采用安東帕公司生產的劃痕儀對非金屬管垢樣品進行了分析。非金屬樣品NM1～NM5 的臨界載荷重復測試5次，取平均值，結果分別見表7～表11。

表7 樣品NM1的臨界載荷 /N

表8 樣品NM2的臨界載荷 /N

表9 樣品NM3的臨界載荷 /N

表10 樣品NM4的臨界載荷 /N

表11 樣品NM5的臨界載荷 /N

表7～表11 是非金屬復合連續管NM1～NM5 在溫度60～90 ℃存放10 d結垢后所測的劃痕對應的臨界載荷。由表7～表11可知，從非金屬復合連續管垢NM1～NM5，3 個臨界載荷值中Lc1減小，其平均值從2.187 4 N 降至1.433 0 N，而Lc2、Lc3增大，Lc2平均值從2.587 3 N 增至5.451 2 N，Lc3平均值從6.465 2 N 增至7.872 1 N，這表明隨著溫度升高，劃痕剛剛出現裂紋所需的載荷變小，而垢層表面劃痕裂紋擴展且有小的碎片剝落以及垢層出現區域較大的剝落所需的載荷變大。分析可能是由于隨著溫度升高，非金屬復合連續管垢層增厚造成的，垢層越厚，最終剝落所需的載荷就越大。

2.2.2 常規金屬管劃痕測試與分析

根據表6 實驗條件測得金屬管垢，采用安東帕公司生產的劃痕儀對金屬管垢樣品進行了分析。金屬樣品M1～M5 的臨界載荷重復測試5 次，取平均值，結果分別見表12～表16。

表12 樣品M1的臨界載荷 /N

表13 樣品M2的臨界載荷 /N

表14 樣品M3的臨界載荷 /N

表15 樣品M4的臨界載荷 /N

表16 樣品M5的臨界載荷 /N

表12～表16 是金屬復合連續管M1～M5 在溫度60～90 ℃存放10 d 結垢后所測的劃痕對應的臨界載荷。由表12～表16可知，從金屬管垢M1～M5，3個臨界載荷值中Lc1、Lc2減小，Lc1平均值從7.901 8 N降至3.461 1 N，Lc2平均值從9.749 1 N 降至5.785 6 N，而Lc3增大，其平均值從10.749 3 N增至14.470 9 N。這表明，隨著溫度升高，劃痕剛剛出現裂紋及垢層表面劃痕裂紋擴展薄膜有小的碎片剝落所需的載荷減小，而垢層出現區域較大的剝落所需的載荷變大。分析可能是由于隨著溫度升高，金屬管垢層增厚造成的，垢層越厚，最終剝落所需的載荷就越大。

2.2.3 非金屬管與金屬管劃痕對比分析

為了考察非金屬復合連續管與金屬管之間結垢強度的差異，將非金屬復合連續管與常規金屬管的 臨 界 載 荷Lc1、Lc2、Lc3進 行 對 比，NM1～NM5 與M1～M5 樣品結垢劃痕臨界載荷所得對比結果分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 非金屬管與金屬管臨界載荷Lc1對比

圖5 非金屬管與金屬管臨界載荷Lc2對比

圖6 非金屬管與金屬管臨界載荷Lc3對比

由圖4～圖6 可知，非金屬復合連續管結垢樣品NM1～NM5 與常規金屬管結垢樣品M1～M5 相比，非金屬復合連續管的3 個臨界載荷Lc1、Lc2、Lc3均低于常規金屬管，非金屬管Lc1、Lc2、Lc3占金屬管的百分比 分 別 為25.8%～41.4%、26.5%～94.2%、51.6%～60.1%。這表明在非金屬復合連續管與常規金屬管表面施加相同的力，在非金屬復合連續管樣品上的劃入深度比常規金屬管深。在較小的載荷下，劃入深度較深的非金屬復合連續管的垢表面相對更容易被破壞。這可能是由于非金屬復合連續管的塑性能力較強，在法向力作用下，與金屬管相比更易發生塑性形變[16]。

3 結論

1）在結垢溫度60、70、80、85、90 ℃，結垢時間1～10 d實驗條件下，與常規金屬管相比，非金屬復合連續管的結垢量較低，非金屬管占金屬管結垢量的44.4%～69.8%，表明非金屬復合連續管的防垢性能優于常規金屬管。

2）非金屬復合連續管結垢樣品NM1～NM5 與常規金屬管結垢樣品M1～M5 相比，前者臨界載荷Lc1、Lc2、Lc3均低于后者，非金屬管Lc1、Lc2、Lc3占金屬管的百分比分別為25.8%～41.4%、26.5%～94.2%、51.6%～60.1%。在非金屬復合連續管與常規金屬管表面施加相同的力，載荷作用在非金屬復合連續管樣品上的劃入深度比常規金屬管深。在較小的載荷下，劃入深度較深的非金屬復合連續管的垢表面相對更容易被破壞。