劉孝根 倪利剛 江慧豐 吳曉紅 張明然

(合肥通用機(jī)械研究院)

聚合物驅(qū)油是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一項(xiàng)三次采油技術(shù)，它是向水中加入高分子量的聚合物，從而使其粘度增加，改善驅(qū)替相與被驅(qū)替相間的流度比，擴(kuò)大波及體積，以提高原油采收率的一種技術(shù)措施。目前我國(guó)已經(jīng)成為世界上使用聚合物驅(qū)技術(shù)規(guī)模最大、增產(chǎn)效果最好的國(guó)家[1～3]。隨著聚合物采油技術(shù)的推廣應(yīng)用，開采面積和產(chǎn)量不斷增加，采出液中聚合物含量也不斷提高，給整個(gè)采油工藝流程，尤其是原油脫水和污水處理帶來影響。目前，對(duì)于采出液的處理存在較大困難。以綏中某電脫水平臺(tái)為例，該平臺(tái)主要作用是通過電脫水器對(duì)平臺(tái)一期、二期及周邊平臺(tái)含聚合物原油進(jìn)行脫水處理，以減少下游終端處理廠的外排污水量，脫出的生產(chǎn)污水處理合格也可以作為注水的水源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。該平臺(tái)換熱器結(jié)垢呈現(xiàn)出速度快、周期短及清理困難等特點(diǎn)。換熱器從投入運(yùn)行至發(fā)現(xiàn)問題僅一個(gè)月時(shí)間，管殼式換熱器只能清理管束，每臺(tái)耗時(shí)12天。電脫原油換熱器堵塞已經(jīng)引起換熱效率下降的問題。同時(shí)，注聚工藝造成原油乳化嚴(yán)重，脫水困難。根據(jù)設(shè)計(jì)，電脫水平臺(tái)需要將來液脫水至1%，但目前實(shí)際只能脫水至5%～10%。為此，需要更換換熱設(shè)備。

1 運(yùn)行現(xiàn)狀

在運(yùn)行期間，平臺(tái)各個(gè)換熱設(shè)備均出現(xiàn)問題。油-油加熱器、油-水換熱器和原油加熱器原油側(cè)均存在壓降變大的問題。為防止流程憋壓，需打開設(shè)備旁通才能維持運(yùn)行。以原油加熱器為例，在生產(chǎn)過程中進(jìn)行測(cè)試，單臺(tái)進(jìn)料泵流量在235m3/h運(yùn)行，回流閥開度為23%的情況下，加熱器進(jìn)口壓力為550～570 kPa，出口壓力為220kPa，壓降為330～350kPa，遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)壓降45kPa。海水冷卻器也存在降溫效果不好的問題，在3臺(tái)海水冷卻器同時(shí)投用的情況下，原油冷卻效果極差，只能從65℃降至63℃，遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。海水冷卻器管束臟堵照片如圖1所示，可以看出，堵塞物為黑色膠狀物，換熱管基本已被堵塞物覆蓋，部分換熱管間隙已被堵死。

圖1 海水冷卻器殼程堵塞照片

綏中陸地原油處理廠采用通過性較好的可拆式堵死型螺旋板換熱器。然而這種換熱器也存在嚴(yán)重的堵塞問題。換熱效率達(dá)不到要求，換熱器出口溫度為93℃，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)溫度120 ℃。換熱器結(jié)垢速度快，清洗耗時(shí)。清洗作業(yè)組常駐現(xiàn)場(chǎng)對(duì)7組換熱器(每組兩個(gè))進(jìn)行循環(huán)清洗，清洗時(shí)需要拆卸頂端，平均一個(gè)換熱器的清洗時(shí)間為兩天左右。

2 堵塞成因分析

2.1 堵塞物組成和成分分析

對(duì)電脫平臺(tái)加熱器開蓋檢查發(fā)現(xiàn)，在殼程側(cè)排放物中(熱介質(zhì)油)排出大量的原油和污水，說明管程側(cè)原油已泄漏到殼程側(cè)。浮頭蓋內(nèi)部有大量柱狀固體物堆積，直徑約15mm，長(zhǎng)約20～100mm。對(duì)含聚合物原油進(jìn)行脫油抽提處理，然后對(duì)抽余物進(jìn)行組成和成分分析。經(jīng)分析，堵塞物由油與不溶物兩部分組成，兩者分別占53%和47%。堵塞物中不溶物成分主要是方解石Ca1.11Mg0.89(CO3)2和纖維蛇紋石Mg3Si2O5(OH)4，具體成分見表1。

表1 堵塞物中的不溶物成分

2.2 堵塞物沉積機(jī)理分析

合理的換熱器流道結(jié)構(gòu)使流體均勻、順暢、無死區(qū)流動(dòng)，有助于防止離子形成的微晶沉積結(jié)垢和阻力降的增加。對(duì)管殼式換熱器而言，殼程或管程存在多處流動(dòng)死角，如殼程進(jìn)出口處、折流板區(qū)域及管程管箱布管區(qū)邊緣處等，在這些“滯區(qū)”部位容易形成沉積，促進(jìn)污垢形成。

可拆式堵死型螺旋板換熱器兩側(cè)通道均為螺旋通道，冷熱側(cè)可實(shí)現(xiàn)純逆流換熱。因此，換熱效率較高。但是原油走螺旋通道，流動(dòng)緩慢，流速方向與重力場(chǎng)方向垂直，靠近管壁流速較低，容易造成微晶在換熱器換熱壁面沉積。

采油過程中加入聚合物聚丙烯酰胺(HPAM)，使原油粘度增大[4,5]，原油在換熱器中流速降低。同時(shí)，原油粘度的提高增加了采油過程中攜帶泥沙等雜質(zhì)的量，促進(jìn)了堵塞物的形成。采出液中攜帶的HPAM與Ca2+、Mg2+等高價(jià)離子形成的微晶以及采出液中攜帶的泥沙等雜質(zhì)在重力作用下在管殼式、可拆式堵死型螺旋板換熱器換熱壁面以及“滯流區(qū)”沉淀，采出液中的易結(jié)晶離子Ca2+，Mg2+, Sr2+, Ba2+, HCO3-, SiO32-等就以上述微晶為晶核，快速生長(zhǎng)，以Ca1.11Mg0.89(CO3)2和Mg3Si2O5(OH)4等形式結(jié)晶沉積。然后不斷地有垢和少量粘土、泥沙和鐵銹沉積。垢的混合物形成后再吸附重質(zhì)油，繼而形成了堵塞物。

3 可拆式貫通型螺旋板換熱器

結(jié)合目前含聚合物原油特性和生產(chǎn)運(yùn)行情況，含聚合物原油換熱器技術(shù)要求如下：

a. 熱側(cè)、冷側(cè)設(shè)計(jì)壓力不超過2.5MPa，設(shè)計(jì)溫度250℃；

b. 基于聚合物驅(qū)油工藝，原油側(cè)含較多聚合物，導(dǎo)致原油側(cè)粘度較大，流動(dòng)速度較慢，容易沉積結(jié)垢、堵塞，因此要求換熱器流道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原油側(cè)流道順暢、無死區(qū)，防堵塞能力強(qiáng)；

c. 流道方位豎直排布為宜，流速實(shí)現(xiàn)與重力方向一致，有利于防止原油中微晶在換熱器壁面沉積結(jié)垢；

d. 另一側(cè)介質(zhì)較清潔，粘度較小。

螺旋板換熱器按結(jié)構(gòu)形式可分為不可拆式和可拆式?？刹鹗铰菪鍝Q熱器又分為兩種：一種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是螺旋通道兩端面交錯(cuò)焊死，兩端面的密封采用端蓋加墊片的密封結(jié)構(gòu)，螺旋通道內(nèi)可由兩端分別進(jìn)行清洗，稱為可拆式堵死型螺旋板換熱器；另一種可拆式螺旋板換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是一個(gè)通道兩端焊死，另一個(gè)通道兩端全部敞開，兩端面采用封頭端蓋結(jié)構(gòu)，稱為可拆式貫通型螺旋板換熱器。可拆式貫通型螺旋板換熱器一側(cè)流體呈螺旋流動(dòng)，另一側(cè)流體穿越螺旋體呈軸向流動(dòng)。軸流側(cè)流道寬且為兩端全部敞開結(jié)構(gòu)，可方便采用機(jī)械清洗，如圖2所示。

圖2 可拆式貫通型螺旋板換熱器

隨著我國(guó)制造技術(shù)的進(jìn)步，螺旋板換熱器技術(shù)水平已經(jīng)取得長(zhǎng)足發(fā)展。產(chǎn)品與國(guó)外同類產(chǎn)品在總體技術(shù)水平、使用功能方面已十分接近。耐壓方面，可拆式結(jié)構(gòu)的最高工作壓力達(dá)2.5MPa，不可拆式結(jié)構(gòu)最高工作壓力可達(dá)10MPa。使用溫度方面，可拆式可按照墊片使用溫度確定，不可拆式按照鋼材使用溫度要求。2003年我國(guó)頒布了螺旋板換熱器的設(shè)計(jì)制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T4751《螺旋板式換熱器》，目前國(guó)產(chǎn)螺旋板換熱器已經(jīng)完全滿足含聚合物原油生產(chǎn)中對(duì)換熱器耐壓能力與使用溫度的要求。

與管殼式換熱器相比，可拆式貫通型螺旋板換熱器流道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流道均勻、順暢、無死區(qū)[6]，有助于防止離子形成的微晶沉積結(jié)垢。因此，螺旋板換熱器的污垢熱阻較小，僅為管殼式換熱器污垢熱阻的70%左右[7]。對(duì)于已經(jīng)沉積形成的污垢，因其換熱器流道結(jié)構(gòu)單一，一旦流道某處污垢沉積，該處的流通面積減小，流體在該處的局部流速相應(yīng)提高。污垢較易被沖刷掉，因此其具有一定的自潔作用。

與可拆式堵死型螺旋板換熱器相比，可拆式貫通型螺旋板換熱器軸向流道結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)原油至上而下流動(dòng)，流動(dòng)方向與重力場(chǎng)方向一致，在重力作用下，靠近流道壁流速較大，污垢不易在管壁沉積。另外，由于可拆式貫通型螺旋板換熱器長(zhǎng)徑比值比管殼式換熱器小，層流區(qū)的傳熱系數(shù)較大，很適于高粘度流體的加熱或冷卻。

為驗(yàn)證可拆式貫通型螺旋板換熱器對(duì)含聚合物原油防堵塞的適應(yīng)性，設(shè)計(jì)制作了貫通型螺旋板換熱器樣機(jī)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中含聚合物原油流經(jīng)換熱器軸向流道，自上而下流動(dòng)。換熱器運(yùn)行一個(gè)月以來，未出現(xiàn)堵塞情況。說明貫通型螺旋板換熱器可有效解決原油側(cè)的堵塞問題。

4 結(jié)束語

可拆式貫通型螺旋板換熱器軸向流道流通截面積較大，流道無死區(qū)。流道結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)原油從上而下流動(dòng)，流動(dòng)方向與重力場(chǎng)方向一致，有助于防止離子形成的微晶沉積結(jié)垢。對(duì)粘度較高的流體或含有顆粒的流體有較好的適應(yīng)性。有效解決了含聚合物原油脫水處理過程中換熱器的堵塞問題。目前我國(guó)多數(shù)油田處于二次采油晚期，三次采油開采面積不斷擴(kuò)大，隨著聚合物驅(qū)油技術(shù)在三次采油中的推廣，可拆式貫通型螺旋板換熱器有廣闊應(yīng)用前景。

[1] 韓淑娟，徐文林，潘衛(wèi)國(guó). 聚驅(qū)上、下返封堵新工藝[J]. 新疆石油科技，2004 ,4(14):20～22.

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