电化学沉积法去除油田采出液碳酸钙垢的实验研究

成杰 张志浩 崔磊 李自力

1长庆工程设计有限公司

2中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院

近年来，我国的许多油田都已进入中后期注水驱油开发阶段，在生产过程中，由于压力、温度等条件的变化及水的热力学不稳定性和化学不相容性，集输系统结垢已成为影响原油生产的重要原因之一，常见的结垢类型主要有CaCO3、SaSO4、SrSO4、BaSO4及泥沙等，其中碳酸钙是最为常见且占比最高的垢种。油田集输系统结垢的主要原因为不同层系采出液配伍性较差，混输后大量结垢性离子结合成垢并逐渐沉积在管壁上，从而产生结垢现象[1-6]。

油田集输系统防垢工作的重要性日渐突出，目前主要的防垢措施有添加化学阻垢剂、电磁防垢、超声波防垢、量子管通环及涂层防垢等[7-9]。最常用的措施依然是添加化学阻垢剂，但化学阻垢剂具有污染环境、阻垢效果不稳定等缺点，难以适应复杂多变的水质需求[10-11]；物理防垢方法一定程度上解决了环境污染问题，但是其作用距离较短、防垢机理不明确且无法彻底去除结垢离子，因而目前还难以成为油田主流防垢手段。基于以上原因，开发一种防垢效果好，能应对复杂多变的采出液成分且能大量去除成垢离子的新型防垢装置尤为重要。

本文采用电化学沉积法去除CaCO3垢，与其他防垢措施相比，该方法具有绿色环保、防垢机理明确、能够应对水质的多样性、操作简单及可彻底去除溶液中的Ca2+等优点，是一种很好的除CaCO3垢的手段。

1 研究方法

首先搭建室内小型实验装置，采用CaCO3标准溶液对电沉积设备电流密度、阴极和阳极间距、阴极板面积及流速进行参数优化，确定最优电沉积参数[12-13]。其次采用油田现场采出液对电沉积设备的现场适用性进行研究，评价其针对油田成分复杂采出液的除垢效果。最后采用Scale Chem软件模拟电沉积处理前后的现场采出液结垢趋势，计算电沉积法阻垢效果[14]。

CaCO3标准溶液配置参照标准SY/T 5673—93，水质分析参考标准GB8538—2016、GB/T5750.6—2006、GB/T 5750.5—2006、SL 79—1994、SY/T 5523—2000、SY/T 5523—2006。

现场采出液经多级过滤、除油、除杂质处理后，采用电感耦合等离子体发射光谱仪、原子吸收光谱仪、离子色谱仪及化学滴定法对水样的矿化度、pH值以及结垢性离子含量进行测定[15]。

2 实验过程及结果讨论

2.1 电沉积设备参数优化

电沉积法除垢主要通过电场及电解作用，使Ca2+在阴极聚集，由于阴极的析氢作用，H+的还原促使HCO3-电离，电离出的CO32-与Ca2+结合为Ca-CO3，不断在阴极板析出，从而达到去除溶液中Ca2+、CO32-和HCO3-的目的[16]。该实验使用自行配制的CaCO3标准溶液及实验室搭建的电沉积除垢装置优化电沉积运行参数，包括电流密度、阴极板面积、阴极和阳极间距及流体流速。

CaCO3标准溶液参照SY/T 5673—93 油田用防垢剂性能评定方法标准配置，分别配置Ca2+溶液A和HCO3-溶液B，其中A 溶液中的各化学物浓度分别为C(NaCl)=33.00 g/L，C(CaCl2·2H2O)=12.15 g/L，C(MgCl2·6H2O)=3.68 g/L，B 溶液中的各化学物浓度分别为C(NaCl)=33.00 g/L，C(NaHCO3)=7.36 g/L，C(Na2SO4)=0.03 g/L。整套装置包括直流电源、电流表、阳极钛网、阴极板、导电滑环、沉积池（2 L）、旋转挂片仪以及自制挂件等装置，装置构造如图1 所示，阴极板结垢如图2 所示。实验前对阴极板进行清洗、烘干及承重，记录初始质量。首先配置A、B溶液并充分混合5 min，随后调整阴极板的旋转速率至所需转速，开启直流电源并调至所需的直流电流，进行电沉积除垢实验。实验结束后拆下阴极板，并进行烘干及承重，记录实验后质量。实验前后阴极板增加的质量即为电沉积法沉积在阴极板上的CaCO3垢的质量。

图1 电沉积实验装置构造Fig.1 Structural of the electrodeposition experiment device

图2 阴极板结垢Fig.2 Cathode plate scaling

设定电流密度分别为20、40、60、80、100 A/m2，阴极板面积分别为12.5、25.0、37.5、50.0 cm2，阴阳极间距为1、2、3、4 cm，流速分别为0.04、0.10、0.16、0.22 m/s，分别探究电流密度、阴极板面积、阴极和阳极间距及流速对电沉积效果的影响，优化得到最优电沉积参数。实验前对试片进行称重，实验完后对挂片进行烘干、称重，得实验前后质量差即为结垢量，测定不同电流大小对结垢的影响，进行三次平行实验，最终结果取平均值，实验结果如图3 所示。其中电流密度优化实验的极板间距为2 cm，阴极面积为25.0 cm2，流速为0.1 m/s，通电时间为2 h；阴极板面积优化实验的电流密度为40 A/cm2，极板间距为2 cm，流速为0.1 m/s，通电时间为2 h；极板间距优化实验的电流密度为40 A/cm2，极板间距为2 cm，流速为0.1 m/s，阴极板面积为25.0 cm2；流速优化实验的电流密度为40 A/cm2，极板间距为2 cm，通电时间为2 h，阴极面积为25.0 cm2。

图3 参数优化实验结果Fig.3 Experimental results of parameter optimization

总体结垢量随着电流密度的增大而呈现不同程度的增长，当电流密度从20 A/m2提升到40 A/m2时，结垢量提高了一倍，达到40 A/m2以后，结垢量提升速率变缓。这是因为适当的电流密度可使电极表面形成细致、均匀的沉积层，而过低或过高的电流密度会使垢层疏松，不易附着，因此综合考虑除垢效果及经济性，选取最佳电流密度为40 A/m2。随着阴极面积增大，结垢量近似对数规律增长，阴极面积从12.5 cm2提升到25.0 cm2，阴极板结垢量提高5 倍，随着阴极板面积继续增大，结垢量提升较小。阴极板面积增大会导致耗电量同比例增大，电沉积效率反而会相应的降低，因此综合考虑除垢效果，选取最佳阴极面积为25.0 cm2。电极间距对除垢效果的影响主要体现在垢离子传质速率及电解槽内垢离子停留时间两方面，在电极数量和面积不变的情况下，减小电极间距，会使电解槽容积减小，当循环液流量不变时，电解液流速加快，可促进离子的对流与扩散，强化垢离子传质，有助于提高电沉积速率，降低能耗。阴极和阳极间距优化及流速优化结果曲线中均存在峰值，阴极和阳极间距为20 mm时除垢效果最优，流速为0.16 m/s时除垢效果最优。

分析实验数据可知，电场间距与阴极面积存在一定的关系，即两者相乘为电沉积设备工作体积，当工作体积与总溶液体积比为1∶400 时其除垢效果与经济性最优，最佳流速为0.16 m/s，最佳电流密度为40 A/m2。

2.2 油田采出液适应性评价

结合CaCO3标准垢液参数优化实验结果，该实验溶液选A、B 两种现场采出液，通过进一步的动态电沉积垢实验，结合Scale Chem模拟验证电沉积法除CaCO3的防垢效果。

（1）水质及结垢趋势分析。本文采用电感耦合等离子体发射光谱仪、原子吸收光谱仪及离子色谱仪等仪器设备对A、B 两种现场油井采出液进行水质分析，检测水样中的Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+、HCO3-、CO32-、SO42-盐、pH 值以及矿化度共计9 个指标[14]，根据水质分析结果，结合Scale Chem 软件模拟预测水样结垢趋势。水质分析结果如表1 所示，结垢趋势预测如图4所示。

表1 水质理化性质分析结果Tab.1 Analysis results of physical and chemical properties of water quality

图4 A、B采出液电沉积前结垢趋势预测Fig.4 Produced liquid A and B scale trend prediction before electro-deposition

由水质分析结果可知，A、B 两种采出液均含有大量的Ca2+和HCO3-，矿化度较高且pH值呈近中性，两种采出液均有结CaCO3垢的趋势。根据图4结垢趋势预测结果可知，两种水样主要结CaCO3垢，且结垢量随着温度的升高而增大，其中A采出液在60 ℃时CaCO3结垢量为442 mg/L，B采出液在60 ℃时CaCO3结垢量为238 mg/L。

（2）电沉积防垢效果评价。本实验中，流速为0.16 m/s，电流密度分别为20、40、60、80 A/m2，通电时间为1、2、3 h，控制电沉积设备工作体积与总溶液体积比为1∶400，即沉积池容积为2 L，设置电场间距为20 mm，阴极面积为250 mm2。电沉积除垢效果如图5 和表2 所示，采出液经电沉积处理后的结垢趋势如图6所示。

图5 A、B采出液电沉积除垢效果评价Fig.5 Evaluation of the electrodeposition descaling effect of produced liquid A and B

图6 A、B采出液电沉积后结垢趋势预测Fig.6 Scale trend prediction of produced liquid A、B after electro-deposition

表2 电沉积除垢前后采出液预测总结垢量Tab.2 Prediction results of total scale formation of produced liquid before and after electro-deposition scale removal

由实验结果可知，对于A、B 两种采出液，最佳电沉积时间均为2 h，最佳电流密度为40 A/m2。对于A采出液，电沉积设备除垢后对CaCO3垢的阻垢率高达70%；对于B采出液，电沉积设备除垢后对CaCO3垢的阻垢率更是高达90%。综上可知，电沉积防垢设备防CaCO3垢效果突出。

3 结论

通过实验装置设计、基于标准溶液参数优化及电沉积除垢装置现场采出液适应性评价，论证了电沉积方法去除采出液CaCO3垢的可行性，以期将来能进行现场试验论证。主要得出以下结论：

（1）电沉积法可去除溶液中大量的Ca2+、HCO3-、CO32-，除垢、防垢效果优秀。

（2）室内实验工况下最佳工作参数为：电流密度40 A/m2，阴极和阳极间距20 mm，电沉积设备工作体积与溶液总体积比为1∶400，流速0.16 m/s、总循环沉积时间2 h。

（3）电沉积除垢设备对油田采出液具有较强的适用性，室内实验对CaCO3的阻垢率可达70%以上。