劉孝根 吳曉紅 倪利剛 張中清 張宏凱

(1. 合肥通用機(jī)械研究院；2.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)分公司)

含聚合物原油螺旋板換熱器堵塞原因分析及改進(jìn)*

劉孝根**1吳曉紅1倪利剛1張中清1張宏凱2

(1. 合肥通用機(jī)械研究院；2.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)分公司)

針對某原油處理廠含聚合物原油的可拆式堵死型螺旋板換熱器在運(yùn)行中出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞問題進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)堵塞原因較復(fù)雜，主要是由于原油在換熱器中流速較低，原油中攜帶的Ca2+、Mg2+等離子形成的微晶以及采出液中攜帶的泥沙等雜質(zhì)在重力作用下沉淀在換熱器換熱壁面所致。根據(jù)分析結(jié)果提出了換熱器改進(jìn)方案，并對改進(jìn)的換熱器樣機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，取得了預(yù)期的效果。

螺旋板換熱器 聚合物驅(qū)油 堵塞 高粘度原油

聚合物驅(qū)油是目前化學(xué)驅(qū)油中發(fā)展最快也是很有潛力的一種增產(chǎn)措施，在各種化學(xué)驅(qū)油方法中，聚合物驅(qū)油是唯一一種經(jīng)過一定規(guī)模的工業(yè)性實驗而獲得較好效果的方法[1～3]。目前我國已經(jīng)成為世界上使用聚合物驅(qū)技術(shù)規(guī)模最大、增產(chǎn)效果最好的國家[4]。聚合物驅(qū)油在保證我國原油穩(wěn)定生產(chǎn)中發(fā)揮著不可替代的作用。隨著聚合物采油技術(shù)的推廣應(yīng)用，開采面積及產(chǎn)量不斷增加，注聚采出液中聚合物含量也不斷提高。

目前，對注聚采出液的處理存在較大困難。一方面，聚合物的加入使原油粘度增大，油水分離速度減慢，油水沉降分離困難。表現(xiàn)出在常規(guī)分離溫度和沉降時間下，油水沉降分離后污水含油量和油中含水率都超標(biāo)，且隨注聚濃度的增加而增高。另一方面，由于注聚物對泥沙混和液中固體雜質(zhì)有很強(qiáng)的吸附性，使采出液中泥沙攜帶量增大，換熱器結(jié)垢和堵塞嚴(yán)重，造成電脫平臺不能正常運(yùn)行。注聚采出液造成換熱器堵塞、換熱效率下降[5,6]，脫水困難、電脫系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，生產(chǎn)污水嚴(yán)重超標(biāo)，影響原油的處理和輸送，對整個原油生產(chǎn)工藝流程都造成不利影響。

這些問題嚴(yán)重影響油田正常生產(chǎn)任務(wù)的完成，必須對其提出有效的解決方案。筆者針對綏中某原油處理廠含聚合物原油的換熱設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)改進(jìn)方案。

1 原油換熱器運(yùn)行情況

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。該種螺旋板換熱器的結(jié)構(gòu)特點是螺旋通道兩端面交錯焊死，兩端面的密封采用端蓋加墊片的密封結(jié)構(gòu)，原油和換熱介質(zhì)在螺旋通道內(nèi)逆流流動，螺旋通道內(nèi)可由兩端分別進(jìn)行清洗。然而，可拆式堵死型螺旋板換熱器存在嚴(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)計溫度120℃。換熱器結(jié)垢速度快，清洗耗時。清洗作業(yè)組常駐現(xiàn)場對7組換熱器(一組2個)進(jìn)行循環(huán)清洗。清洗時需要拆卸頂端，平均1臺換熱器清洗時間為2天左右。

2 換熱器堵塞問題分析

對電脫平臺加熱器開蓋檢查發(fā)現(xiàn)，換熱器內(nèi)部有大量柱狀固體物堆積，直徑約15mm，長約20～100mm。

2.1堵塞物組成和結(jié)構(gòu)分析

對含聚合物原油進(jìn)行脫油抽提處理后分析抽余物的組成和結(jié)構(gòu)。經(jīng)分析，堵塞物由油和不溶物組成，兩者分別占53%和47%。不溶物主要成分是方解石Ca1.11Mg0.89(CO3)2和纖維蛇紋石Mg3Si2O5(OH)4，兩者約占不溶物的86%。定量分析結(jié)果見表1。

表1 不溶物的組成和含量 %

2.2換熱器堵塞影響因素

經(jīng)分析，堵塞物的形成與流體本身的性質(zhì)、組成(尤其是聚丙烯酰胺(HPAM)含量)、流速、流速與重力場的相對方位、流道的結(jié)構(gòu)、溫度、雜質(zhì)含量、傳熱元件表面狀況以及系統(tǒng)壓力等諸因素有關(guān)[7,8]，其形成是一個復(fù)雜的過程。

2.2.1注聚物的影響

采油過程中加入聚合物HPAM使原油粘度增大，原油在換熱器中流速降低。低流速促進(jìn)了原油中微晶的沉積。同時，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。

2.2.2流速

高流速可將結(jié)垢減少到最低程度。但高流速要求泵具有較高的抽吸功率，介質(zhì)具有較低的粘度。經(jīng)測定，含聚合物原油溫度在40～110℃時對應(yīng)的粘度為相同溫度下為水的4×106倍[6]。原油較高的粘度決定其在換熱器內(nèi)流速要比水等常見介質(zhì)小得多。對螺旋板換熱器而言，螺旋通道中水或相似水溶液的參考速度范圍為0.7～2.5m/s[10], 雷諾數(shù)Re>2300，流動一般處于湍流狀態(tài)。對于含聚合物原油，在換熱器中流速較低，雷諾數(shù)Re<2300，流動均處于層流狀態(tài)。

由此可見，因采出液中含有聚合物，使液體粘度增大，流速減小，流動緩慢，流動處于層流狀態(tài)，原油中結(jié)垢微晶容易沉積，加速了堵塞物(垢)的形成。

2.2.3流速與重力場的相對方位

含聚合物原油在換熱器中流速很低，處于層流狀態(tài)。在流通通道截面上，流速在壁面處為零，往中心方向逐漸增大，至中心達(dá)到最大值?？拷诿娓浇魉俸艿?，流動緩慢。筆者以原油在圓管中層流流動為例分析重力場方位對結(jié)垢的影響(圖1)。

圖1 圓柱形流體上的受力

圖1表示流體通過一均勻直管作定態(tài)流動。在圓管內(nèi)，以管軸為中心，任取一半徑為r，長度為l的流動圓柱，對該圓柱體進(jìn)行受力分析。

兩端面上的壓力：

F1=πr2p1

(1)

F2=πr2p2

(2)

外表面上的剪切力：

(3)

圓柱體的重力：

Fg=πr2lρg

(4)

式中p1、p2——兩端面中心處的壓強(qiáng)，Pa；

τ——圓柱體外表面上所受的剪應(yīng)力，Pa；

ρ——流體密度，kg/m3。

因流體在均勻直管內(nèi)作勻速運(yùn)動，各外力之和必為零，即：

F1-F2+Fgsinα-F=0

(5)

代入整理得：

(6)

即：

(7)

可積分為：

(8)

式中Δp=p1-p2為兩截面的壓力降，因而產(chǎn)

生朝向流體流動方向的推力πr2(p1-p2)=πr2Δp，以平衡粘性阻力和重力。因緊貼在管壁上的運(yùn)動速度為零：r=rw，u=0。代入式(8)可求得積分常數(shù)：

(9)

再代回積分式中，得到：

(10)

當(dāng)α=-90°，即垂直向上流動時，sinα=-1：

(11)

當(dāng)α=0°，即水平流動時，sinα=0：

(12)

當(dāng)α=90°，即垂直向下流動時，sinα=1：

(13)

圖2 圓管內(nèi)原油層流流動流速分布

流速隨半徑變化的拋物線開口大小對靠近管壁流速產(chǎn)生影響，進(jìn)而對結(jié)垢產(chǎn)生影響。眾所周知，較高的流速可將結(jié)垢減少到最低程度，甚至?xí)乐构傅男纬伞那拔姆治隹芍?90°時靠近管壁的流速最大。較大流速使得污垢不易在管壁沉積。同時，較大流速對已經(jīng)形成的污垢也起到?jīng)_刷作用。

2.2.4流道結(jié)構(gòu)

合理的換熱器流道結(jié)構(gòu)使流體在流動中均勻、順暢且無死區(qū)，有助于防止離子形成的微晶沉積結(jié)垢和阻力降的增加。

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，流動緩慢，流速方向與重力場方向垂直，靠近管壁流速較低，容易造成微晶在換熱器壁面沉積。

2.2.5溫度

流體溫度是影響結(jié)垢程度的關(guān)鍵參數(shù)。研究表明溫度是影響碳酸鈣、碳酸鎂在水中溶解度的一個重要因素。絕大部分鹽類在水中的溶解度都隨溫度升高而增大，但碳酸鹽、硫酸鹽在溫度升高時溶解度反而下降[12]。原油中含有較多Ca2+、Mg2+及CO32-等離子，溫度升高，溶解度下降，結(jié)垢加劇。

3 改進(jìn)措施

螺旋板換熱器由兩塊長條形的金屬板圍繞軸心卷制而成，形成兩個螺旋式通道。螺旋板換熱器按結(jié)構(gòu)形式可分為不可拆式和可拆式。可拆式螺旋板換熱器又分為兩種：一種結(jié)構(gòu)特點是螺旋通道兩端面交錯焊死，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；另一種螺旋板換熱器結(jié)構(gòu)特點是一個通道兩端焊死，另一個通道兩端全部敞開，敞開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。其一側(cè)流體呈螺旋流動，另一側(cè)流體穿越螺旋體呈軸向流動。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。

可拆式貫通型螺旋板換熱器流道結(jié)構(gòu)特點使流體在流動時均勻、順暢、無死區(qū)[13]，有助于防止離子形成的微晶沉積結(jié)垢。與可拆式堵死型螺旋板換熱器相比，原油可采取自上而下流動，流動方向與重力場方向一致，靠近流道壁流速較大，不易發(fā)生沉積結(jié)垢。

可拆式貫通型螺旋板軸向通道流通面積比螺旋通道一側(cè)大，流程較短，傳熱效果沒有全螺旋型效果好。但其直通道流動阻力小，可通過多個換熱器軸流側(cè)串聯(lián)解決傳熱問題。

為驗證可拆式貫通型螺旋板換熱器對含聚合物原油防堵塞的適應(yīng)性，設(shè)計制作了貫通型螺旋板換熱器樣機(jī)，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。試驗中含聚合物原油流經(jīng)換熱器軸向流道，至上而下流動。換熱器運(yùn)行一個月以來未出現(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

可拆式堵死型螺旋板換熱器出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞問題是由于含聚合物原油在換熱器中流速較低，原油中攜帶的Ca2+、Mg2+等離子形成的微晶以及注聚采出液中攜帶的泥沙等雜質(zhì)在重力作用下沉淀在換熱器換熱壁面所致。直管層流定態(tài)流動分析結(jié)果表明：管內(nèi)流速u隨半徑r按拋物線關(guān)系變化。二次項系數(shù)在α區(qū)間[-90°,90°]內(nèi)，隨α增大而增大。隨增大拋物線開口增大，曲線形狀由“尖銳”變“飽滿”，靠近管壁流速增大。α較大時，靠近管壁流速較大，微晶不容易在換熱器壁面沉積。同時，較大流速對已經(jīng)形成的污垢具有清潔作用。通過樣機(jī)的現(xiàn)場試驗說明可拆式貫通型螺旋板換熱器可有效解決含聚合物原油的堵塞問題。

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*合肥通用機(jī)械研究院2012年度青年科技基金資助項目(2012011082)。

**劉孝根，男，1982年9月生，工程師。安徽省合肥市，230088。

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