青海跃进油田集输管道结垢的综合治理

2014-03-22新疆大学地质与矿业工程学院

油气田地面工程 2014年11期

新疆大学地质与矿业工程学院

青海跃进油田集输管道结垢的综合治理

李澍田继军新疆大学地质与矿业工程学院

以青海跃进油田集输管道为例，对其结垢机理、结垢成因和影响结垢的因素进行分析，从化学法除垢、高压水枪喷射除垢、机械除垢、超声波除垢等方面进行治理研究，提出相应结垢治理技术措施。集输管道清扫时，尽量缩短酸液与管道接触的时间，清洗后尽快将残余酸液排尽，防止清晰余留酸液引起结垢。建立管道结垢监测系统，及时发现结垢部位和结垢数量、性质特征等情况，及时采取治理措施，避免结垢物增多。开发针对性强、效率高的结垢物化学处理剂，采用管内移动式除垢器及电动控制除垢设备，对集输管道内存在的结垢物进行自动清理。

油田；集输管道；结垢；物理防垢；化学防垢

集输管道由于输送的油气含有有机物、H2S、CO2、细菌等杂质，容易形成污垢并黏附在管道内壁，造成集输管道压力损失、内径减小、排量减小、流通不均匀等，严重影响了集输系统的输送效率和稳定性。同时，结垢还可能引起管道局部腐蚀，导致穿孔、破损等现象，进而引发安全事故，后果严重。以青海跃进油田集输管道为例，对其结垢机理、结垢成因和影响结垢的因素进行分析，提出科学有效的集输管道结垢治理措施，对解决青海油田日益严重的管道结垢问题，提高设备传热效率、集输管道输送效率，提高集输系统使用寿命和油田经济效益具有十分重要的促进作用。

1 集输管道结垢分析

1.1 结垢机理

（1）物质不相容机理理论。由于管道液体中含有的离子或气体，在发生化学反应的腐蚀过程中，产生了不稳定的物质，这些物质与管道液体不相容，进行沉淀后就形成垢物。例如，水型为NaHCO3的油气井条件和含有CaCl2的油田采出物混合输送后就会在集输管道内形成结垢物。

（2）热力学条件影响结垢机理。油气井开采过程中，由于开采和输送环境的变化，集输管道内压力下降，温度上升导致输送物质的矿化度增高，沉积速率加快且容易结垢。

（3）吸附机理理论。在发生腐蚀后，结垢物经历析出、长大和沉积3个过程。垢是晶体结构，集输管道表面是凹凸不平的粗糙面，垢形成后会吸附在管道表面，然后以其为中心不断长大形成密集的结垢物。

（4）结垢因素。这3个结构理论机理直接表明了集输管道结垢因素：一是地层中含有高浓度易结垢离子，化学平衡破坏产生硫酸镁、硫酸钙等结垢物；二是两种或两种以上不相容的水混合在一起，离子相互作用产生硫酸钡、硫酸锶等结垢物，以及大量的硫酸盐结垢物。

1.2 结垢成因

根据油田集输管道结垢机理理论，针对青海油田特征进行分析，青海油田水中含有较高的Ca2+、Sr2+、Ba2+等成垢离子。地壳中钙的丰度仅次于氧、硅、铝、铁，占第5位，显然钙是含量较高的元素之一，因而地层水显示出Ca2+含量高的特征。根据结构机理，Ca2+属成岩垢的主要离子之一，它与CO32-、SO42-等阴离子的结合轻易产生碳酸钙、硫酸钙等结垢物。同时，青海油田还存在以下结垢形成条件：①地层水中含有Ca2+、Sr2+、Ba2+等成垢离子，是由于岩石矿物长期反应缓慢形成的。这些都是成垢离子，是各种矿石如斜长石、黑云母、沸石、方解石等自然释放形成而进入地水层，从而形成结垢物。②黏土岩和黏土矿物的阴离子交换，黏土岩表面吸附Ca2+、Sr2+、Ba2+等进入孔隙水中，增加了管道结构的危险性，也是结构成因之一。③青海油田油层形成空间条件，一方面一定的空间是成垢的必然条件，另一方面孔隙为成垢过程提供成垢离子。

有了上述条件，青海油田集输管道就极容易产生硫酸钡、硫酸锶等结垢物，同时还有碳酸钙、硫酸钙和少量的碳酸镁等结垢物。

1.3 管道结垢影响因素

影响青海油田集输管道结垢的因素很多，除了介质本身含有的有机物、H2S、CO2外，还受到许多外界因素影响。

（1）温度对管道结垢的影响。温度对管道结垢的影响主要是改变形成垢物的盐类溶解度。结垢物大多数是随着温度升高溶解度降低，也就是结垢物形成加快。对盐类垢物进行分析，当温度升高时发生如下反应该反应吸热，温度升高反应加快，形成CaCO3结垢物。同理，对于BaSO4、SrSO4、CaSO4等结垢物而言，其形成过程难溶解，都是吸热反应，因此温度升高结垢物增多。并且，温度升高对集输管道介质中的细菌、铁离子反应速度加快，从而影响和加大结构物形成。

（2）压力对管道结垢的影响。压力对集输管道CaCO3、BaSO4、SrSO4、CaSO4等结垢均有影响，结垢反应方程中含有气体参与，压力降低时，促使结垢加快。在青海油田集输管道输送过程中，管道压力都是逐步降低，因此结垢速率加快，结垢物增多。

（3）介质流速对管道结垢的影响。一般情况下，集输管道输送介质的流速增大，可以降低沉积物，反应产生的结垢物难以大面积堆积沉淀；同时流速增大引起的剥蚀率的增加十分显著，造成结垢增长减少。流速降低时，介质中的固体颗粒、微生物等沉积增多，结垢趋势明显加大。流速增大也是压力变化的体现，引起结垢反应的加快。

（4）pH值对管道结垢的影响。对青海油田的结垢物和原油进行实验研究，得出结论：提高溶液pH值，碳酸盐溶解后迅速结晶，结垢物形成加快，pH值过低时，容易出现腐蚀并形成腐蚀物结垢。界定合适的pH值，使得集输管道结垢控制在最佳范围，即6.5～8.0范围内。

2 结垢治理技术措施

2.1 化学防垢技术

化学除垢是当前集输管道结垢治理最基本、最常用的方法。一方面选择良好的化学防垢剂注入集输介质中能有效防止结垢物生成；另一方面选用合适的除垢清洗剂，针对结垢物性质特征采用化学药剂对其进行清洗，通过化学反应将结垢物进行溶解。实际治理时要根据青海油田结构物成分有针对性地研究，才能最大限度提高除垢治理效果，最低限度减小成本和损耗。化学除垢清洗剂在集输管道结垢治理应用广泛，但是往往容易造成管道损坏，污染环境等，需要进一步研究。

2.2 高压水枪喷射清洗除垢

高压水枪喷射是最清洁、最简单的管道结垢治理方法，它主要是利用高压水经过特殊喷嘴喷向结垢物时，将其直接冲洗掉，结垢治理效率高，无附带负作用。这种方法目前使用较少，主要是耗水量十分大，结垢治理后的水处理难度大，喷射掉的污垢难以快速、安全、彻底排掉。青海油田根据自身实际情况可以从此方面入手，结合水处理系统，将处理水进行循环利用，进而采用高压水喷射除垢方法。

2.3 机械除垢

集输管道结垢机械治理是采用强力清管器（包括磁力清管器、钉轮清管器、刷轮清管器等）在集输管道内部对管道内壁黏附的结垢物进行自动清理。清管器操作简单、治理速度快、自动化程度高、无污染，可以在青海油田进行试用。但是清管器机械结构治理法难以彻底将垢物清理干净，一般需要重复清理8～10遍，除垢效率低下，而且设备容易损耗、成本高。

2.4 超声波除垢

超声波治理是通过超声波仪器对集输管道输送介质进行处理，使得流体中的结构物质在超声波场的作用下，物理形态和化学形态发生变化，出现分散、松散、粉碎、脱落，而不会出现在管道内壁进行沉积、黏附形成污垢。一般是在未形成结垢物前进行防垢，处理效果明显、成本低、无污染、无损坏，在青海油田集输管道结垢防护过程中可以推广应用，但是对已结垢进行治理起到的作用不大。