作业区集输系统结垢问题分析及防治措施研究

作业区集输系统结垢问题分析及防治措施研究

何满强

中国石油华北油田公司二连分公司阿南采油作业区 内蒙古 锡林浩特 026000

摘要：二连分公司各采油作业区油气生产过程中集输系统普遍存在一定的结垢腐蚀问题，对油气集输安全高效运行产生了诸多不利影响。针对这一问题，基于集输系统各水样及垢样分析结果，对作业区水结垢影响因素进行比较全面的实验研究。考察不同温度、不同离子浓度、不同流速下的结垢行为，分析结垢原因，并结合作业区实际情况，总结常用的化学和物理防垢方法及工艺。通过现场试验，确定了添加阻垢剂与超声波除垢仪相结合的防垢方案。研究结果为作业区集输系统解决结垢问题提供了依据。

关键词：集输系统；结垢；防垢措施

前言

作业区各区块油气藏经过多年的高强度注水开发，普遍存在着油井采出液含水率越来越高的情况。由于采出水大多成分复杂，含有大量的有机物和细菌，并有较高硬度和矿化度，很容易使集输系统各个部分出现结垢问题。集输系统设备与管道的结垢腐蚀问题严重影响到作业区油气生产的运行安全，并造成了不小的经济损失。因此，很有必要对作业区集输系统结垢机理及防治措施进行研究，以现场油田水的水质分析结果为基础，以动态环道实验为研究手段，揭示集输系统的结垢机理，探究油田水的结垢趋势，研究有效的阻垢除垢方法，为解决作业区集输系统结垢问题提供技术保障。

1结垢问题影响因素分析

作业区集输系统水样垢样分析结果表明，集输系统的主要结垢类型为碳酸盐垢。其结垢过程主要受到过饱和度的影响，主要影响因素有流体性质(如组分、浓度、pH值)；换热表面特性(如材料特性、表面形状及粗糙度)；流场(如场内速度分布、固液界面条件)；温度场(如热流密度、场内温度分布)等。

1.1温度对结垢的影响

作业区油气集输系统中，温度对结垢的影响很大，一方面温度对垢的溶解度及化学活性 有重要的作用，另一方面温度可以影响油田水中细菌的繁殖速率，从而影响腐蚀垢的生成。 同时由于各油井及集输管线温度不同，溶液掺混后温度有了很大变化，较大的温差造成了溶液离子平衡破坏，使得集输系统结垢严重。

根据作业区结垢现状，基于采集的作业区陪着油田水研究了联合站内换热器、三相分离器及掺水泵的结垢速率随温度的变化规律，对结垢速速与溶液速率的关系进行了统计分析得出，随着溶液流速的变化，结垢速率范围为0.072～0.0763mm/d没有明显变化。这是因为流速对结垢过程有两方面的作用，一方面流速增大，流体对实验管段的剪切作用加强，剥蚀率增大；另一方面流速增大，单位时间内通过实验管段热边界层的颗粒垢的量增加，污垢沉积率增大。因此最终的结垢速率需要考虑两方面的共同作用。

1.2离子浓度对结垢的影响

根据换热器的水质分析结果配置相应实验用水，研究结垢速率与离子浓度的关系，研究了结垢速率与总离子浓度的关系，得出在一定范同内随着溶液浓度的增加结垢速率增大，但当溶液中结垢离子浓度增至一定值后，随着溶液浓度的增大结垢速率减小，这是因为当离子浓度增大到一定值后，CaCO₃会因过饱和而在溶液中析晶，析出的晶粒又作为晶核，使大量的CaCO₃二次成核结晶析出，在流体的冲刷作用下导致壁面上的成垢离子减少，结垢速率相应降低。

2集输系统防垢措施

针对集输系统的结垢问题，国内外防垢方法有很多，主要分为化学法和物理法。化学法是利用化学药剂的溶解性或者螯合作用阻止垢的生成；物理法是对采出水进行磁场或电场方面的处理以及采用超声波，通过物理仪器的功能抑制垢的形成。

2.1化学防垢

作业区集输系统使用的化学防垢方法为添加化学阻垢剂，通过阻止无机盐如 CaCO3、CaSO4等在管线壁面上结晶沉淀，达到防垢的目的。添加化学阻垢剂时需婴注意到以下几点：

（1）阻垢效果的测定。通过沉淀重量法或成垢离子平衡法来测定阻垢剂的阻垢效果。

（2）阻垢剂的配伍性实验。注入采出水中的试剂不只阻垢剂，还可能有缓蚀剂、破乳剂等，需要进行配伍性实验研究，确定最佳配伍量。

（3）阻垢剂的投加方式。阻垢剂应投加在结垢部位前，投入后需进行现场监测。

为研究阻垢剂对作业区集输系统的阻垢效果，测试了作业区现场阻垢剂不同浓度下阻垢效果，优选出阻垢剂的最佳浓度范同，并将阻垢剂与油田现场破乳剂进行配伍实验，评价阻垢剂与破乳剂两种药剂混合后的阻垢效果，得到配伍性最好的阻垢剂浓度。本文用作业区联合站内换热器的水质分析结果作为实验条件研究阻垢剂与破乳剂的配伍性，进行了针对性实验分析，从分析结果看出，单独使用阻垢剂时，浓度为30mg／L的阻垢剂阻垢效果最佳，阻垢率达到 86.2％；当阻垢剂与破乳剂共同使用时，浓度为 20mg／L的阻垢剂阻垢效果 最佳，阻垢率达到 86.8％，因此确定阻垢剂添加浓度为 20 mg／L。

2.2物理防垢

（1）磁场防垢

磁防垢技术投资小、效率高、无污染。主要是通过强磁场的作用，使油水中水分子及离子等产生取向运动，改变水的电荷状态，从而降低阴阳离子结合成粗大粒子的概率。磁场还可以改变晶核的生成速率及晶体生成过程，水中微品增多，不容易在金属表面结垢，从而达到防垢的目的。但复杂的水系统给磁防垢的研究带来很大难，存磁防垢机理方面还需深入探讨。

（2）电场防垢

电场防垢技术适用于任何类型的管材，安装施工方便。随着电子工业的快速发展，内外电场防垢技术分为静电场、电流场、交变电场三种类型。关于静电场防垢机理，全贞花等专家利用污垢热阻动态监测装置进行了高压静电抗垢实验。经高压静电处理后，其晶体形态发生了变化，壁面的附着力变小，从而达到防垢效果。关于电流场防垢机理，何俊等专家研究认为向水体施加直流电时，会产生微电解电场，这种电场在常温下增加水的溶解能力，高温下使水垢形状变松散达到防垢效果。关于交变电场防垢机理，研究人员初步探讨认为，静电斥力作用和晶体畸变作用减少了垢的沉积，然而电场防垢对各方面的参数匹配有一定要求，否则不能取得良好的防垢效果。

（3）超声波防垢

超声波防垢操作简单，效率较高，不污染环境。主要是利用超声波在管道设备中产生的剪切力，使垢的附着力降低并通过改变垢的物理形态，将形成的垢微粒粉碎脱落进入管输介质，达到防垢目的。针对作业区集输系统结垢问题，探究了超声波除垢仪的阻垢效果，在作业区联合站掺水泵出口汇管、掺水环线、两台换热器进口管线各安装了1台超声波除垢仪。超声波除垢仪安装后，有效缓解站外管网结垢情况，各掺水环线压力减小，降低了动力能耗，确保了系统运行安全。

3结束语

（1）通过对作业区集输系统的水质分析和垢样分析，发现水质中Ca²⁺、HCO₃^-、SO₄^2-等易结垢离子含量较高，确定垢样是碳酸盐及含铁腐蚀物，其主要成分为碳酸钙。

（2）利用实验室动态环道实验装置对集输系统含水结垢影响因素如温度、流速、离子浓度进行了实验研究，其中温度对结垢过程影响最大，溶液浓度影响次之，由于 CaCO₃二次成核结晶的作用，随着溶液浓度的增加，结垢速率先增大后减小；流速对结垢的影响最小，其影响结垢需要考虑到剥蚀率和沉积率的双重作用，本次实验中随着流速的改变，结垢速率没有明显变化。

（3）总结了目前常用的物理、化学防垢方法，推荐作业区采用超声波防垢和添加阻垢剂共同作用的防垢方法，并通过阻垢实验和现场试验表明，当阻垢剂质量浓度为2O mg／L时，阻垢率为 86.8％，与破乳剂配伍性最好。

参考文献：

[1] 陈晓凯，荆冬峰．原油集输管道CaCO₃结垢过程控制机理分析[J]．中国石油和化工.2017，22(3)：336-339．