王新強(qiáng)，蔣晶晶，陳曉春，張世虎，白海濤

(1.西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.長慶油田分公司 第三采氣廠，內(nèi)蒙古 烏審旗 017300； 3.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500)

陜北某氣田氣液降壓分離系統(tǒng)污水結(jié)垢原因分析及防垢方法研究

王新強(qiáng)1，蔣晶晶2，陳曉春2，張世虎2，白海濤3

(1.西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.長慶油田分公司 第三采氣廠，內(nèi)蒙古 烏審旗 017300； 3.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500)

針對陜北某氣田氣液降壓分離系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重的現(xiàn)象，通過分析站內(nèi)污水水質(zhì)、結(jié)垢產(chǎn)物組成、天然氣組成、污水配伍性和運(yùn)行工況等，找出結(jié)垢原因并提出相應(yīng)的處理措施。分析結(jié)果表明：結(jié)垢產(chǎn)物主要為CaCO3，污水中成垢離子含量高、污水不配伍、壓力驟降引起CO2分壓降低促進(jìn)CaCO3形成是氣液降壓分離系統(tǒng)結(jié)垢的主要原因。提出將阻垢劑加藥點移至計量分離器出口，投加100 mg/L的阻垢劑WT-225，防垢效果顯著。

氣液降壓分離系統(tǒng)；閃蒸分液罐；結(jié)垢預(yù)測；污水配伍性；防垢措施

陜北某氣田污水處理站建于2012年，為天然氣集氣和采出水處理功能于一體，日處理天然氣5×105m3、采氣水300 m3左右。采用閃蒸分液罐進(jìn)行氣水分離，主要處理1#井和2#井采出水(1#井和2#井采出水體積比約為3∶2)和少量外運(yùn)污水，設(shè)計污水處理規(guī)模500 m3/d。工藝流程見圖1。

圖1 陜北某氣田污水處理站工藝流程

閃蒸分液罐是降壓分離系統(tǒng)的主要裝置，由緩沖板、螺旋體、水封筒體、隔板和氣體整流器等部分組成，主要作用是對天然氣采出污水進(jìn)行閃蒸實現(xiàn)氣分液和放空，使用天然氣疏水閥排污代替手動或電動排液，防止了放空天然氣進(jìn)入污水處理系統(tǒng)和不能及時排污，增強(qiáng)了天然氣放空系統(tǒng)的安全性，減少了操作人員，降低了生產(chǎn)成本[1]。但閃蒸分液罐內(nèi)存在壓力突變，容易引起CaCO3結(jié)垢。

該污水處理站站內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重，運(yùn)行不到一年時間，閃蒸分液罐內(nèi)及出口到卸車池之間的管線結(jié)垢厚度達(dá)2 cm。垢物為黑色、層狀堅硬固體。為此，對該站污水水質(zhì)、天然氣組成、結(jié)垢產(chǎn)物組分、污水配伍性和運(yùn)行工況進(jìn)行分析來判斷結(jié)垢的主要原因并提出相應(yīng)的處理措施。

1 污水水質(zhì)分析

依照《SY/T 5523-2006油田水分析方法》分別對不同時間采集的1#井和2#井采出水進(jìn)行全面質(zhì)量分析，分析結(jié)果見表1。

由表1可見，采出水呈弱酸性，采出水水質(zhì)不穩(wěn)定、成分復(fù)雜、礦化度高。成垢離子含量高，可能產(chǎn)生碳酸鹽垢、硫酸鹽垢和硫酸鋇鍶；鐵離子含量高，也可能引起腐蝕和沉降堵塞產(chǎn)物[2]。因此，站內(nèi)污水具備潛在結(jié)垢條件。

2 天然氣組成分析

依照《GB/T 13610-2003 天然氣的組成分析氣相色譜法》分別對不同時間計量分離器采集的進(jìn)站天然氣進(jìn)行組成分析，主要組分分析結(jié)果見表2。

表1 采出水質(zhì)量分析結(jié)果

表2 天然氣組成分析結(jié)果

由表2可知：進(jìn)站天然氣中CO2含量高(體積分?jǐn)?shù)平均約4%)。計量分離器工作溫度為55 ℃、壓力為6 MPa，計量分離器中產(chǎn)出水溶解CO2量較大，CO2在水中可轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓岣吞妓釟涓?。因此，壓力較高時，水中主要存在Ca(HCO3)2，隨著壓力的降低，很容易形成碳酸鈣結(jié)垢[3]。

3 結(jié)垢產(chǎn)物組成分析

采用化學(xué)容量法[4]對閃蒸分液罐出口管線內(nèi)結(jié)垢產(chǎn)物進(jìn)行組成分析，為結(jié)垢原因分析提供依據(jù)。分析結(jié)果見表3。

由表3可見，污水處理站結(jié)垢產(chǎn)物主要為CaCO3、CaSO4和BaSO4含量較少。因此，1#井和2#井采出水可能存在不配伍，需對2種水混合后的碳酸鈣結(jié)垢趨勢進(jìn)行研究。

表3 結(jié)垢產(chǎn)物組分分析

4 污水配伍性分析

結(jié)CaCO3垢與污水水質(zhì)、溫度、壓力和CO2分壓等有關(guān)[5-6]。由于站內(nèi)管線外有保溫層，產(chǎn)出水溫度從計量分離器至卸車池變化不大(約為55 ℃)，因此溫度變化不是站內(nèi)結(jié)垢的主要影響因素。計量分離器內(nèi)壓力為6 MPa，閃蒸分液罐內(nèi)壓力為常壓，壓力驟降導(dǎo)致CO2分壓減小，產(chǎn)出水中CO2釋放，HCO3-分解生成CO32-，導(dǎo)致CaCO3結(jié)垢加劇[7-10]。CaCO3結(jié)垢反應(yīng)方程式如下：

Ca2++2HCO3-→CaCO3↓+CO2↑+H2O

因此，選擇《SY/T 0600-2009 油田水結(jié)垢趨勢預(yù)測》中考慮壓力和溫度的Oddo-Tomson飽和指數(shù)法預(yù)測1#井和2#井產(chǎn)出水混合后的CaCO3結(jié)垢趨勢。Oddo-Tomson飽和指數(shù)法預(yù)測CaCO3結(jié)垢判別方法是IS>0，結(jié)垢；IS=0，臨界狀態(tài)；IS<0，不結(jié)垢。1#井和2#井采出水水質(zhì)取表1中的3次水樣分析結(jié)果的平均值，體積比為3∶2，天然氣產(chǎn)量為5×105m3/d，產(chǎn)水量為300 m3/d，CO2體積分?jǐn)?shù)為4%。預(yù)測溫度選取閃蒸分液罐工作溫度55 ℃，預(yù)測壓力從6 MPa降至0.1 MPa，預(yù)測結(jié)果見表4。

表4 不同壓力下產(chǎn)出水CaCO3結(jié)垢趨勢預(yù)測結(jié)果

由表4可見，產(chǎn)出水配伍性分析和結(jié)垢產(chǎn)物組成分析結(jié)果相符，1#井和2#井產(chǎn)出水混合后化學(xué)不穩(wěn)定，配伍性差，壓力下降后存在嚴(yán)重的CaCO3結(jié)垢趨勢。由此可見，污水處理站結(jié)垢的主要原因之一為產(chǎn)出水不配伍。所以，產(chǎn)出水不配伍和閃蒸分液罐內(nèi)壓力驟降共同決定了閃蒸分液罐到卸車池之間的管線結(jié)垢嚴(yán)重。

5 阻垢劑的篩選及加量確定

化學(xué)防垢為最常用的防垢方法，陜北某氣田污水處理站采用投加阻垢劑進(jìn)行污水防垢處理。污水處理站結(jié)垢產(chǎn)物主要為CaCO3，因此需選取CaCO3垢型阻垢劑。依據(jù)《Q/SY 126-2007油田水處理用緩蝕阻垢劑技術(shù)要求》在目前油田常用的5種阻垢劑中以碳酸鈣阻垢率為指標(biāo)進(jìn)行篩選。篩選結(jié)果見圖2。

圖2 CaCO3型阻垢劑的篩選

由圖2可見，5種阻垢劑中WT-225的CaCO3阻垢率最高，選取WT-225為陜北某氣田污水處理站用阻垢劑，并對其加量進(jìn)行確定。

將1#井產(chǎn)出水和2#井產(chǎn)出水分別用0.45 μm微孔濾膜過濾，按V(1#井產(chǎn)出水)∶V(2#井產(chǎn)出水)=3∶2混合均勻，混合后水樣總體積為200 mL，作為空白。同時將過濾后的產(chǎn)出水按照上述比例混合，分別加入質(zhì)量濃度為60 mg/L、80 mg/L、100 mg/L、120 mg/L的WT-225，55 ℃下放置24 h，分別測定阻垢率，從而確定阻垢劑的最佳質(zhì)量濃度。測定結(jié)果見圖3。

圖3 WT-225質(zhì)量濃度的確定

由圖3可見，阻垢率隨著WT-225質(zhì)量濃度的增加而增加，當(dāng)WT-225質(zhì)量濃度達(dá)到100 mg/L后，增加WT-225加量，阻垢率基本不再增加。因此，確定WT-225的質(zhì)量濃度為100 mg/L。

6 防垢處理改造措施

由污水處理站流程圖(圖1)可見，原有緩蝕阻垢劑加藥位置在凈化罐之前，只能緩解凈化罐回注污水的結(jié)垢，而站內(nèi)主要存在的問題是站內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重。因此，將緩蝕阻垢劑加藥點前移至計量分離器出口部位，使緩蝕阻垢劑對整個處理站污水起到阻垢作用。對站內(nèi)加藥流程進(jìn)行改造后，運(yùn)行半年未發(fā)現(xiàn)降壓分離系統(tǒng)有明顯結(jié)垢。因此，阻垢劑加藥點前移至閃蒸分液罐前，選取WT-225質(zhì)量濃度100 mg/L作為陜北某氣田天然氣處理廠防垢改造措施是成功的。

7 結(jié) 論

(1)污水處理站污水主要來源1#井和2#井采出水中的成垢離子含量高，由結(jié)垢預(yù)測可知污水不配伍，存在嚴(yán)重的CaCO3結(jié)垢趨勢。

(2)閃蒸分液罐中壓力驟降，CO2分壓減小，導(dǎo)致CaCO3結(jié)垢加劇，使得閃蒸分液罐及其到卸車池之間的管線結(jié)垢最為嚴(yán)重。

(3)提出將緩蝕阻垢劑加藥點前移至閃蒸分液罐進(jìn)口，投加篩選出的CaCO3型緩蝕阻垢劑WT-225(質(zhì)量濃度為100 mg/L)作為站內(nèi)防垢處理改造措施，運(yùn)行半年未發(fā)現(xiàn)降壓分離系統(tǒng)明顯結(jié)垢，改造效果顯著。

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責(zé)任編輯：董 瑾

2014-09-28

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(編號：2011KTZB01-04)；西安石油大學(xué)博士科研啟動基金項目(編號：2013BS007)

王新強(qiáng)(1966-)，男，副教授，主要從事油氣田環(huán)境污染治理研究。E-mail：xianwxq@xsyu.edu.cn

1673-064X(2015)02-0080-04

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