劉田甜，譚英學，孫美聰(勝利油田東辛采油廠，山東 東營 257094)

0 引言

油田生產(chǎn)過程中的集輸管線結垢問題嚴重影響了油氣田的正常生產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟損失[1-3]。涂料涂層技術在石油機械中的最主要應用是對一些石油采儲過程中的油管、套管以及鉆桿進行保護[4-5]。各個油田都為注水系統(tǒng)尤其是注水井油管的防結垢做了許多努力，目前，通過在管道表面涂層處理技術，利用具有特殊性能的涂層來阻止垢在涂層表面上的形成，也能起到一定的防垢效果[6-7]。相對來說，管道內(nèi)表面涂層處理技術對現(xiàn)場的管理要求最低，使用方便[8-10]。早期有化學鍍鎳磷涂層、滲氮滲鋁涂層、不銹鋼襯里，它的涂層都是從防腐蝕的角度出發(fā)來防垢，實踐證明有一定的效果，但防垢效果不是很好；中期有玻璃鋼涂層，防垢效果都要好于早期的涂層，但涂層質(zhì)量參差不齊，時常有涂層脫落的現(xiàn)象發(fā)生[11]。目前，部分油田開始使用環(huán)氧樹脂涂層，雖然成本相對較高，但效果較好[12]。

本文綜合考慮集輸系統(tǒng)的水質(zhì)、實際工況以及現(xiàn)有集輸系統(tǒng)的結垢情況，自行調(diào)研選擇三種阻垢涂料，開展高性能阻垢涂層評價實驗，優(yōu)選得到適用于長慶油田現(xiàn)場集輸系統(tǒng)的高性能阻垢涂層。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗溶液

本文參照SY/T 5673—93 《油田防垢性能評價標準》配置碳酸鈣垢液、硫酸鋇垢液及硫酸鍶垢液，用以評價三種防垢涂層對各種類型垢的阻垢效果，垢液成分及含量如表1所示。為模擬現(xiàn)場不同層系采出液混輸后不配伍的情況，本文在配制溶液時，將結垢性陽離子及陰離子分開配制，分別加熱到指定溫度后，立即混合開始實驗，使離子結合成垢的過程在實驗過程中進行。

表1 三種垢液中的化學試劑成分及含量

1.2 實驗方法

本文采用JY-82A接觸角測定儀對三種涂層的接觸角進行測量。在每個涂層試件上選取三個位置進行三次接觸角測定，最后取平均值即為該涂層的接觸角數(shù)值。采用旋轉掛片腐蝕實驗儀通過試片旋轉的方式模擬管道內(nèi)采出液流動的工況，通過調(diào)節(jié)轉速來模擬不同的流速，儀器下方帶有水浴加熱裝置，可對實驗溶液進行控溫。實驗前在基材試片上涂刷涂層，采用涂層測厚儀篩選厚度滿足要求的試片進行實驗。本文采用單一垢液(碳酸鈣、硫酸鋇、硫酸鍶垢液)和現(xiàn)場水樣在不同溫度、不同轉速下對自行調(diào)研的防蠟阻垢涂層、防油污涂層及自清潔涂層進行防垢性能評價及優(yōu)選。由于集輸管道運行壓力普遍較低，因此本文實驗在常壓下開展，單次動態(tài)實驗時間為7 d。

2 結果與討論

2.1 接觸角測試結果

接觸角測試結果如表2所示，三種涂層接觸角均大于90°，均具有疏水性。防油污涂層接觸角最大，防蠟阻垢涂層次之，自清潔涂層最小。相對于粗糙度來說，材料的表面能的高低是引發(fā)結垢、結蠟的重要因素。有機涂層目前已經(jīng)廣泛用于管道的內(nèi)壁，由于有機涂層極性小、表面粗糙度低，因此涂層還具有明顯的防結蠟和防結垢性能。涂層材料的接觸角越大，材料表面能越低，低表面能可以改變污垢層的結構，使其與基材表面的附著力減弱，污垢易脫落，即可以減小涂層上附著的垢的面積[13]。因此從接觸角測試結果來看，防油污涂層阻垢效果最好。

表2 接觸角測量結果 單位：°

2.2 不同溫度下三種涂層阻垢性能評價

由于地層采出液溫度較高，在集輸管道內(nèi)輸送的過程中溫度逐漸降低到環(huán)境溫度，因此集輸管道中采出液溫度一般介于20 ℃至70 ℃[14]。本節(jié)三種涂層分別在25 ℃、45 ℃及65 ℃的溫度條件下采用差重法進行阻垢效果測試，模擬流速0.2 m/s。

涂層防垢效果越好，實驗前后試片的差重越小，說明涂層的阻垢效果越好，若管道內(nèi)壁應用此涂層，則管道內(nèi)壁不易結垢，達到阻垢效果。實驗結果如圖1所示，從結果可知，三種涂層在碳酸鈣垢液中的相對阻垢效果相同，均為防油污涂層阻垢效果最好，防蠟阻垢涂層次之，自清潔涂層阻垢效果最差。這與接觸角測試結果一致，說明低表面能的涂層表面不易結垢，尤其在有一定流速的流動溶液中，已吸附到表面的垢顆粒也很容易被沖掉，因此阻垢效果更好。

圖1 不同溫度下三種涂層在碳酸鈣垢液中的結垢量對比

通過式(1)計算阻垢率，不同溫度下防油污涂層在三種垢液中的阻垢率如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)，防油污涂層對硫酸鋇垢的阻垢效果最好，隨著溫度的升高，防油污涂層對三種垢液的阻垢率均呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。當流速為0.2 m/s時，在碳酸鈣垢液中，阻垢率最低為60.4%，最高為73.5%。在硫酸鋇垢液中，阻垢率最低為75.3%，最高為92.5%。在硫酸鍶垢液中，阻垢率最低為71.4%，最高為78.1%。

圖2 不同溫度下防油污涂層在三種垢液中的阻垢率

式中：ε為阻垢率(%)；M1為實驗結束裸鋼試片烘干后的重量(g)；M2為實驗結束帶涂層試片烘干后的重量(g)。

2.3 不同流速下三種涂層阻垢性能評價

受區(qū)塊地層產(chǎn)量影響，現(xiàn)場集輸管道的流速一般介于0.1 m/s至0.8 m/s之間[15]。本節(jié)中三種涂層分別在0.2 m/s、0.4 m/s及0.6 m/s的流速條件下采用差重法進行阻垢測試，控制實驗溫度為45 ℃。不同流速下防油污涂層在三種垢液中的阻垢率結果如圖3所示，隨著流速升高阻垢率均呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢。這是因為涂層表面能低導致垢在其表面吸附不牢固，增大流速會將部分已吸附的垢層沖掉。結合2.2的實驗結果可知，在采出液的輸送溫度、流速范圍內(nèi)，防油污涂層對于單一垢型溶液的阻垢效果較好，可達60.4%至84.8%。

圖3 不同流速下防油污涂層在三種垢液中的阻垢率

2.4 防油污涂層對現(xiàn)場采出液的阻垢效果測定

為驗證防油污涂層在礦化度較高且垢型豐富的現(xiàn)場采出液中的阻垢效果，選取長慶油田結垢嚴重的集輸管道對應的8種不同層系采出液進行評價，所有采出液均已進行除油處理。設置實驗溫度為45 ℃時、轉速為0.2 m/s，每組實驗進行三次平行實驗，結垢量數(shù)據(jù)取平均值后如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可得，涂有防油污涂層試片的結垢量明顯低于裸鋼試片的結垢量，防油污涂層在各水樣實驗中阻垢率均高于51.9%，其中對2號水樣的阻垢率更是高達83.4%。根據(jù)調(diào)研結果可知[14]，長慶油田目前的主要阻垢措施為加注阻垢劑，在最優(yōu)加注方案下，阻垢率介于40%至80%。本文優(yōu)選的防油污涂層的阻垢效果與阻垢劑的阻垢效果相當。由于地層采出液理化性質(zhì)多變，且阻垢劑對水質(zhì)較為敏感，因此阻垢劑的阻垢效果不穩(wěn)定。而阻垢涂層作為物理防垢措施，對水質(zhì)的兼容性更強，阻垢效果更加穩(wěn)定出色。因此，防垢涂層適用于油田的集輸管道，是一種低成本、效果好且綠色環(huán)保的阻垢措施。

表3 防油污涂層對現(xiàn)場采出液的阻垢性能評價

3 結語

涂層的阻垢性能與其表面能相關，接觸角越大，說明涂層的表面能越小，越不容易結垢。其中防油污涂層阻垢效果最好，在采出液的輸送溫度及流速范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，涂層阻垢率降低，隨著流速的增加，涂層的阻垢率升高。優(yōu)選的防油污涂層對單一垢型溶液的阻垢率可達60.4%至84.8%，對現(xiàn)場不同層系采出液的阻垢性能可達51.9%以上。因此防垢涂層可用于油田現(xiàn)場的集輸管道，相比于加注阻垢劑等手段而言，是一種低成本、效果好且綠色環(huán)保的阻垢措施。