尹豐豐，燕永利**，牛夢龍，朱西柱，賀炳成，豆龍龍

(1. 西安石油大學化學化工學院，陜西西安 710065；2. 中國石油股份有限公司長慶油田分公司采油十廠，甘肅慶城 745100)

工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中傳熱面上的結垢現(xiàn)象一直被人們關注，有效降低管線中的結垢速率，實現(xiàn)持續(xù)的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，已成為石油工程領域研究的熱點之一[1]。為保持油藏壓力，提高采收率，我國大部分油田采用注水開發(fā)方式，同時對采出水進行回灌，減少環(huán)境污染，節(jié)約能源[2-4]。但隨著油田開發(fā)進入中后期高含水階段，在成垢離子濃度、異型水混合、集輸液壓力、溫度等多種因素的綜合作用下，管線中原離子平衡狀態(tài)被打破，導致地面集輸管線常會出現(xiàn)結垢現(xiàn)象[5]。在原油開采過程中，地面集輸管線結垢一方面會減小可流通截面積，降低輸送效率，增加能耗，另一方面會造成垢下腐蝕，甚至穿孔，必須每隔一段時間對結垢嚴重的管段進行酸洗或停產(chǎn)維修，增加了管線維護費用，嚴重影響了油田的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟效益[6]。針對集輸管線結垢問題，我國大多數(shù)油田采用向管線中加注化學阻垢劑來螯和其中的結垢性陽離子，抑制其與陰離子發(fā)生反應，進而防止結垢。油田采出水成分復雜，經(jīng)常是多種結垢性離子共同存在，單一阻垢劑無法完全解決結垢問題，同時，將多種阻垢劑組合使用會因為用量大對水體或地層產(chǎn)生污染。白鵬凱等[7]研究發(fā)現(xiàn)，隨著采出液含水量的增加，阻垢劑的應用效果逐漸變差，阻垢劑的長期使用不但會使水體富營養(yǎng)化，加劇管線微生物腐蝕，還會污染環(huán)境，對人體健康產(chǎn)生危害。針對阻垢劑使用中存在的弊端，筆者通過對采出水水質的分析以及對管線中垢樣成分的檢測，分析了集輸管線的結垢成因，采用集中誘導成垢技術，將垢提前沉積，減緩了后期管線及工藝設備中的結垢速率，為解決工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中集輸管線的結垢問題提供了一種的選擇。

1 試驗部分

1.1 主要試劑及儀器

主要試劑：水樣、垢樣與阻垢劑，均取自華慶油田地區(qū)。

主要儀器：101-1AB 電熱恒溫鼓風干燥箱，上海試驗儀器有限公司；SHZ-D(III)循環(huán)水式多用真空泵，鞏義市英峪予華儀器廠；JOANLAB 玻璃砂芯真空過濾裝置，寧波群安實驗儀器有限公司；DMAX-2400 X 射線衍射儀，北京理化賽思科技有限公司；ICAP-6000 原子發(fā)射光譜儀，賽默飛世爾科技(中國)有限公司西安分公司。

1.2 試樣分析方法

1.2.1 水質分析

參照SY/T 5523—2000《油氣田水分析方法》、SY/T 5329—94《碎屑巖油藏注水水質推薦指標及分析方法》對水樣中結垢性陰離子含量進行測定。水樣中結垢性陽離子含量(w，下同)測定方法為：對水樣進行過濾、溶劑萃取等預處理后，取1 mL處理液用超純水配制的(w)1% HNO3稀釋至100 倍，然后利用ICAP-6000 原子發(fā)射光譜儀，測定其中的結垢性陽離子含量[9-11]。

1.2.2 垢樣分析

取部分現(xiàn)場垢樣放在120 ℃下的烘箱內(nèi)烘干至恒重，稱質量為m1，使用石油醚進行索式抽提后靜置約6 h，取出烘干至質量不變，稱質量為m2[12-13]。依據(jù)式(1)計算有機雜質的質量分數(shù)ωm。

此時，垢樣中有機雜含量為ωm，將剩余固體粉末采用DMAX-2400 X 射線衍射儀進行組分分析[14]。

1.2.3 阻垢劑應用評價

依據(jù)SY/T 5673—93《油田用防垢劑性能評定方法》標準，利用元17 增總機關水樣對常用的4種阻垢劑進行阻垢效果測試。

1.3 集中誘導成垢技術的應用

為了防止管線結垢影響正常生產(chǎn)，油田中大多采用向管線中加注化學阻垢劑的方法來預防結垢，但隨著回灌次數(shù)增多，會出現(xiàn)采出水水質復雜、阻垢效果差、污染環(huán)境且經(jīng)濟性較差等的問題。因此，筆者采用了集中誘導成垢技術以減緩集輸管線結垢問題，其工藝流程如圖1 所示。

圖1 集中誘導成垢技術工藝流程

為了檢驗集中誘導成垢技術的應用效果，分別進行了室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗，具體方法如下：①室內(nèi)試驗。在裝置前端和后端分別懸掛3 片與管道材質相同的掛片，然后將集中成垢裝置置于正常運行狀態(tài)30 d。采用防垢率指標評價防垢效果。裝置前后設置2 個觀察點懸掛掛片，掛片單位面積結垢速率為同一掛片前后質量差值與掛片表面積的比值，防垢率為前、后端結垢速率差值與前端結垢速率的比值。②現(xiàn)場試驗。將集中誘導結垢器置于元17增總機關正常狀態(tài)運行24 h 后，垢體收集1 次；正常運行7 d 后清理垢體并進行記錄。試驗過程中每天對總機關取樣分析，對結垢量進行理論計算，同時對試驗條件進行詳細記錄，記錄內(nèi)容包括加熱爐出口流體溫度、除垢器來液流量、每次收集的垢體質量，比較垢體質量與理論結垢量。

2 結果與討論

2.1 某油田地區(qū)集輸管線結垢現(xiàn)狀

隨著采出井綜合含水量的逐步上升，各增壓站、接轉站及區(qū)塊總集輸管線結垢情況日趨嚴重，對該地區(qū)目前部分站點的平均除垢周期進行了總結，其結果如表1 所示。

表1 不同站點平均除垢周期

由表1 可見：不同增壓站或接轉站結垢情況相近，平均除垢周期均約為75 d，除垢間隔較短，表明該地區(qū)結垢情況較為嚴重。

2.2 水樣分析

油田采出水成分復雜、礦化度較高，在集輸過程中，采出水中含有的結垢性離子CO32-、HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Ba2+會發(fā)生反應產(chǎn)生沉淀，造成管線堵塞，影響正常生產(chǎn)。對采出水進行水質分析，有利于管線結垢成因的明確及防垢方法的選擇。結垢性離子分析結果如表2 所示。

表2 不同站點結垢性離子質量濃度 ρ: mg·L-1

由表2 可見：取自不同站點的14 個水樣中，結垢性陽離子質量濃度平均約為150 mg/L，結垢性陰離子(HCO3-+CO32-)質量濃度大多高于200 mg/L，少數(shù)還超過了1 500 mg/L，SO42-質量濃度平均約為30 mg/L。結垢性離子普遍含量較高，較易成垢。不同站點平均除垢周期與離子質量濃度的關系如圖2 所示。

圖2 不同站點平均除垢周期與Ba2++Sr2+、SO42-含量關系

由圖2 可以看出，不同站點的成垢離子中，SO42-的含量與Ba2++Sr2+的含量呈現(xiàn)相反的趨勢，SO42-多，則Ba2+與Sr2+少。而水樣中SO42-的含量相對偏低，說明結垢問題的關鍵在于SO42-的含量，并且SO42-的含量與平均除垢周期呈現(xiàn)明顯負相關，進一步說明了如需解決結垢問題，關鍵在于降低SO42-的含量。

2.3 垢樣分析

為明確結垢物類型，確定結垢成因，便于采取有效的防垢措施，對現(xiàn)場取回的8 種垢樣進行了組分分析，分析結果見表3，垢樣XRD 分析見圖3。

由表3 與圖3 可見：所取垢樣中有機雜質質量分數(shù)均低于10%。增壓站A、增壓站B、增壓站D、總機關A、總機關B、接轉站B 6 個地區(qū)管線中形成垢樣的無機組分主要為BaSO4，增壓站C、接轉站A 2 個地區(qū)形成垢樣的無機組分主要為BaSO4與CaCO3混合物。

表3 垢樣成分分析結果

圖3 垢樣XRD分析

2.4 結垢成因

通過對油田進行的水質與垢樣分析，不同站點采出水中大量存在的Ba2+與SO42-之間發(fā)生反應產(chǎn)生的BaSO4沉淀是導致集輸管線結垢的主要原因，結垢過程見圖4。

圖4 結垢過程示意

由圖4 可見：當Ba2+與SO42-質量濃度達到過飽和狀態(tài)時，由于BaSO4溶度積極低，產(chǎn)生沉淀的速率較快，會在水中較先析出并吸附在管線表面，作為結晶中心不斷長大，還會催化其他結垢性離子的結晶，出現(xiàn)共沉淀，使得新沉積物進入原有沉積物中，形成了復雜的混合垢。針對管線結垢問題，大多數(shù)油田采用了向管線中加注化學阻垢劑的方法來抑制結垢。

2.5 阻垢劑應用效果評價

目前，油田管線阻垢劑主要有4 種，分別為CQZG02、ZG558、HZG05 和KW129。利 用 元17增站點采出水對阻垢劑性能進行了評價，具體結果如圖5 所示。

圖5 不同種類阻垢劑阻垢效果

由圖5 可見：HZG05 阻硫酸鋇垢效果最好，阻垢率為70.9%，ZG558 阻硫酸鋇垢效果最差，僅有26.54%。阻碳酸鈣垢效果最好的是HZG05，阻垢率為73%，CQZG02 效果較差，只有48.31%，綜合分析，4 種阻垢劑平均阻垢率為50%左右，應用效果較差，無法起到較好的抑制結垢作用。針對阻垢劑應用效果差，無法起到抑制結垢作用，采用了集中誘導成垢技術。

2.6 集中誘導成垢技術應用效果評價

采用集中誘導成垢技術可使成垢離子在管線源頭附近析出，實現(xiàn)集中誘導成垢，同時還可以將垢體收集、清除，達到除垢的目的，可有效解決集輸系統(tǒng)后端管線及工藝設備的結垢問題，其室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗結果分別見表4、表5 及表6。

表4 集中誘導室內(nèi)試驗結果

由表4 可見：該技術應用效果良好，集中誘導成垢技術處理后可除去91%以上的成垢離子。

表5 元17增總機關加裝集中誘導裝置后試驗結果 ρ:mg·L-1

由表5 可見：停加阻垢劑，應用集中誘導成垢裝置后，混合水樣中ρ(Ba2++Sr2+)降低了14.518 5 mg/L、ρ(Ca2++Mg2+)降 低 了1 289.94 mg/L、ρ(SO42-)降低了360.162 mg/L、ρ(CO32-)降低了31.873 mg/L、ρ(HCO3-)降低了304.165 mg/L，總體成垢率為90.5%。

表6 元17增總機關除垢結果對比分析

由表6 可見：與添加阻垢劑相比，平均除垢周期大幅延長，降低了清垢頻率。現(xiàn)場應用結果表明：集中誘導成垢技術應用效果良好，可大大降低集輸管線中結垢性離子含量，平均沉降固相4.8 kg/d，成垢效果顯著，節(jié)省了加藥環(huán)節(jié)，確保下游管段、設備高效安全運行。

相比于傳統(tǒng)化學阻垢劑，集中誘導成垢技術主要有以下優(yōu)勢：①將以往被動式的阻垢轉變?yōu)橹鲃咏Y垢，通過定期將誘導罐中沉積的垢清除，起到了凈化水體與除垢作用。②適用性強，對不同種類的結垢性離子均能起到誘導成垢的作用。③性能穩(wěn)定，通過誘導罐時，使垢快速結晶析出，受水體pH 值、溫度、壓力影響較小。

3 結論

某油田地區(qū)站點平均除垢周期約75 d，除垢間隔短，結垢情況嚴重。采出水總礦化度分布范圍廣，水質差異性較大，水中結垢性離子含量普遍較高，為成垢提供了條件，其中SO42-的含量是影響結垢問題的關鍵因素。造成集輸管線結垢的主要原因是Ba2+與SO42-發(fā)生反應產(chǎn)生BaSO4沉淀，之前使用的4 種阻垢劑效果較差，阻垢率在50%左右，無法有效抑制結垢。采用集中誘導成垢技術進行了室內(nèi)模擬和現(xiàn)場元17 增總機關應用試驗，結果表明：集中誘導成垢技術在工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)中應用效果良好，成垢率為90.5%，能有效將垢提前沉積，減小后端設備與管線中的結垢問題，可以較好地解決工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)集輸管線中的結垢問題。