油田管道超声波除垢技术实验研究

付田田　李　丹　彭　壮　陈琦睿

长江大学石油工程学院,　湖北　武汉　430100



油田管道超声波除垢技术实验研究

付田田李丹彭壮陈琦睿

长江大学石油工程学院,湖北武汉430100

目前油田管道的结垢问题已经严重影响到油田的正常生产运行,超声波除垢技术作为一种新型物理除垢技术越来越受到重视。为了深入研究超声波对油田管道除垢的效果,设计了一套超声波除垢装置,分别进行了20、28、68、120 kHz四种频率下的超声波除垢模拟实验。针对碳酸钙垢,超声波频率为28 kHz时除垢效果最佳；超声波作用时间为5 min时除垢效果和经济效益最佳,垢质晶体形成能力较弱；超声波作用周期为12 h时,除垢能力较强。通过对碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶等四种常见的无机垢进行超声波除垢实验并对比,发现超声波对于硫酸钙垢的除垢效果最好。

管道；超声波；除垢；硫酸钙；频率

0　前言

我国油田管道含盐量较高,造成结垢严重且较难清除等问题,对油田的安全生产有较大影响,故开展针对油田管道除垢技术的研究是非常必要的[1-3]。现有除垢方法主要有化学除垢和物理除垢两种,化学除垢方法在介质中会添加化学物质,可能造成二次污染，不符合绿色环保的要求,所以本文主要研究物理除垢方法中的超声波除垢效果及实际应用参数。超声波除垢利用超声波对流体介质的空化、活化、剪切及抑制效应的共同作用使垢分散、粉碎、脱落,从而达到除垢的目的[4-5]。油田管道中的垢主要来自于注入水和地层水中难溶和微溶的混合物,超声波对混合盐的作用效果无法评价,所以在研究超声波对不同盐类的作用影响时主要是针对单种盐类垢进行研究[6-7]。本文分别对碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶这四种油田常见无机垢开展不同频率和不同辐射时间条件下的超声波除垢模拟实验[8-9]。

1　超声波除垢实验装置及方法

1.1超声波除垢实验装置

根据超声波具有方向性的原理,除垢实验装置主要采用超声波发生器和超声波换能器来发射超声波,在水槽底部采用底振式(标准型)换能器。将已结垢或未结垢的挂片样品放入不锈钢水槽中,通过不同频率超声波的作用,观察其除垢效果。超声波除垢实验装置示意图见图1,具体实验装置实物图见图2。

图1　超声波除垢实验装置示意图

图2　超声波除垢实验实物图

1.2实验仪器设备和标准

本实验中所使用的主要试剂按SY/T 0600-2009《油田水结垢趋势预测》规范选取。主要试剂的等级及依据标准见表1,实验所需仪器见表2。

表1主要试剂的等级及依据标准

药品名称等级依据标准氯化钠分析纯GB/T15897-1995氯化钙分析纯HG/T3-209-88氯化镁分析纯GB/T672-2006硫酸钠分析纯GB/T6009-2014碳酸氢钠分析纯GB/T640-1997氯化钡分析纯GB/T652-2003氯化锶分析纯HG/T3-1073-77氢氧化钠分析纯GB/T629-1997EDTA分析纯GB/T1401-1998

表2主要仪器

仪器名称主要参数型号电子天平最大称重量220g精度0.001gⅡ型恒温水浴锅功率2000WHWS-28电热鼓风干燥箱±1℃BGK-246超声波发生器-KMD-2812、KMD-6812、KMD-12012超声波换能器20、28、68、120kHz-不锈钢槽2.0mm(厚)-

1.3实验方法

1)取相同初始浓度的标准碳酸钙溶液进行不同频率下的超声波实验,作用相同的时间后测定不同频率下的钙离子浓度,从而确定超声波除去碳酸钙垢的最佳频率,钙离子浓度的监测采用EDTA滴定法。

2)将结垢溶液放在相同频率的超声波水槽中,检测在0～20 min的时间下钙离子浓度的变化,从而确定超声波除垢的最佳作用时间。

3)将结垢溶液放在相同频率的超声波水槽中,检测在不同的实验周期，即4、6、12 h下的钙离子浓度变化,从而确定超声波除垢的最佳辐射周期[10-11]。

4)将打磨、除锈、冲洗、烘干、称重后的Q 235钢制挂片放入标准碳酸钙溶液中静置8、24、48、72 h。待其结垢后,将已结垢的Q 235钢制挂片,在相同频率的超声波水槽中,超声波作用5 min,称量其垢量的减少,计算除垢率。硫酸钙垢、硫酸钡垢、硫酸锶垢除垢实验步骤与上述一致。Q 235钢制挂片见图3。

图3　Q 235钢制挂片

2　实验结果及分析

2.1超声波除垢的最佳频率

根据SY/T 5673-1993《油田用防垢剂性能评定方法》配制碳酸钙溶液,采用GB 7476-1987《水质钙的测定EDTA法》测得溶液中原始的钙离子浓度为1.1 g/L。

实验方法：以最常见的碳酸钙垢为样本,实验温度为40 ℃,采用不同的超声波频率,作用于碳酸钙溶液[12]。通过EDTA滴定法测出不同频率的超声波作用后溶液中的钙离子浓度,了解其对钙垢的影响,超声波发生器功率为1 500 W。实验结果见图4。

图4　不同超声波频率下的钙离子浓度情况

由图4可见,在超声波频率为28 kHz时对应溶液中的钙离子浓度最高,表明该频率下超声波对碳酸钙垢的除垢效果最为理想,而在68 kHz和120 kHz的较高超声波频率下的除垢效果较差。

理论分析来看,相同功率的超声波仪器,也就是超声波原始能量相同时,不同频率时在水中的空化作用可以分别达到20 000、28 000、68 000、120 000次/s[13]。振动次数越少,超声波单束能量越强,除垢效果越好。

实验结果与理论分析不同,可能存在以下原因：20 kHz 的超声波发生器调试效果没有28 kHz超声波发生器的效果好；人员操作测定钙离子浓度时出现误差。

2.2超声波除垢的最佳作用时间

实验方法：以最常见的碳酸钙垢为样本,实验温度为40℃,采用28 kHz的超声波频率,不同的超声波作用时间[14-15]作用于碳酸钙溶液,通过EDTA滴定法测量在不同作用时间后的钙离子浓度,从而确定超声波的最佳作用时间。实验结果见图5。

图5　不同作用时间下的钙离子浓度情况

由图5可见,超声波的作用时间从0～1 min,钙离子的浓度急剧增加；从1～5 min,钙离子浓度增加得比较缓慢；而从5～15 min,钙离子的浓度增长趋于平缓。由此可以得出,超声波最佳作用时间为5 min。对于上述钙离子浓度的变化情况,可作如下解释,从超声波的作用时间来看,在0～1 min的时间内,超声波对钙离子形成碳酸钙晶体有较为显著的抑制作用,在超声波的作用下,钙离子呈游离状态；在1～5 min的时间段里,超声波的抑制作用依然存在,处于游离状态的钙离子数量不断增加,碳酸钙晶体继续减少；作用5 min后,钙离子的数量增加变缓,结晶能力也不再增强,管道内成垢周期变长,管道内除垢效果显著。

2.3超声波除垢的最佳作用周期

实验方法：以最常见的碳酸钙垢为样本,实验温度为40 ℃,采用28 kHz的超声波频率,不同的超声波作用周期(4、6、12 h)作用于碳酸钙溶液,每次超声波辐照时间均为5 min,通过EDTA滴定法测量钙离子浓度,了解其对碳酸钙垢的影响。实验结果见图6。

由图6可知,在不同的超声波作用周期情况下,溶液中的钙离子浓度均有所增加,但是作用周期为4 h和6 h时溶液中钙离子浓度增加得比较缓慢,而作用周期为 12 h 时溶液中钙离子浓度的增加较为显著,因此,通过对比可知辐照周期为12 h时超声波的除垢效果较好。

从超声波除垢实际应用效果的角度来看,每隔12 h对管道做一次超声波清洗,可以使钙离子的结晶能力及产生碳酸钙沉淀的能力显著减弱,从而可有效防止管道结垢。

图6　不同作用周期下的钙离子浓度变化情况

2.4四种常见垢质的除垢研究

对四种不同类型的垢质,在实验条件为超声波最佳频率28 kHz,温度分别为40、60、80 ℃,辐照时间为5 min时,对静置结垢时间分别为8、24、48、72 h的金属挂片进行除垢,并计算其除垢率。上述实验结果见图7。

从图7-a)可以看出,不同温度下碳酸钙的除垢率均呈规律性变化[16]。从除垢时间上来看,0～24 h除垢率处于缓慢上升阶段,24～48 h处于迅速上升阶段,而48～72 h则处于缓慢下降阶段,在48 h时除垢率最大；从温度来看,温度为40 ℃时除垢效果最好,60 ℃时次之,80 ℃时除垢效果最差。

a) 碳酸钙除垢率实验结果

b) 硫酸钙除垢率实验结果

c) 硫酸钡除垢率实验结果

d) 硫酸锶除垢率实验结果

3　结论

1)通过对比20、28、68、120 kHz四种频率下超声波除垢后溶液中钙离子浓度,从而确定频率为28 kHz时的超声波除垢效果最佳。

2)选取28 kHz的最佳频率,分别对比不同超声波作用时间后溶液中的钙离子浓度,得出超声作用时间为 5 min 时具有较好的除垢效果和经济效益。

3)选取28 kHz的最佳频率,超声波作用时间5 min,分别对比超声波实验周期为4、6、12 h下溶液中的钙离子浓度,确定了超声波除垢的最佳实验周期为12 h。

4)通过四种常见盐类垢的超声波除垢实验,发现不同种类垢的超声波作用效果不同。其中,超声波对硫酸钙垢的除垢效果最好,因此,在实际应用中应根据管道中结垢的种类合理确定超声波除垢的相关参数。

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2015-08-12

国家大学生创新性实验计划项目“超声波除垢技术研究”(2014042)

付田田(1992-)，女，湖北松滋人，硕士研究生，主要从事多相管流研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.02.008