江蘇油田鹵水輸送管道中硫酸鈣結(jié)垢趨勢預測

袁存光，唐仕明，于劍峰，劉樹文，鄭秋花

(中國石油大學 理學院，山東 青島 266555)

江蘇油田鹵水輸送管道中硫酸鈣結(jié)垢趨勢預測

袁存光，唐仕明，于劍峰，劉樹文，鄭秋花

(中國石油大學 理學院，山東 青島 266555)

采用Oddo-Tomson飽和指數(shù)法考察含硫酸鹽的鹵水輸送管道的硫酸鈣結(jié)垢趨勢，并確定判斷方法;根據(jù)江蘇油田輸鹵管道的結(jié)垢樣品分析結(jié)果和輸鹵的溫度、壓力等條件，確定江蘇油田淮安首站輸鹵管道鹵水中硫酸鈣的結(jié)垢趨勢的應用方程，并對其硫酸鈣的結(jié)垢趨勢進行預測。預測結(jié)果與現(xiàn)場采集的結(jié)垢樣品的分析結(jié)果基本一致。

硫酸鈣;鹵水;結(jié)垢趨勢;預測;輸鹵管道

江蘇油田從淮安首站礦鹽井采出的鹵水，通過約173 km內(nèi)襯環(huán)氧涂料的金屬長輸管道向連云港氨堿法制堿企業(yè)遠距離輸送。在鹵水輸送過程中，由于地下鹽礦成分和地面環(huán)境條件的變化，及其管道內(nèi)壁糙面和靜電作用等因素影響，造成了管道內(nèi)壁以CaSO4為主要成分的鈣芒硝結(jié)垢。為解決此類結(jié)垢問題，需要根據(jù)其輸送鹵水的水質(zhì)進行硫酸鹽結(jié)垢的趨勢預測。Skillman等［1］以熱力學溶解度測定為基礎(chǔ)，提出預測油田水中硫酸鈣溶解度的計算方法;Vetter等［2-6］研究了硫酸鈣結(jié)垢的動力學及影響因素;Oddo等［7-8］在考慮熱力學及離子強度校正后，使用活度積及離子締合理論建立了油田水硫酸鹽結(jié)垢的飽和指數(shù)法預測模型［9］;蔣偉等［10］考慮油田水體系的多元化、離子效應及溫度、壓力對結(jié)垢的影響，提出了針對復雜油田多元體系的飽和系數(shù)法結(jié)垢預測方法。筆者針對江蘇油田的鹵水水質(zhì)和結(jié)垢特征，利用Oddo-Tomson飽和指數(shù)法預測模型［7-8］對其輸鹵管道的硫酸鈣結(jié)垢趨勢進行預測，并在江蘇油田采輸鹵管道中進行實踐應用。

1實驗

1.1 儀器、試劑與樣品

儀器包括X'Perg PRO MPD多功能X射線衍射(XDR)儀(荷蘭帕納科公司生產(chǎn))、錐形瓶、滴定管、加熱及過濾裝置、容量瓶等。

試劑有 EDTA、NH4Cl、NH3·H2O、氯化鋇、氯化鎂、鹽酸、碳酸鈣、碳酸鈉、氯化鈉、硝酸銀、鉻酸鉀、硫酸、30%過氧化氫、高錳酸鉀、乙醇、氫氧化鈉等，均為分析純;鉻黑T、鈣指示劑、酚酞、甲基橙等，國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)。

樣品為江蘇油田輸鹵管道垢樣(分別從輸鹵管道入口端和出口端采取)和鹵水(從江蘇油田采輸鹵管理處輸鹵泵站采取)。

1.2 實驗方法

(1)垢樣分析:取垢樣，經(jīng)120℃恒溫干燥箱烘干、研磨至74 μm，制成樣片進行X射線定性及定量分析。儀器條件:Cu靶、石墨單色器、35 kV、40 mA、DS=SS=1、RS=0。

(2)鹵水分析［11-12］: 測定 Ca2+、Mg2+含量;測定SO42－含量;測定Cl－離子含量; 測定CO32－、HCO3－的含量。

2 結(jié)果分析

2.1 垢樣分析

圖1為江蘇油田淮安首站輸鹵泵前(進口)結(jié)垢樣品的XRD譜圖，其定量分析結(jié)果見表1。

圖1 輸鹵泵入口垢樣的XRD圖Fig.1 XRD diagram of scale at ingress of brine-transportation pump

表1 輸鹵泵入口垢樣成分的定量分析結(jié)果Table 1 Component quantitative analysis of scale at ingress of brine-transportation pump

由圖1和表1看出，垢樣的主要成分為石膏、硫酸鈉和食鹽的混合晶體構(gòu)成的鈣芒硝，石膏含量高達88%。

用同樣檢測手段對其他垢樣進行X射線結(jié)構(gòu)和定量分析，發(fā)現(xiàn)其垢樣中的輸鹵泵前端、葉輪和管道出口端的主要成分相似，而輸鹵泵后端和管道入口端的主要成分則是石膏。上述結(jié)果說明，垢樣主要是由CaSO4·2H2O·Na2SO4·NaCl等鈣芒硝混合晶體和石膏構(gòu)成的，屬于難以用普通的清洗技術(shù)清除的頑垢。

2.2 輸鹵管道水樣分析

可以看出，淮安首站采出鹵水硬度很高，尤其是硫酸鹽含量已經(jīng)高到過飽和程度。該鹵水水體中SO4

2－和 Ca2+的離子積為 2.65×10－3，比 CaSO4的溶度積(9.1×10－6)高出292倍。據(jù)此預測，由于硫酸鈣過飽和，該鹵水屬于嚴重硫酸鈣結(jié)垢的水體。

2.3 硫酸鈣結(jié)垢趨勢預測

采用Oddo-Tomson飽和指數(shù)法［7-8］對江蘇油田淮安首站輸鹵管道水體中硫酸鈣的結(jié)垢趨勢進行預測。

2.3.1 應用方程

用FS表示飽和比(即水體中離子的活度積與溶度積之比)，飽和指數(shù)用Is表示，則Oddo-Tomson飽和指數(shù)關(guān)系式［7，9］為

式中，c(Me)為陽離子活度;c(An)為陰離子活度;Fs=c(Me)c(An)/Ksp，Ksp為 CaSO4的溶度積，由于它是溫度T、壓力p和離子強度Si的函數(shù)，因此在式(1)中使用了條件溶度積Kc(T，p，Si)。根據(jù)江蘇油田淮安首站輸鹵管道垢樣分析結(jié)果、具體條件和相關(guān)影響因素，與Oddo-Tomson通過大量的實驗研究獲得的硫酸鹽飽和指數(shù)方程適用條件對照，確定該鹵水特征的CaSO4飽和指數(shù)應用方程采用如下方程［4］:

江蘇油田采淮安首站管道的輸送鹵水中多種離子共存，根據(jù)鹵水中各種離子的實際測定結(jié)果，計算離子強度和活度系數(shù)，表達式為

式中，ci和Zi為鹵水中所有陰、陽離子各自所對應的濃度和電荷;f為鹵水中離子的活度系數(shù);Z+和Z－分別為鹵水中陽、陰離子的電荷絕對值。據(jù)此得到江蘇油田采淮安首站管道的輸送鹵水的f計算結(jié)果接近1，故在實際結(jié)垢趨勢預測中近似以濃度代替活度。

2.3.2 淮安首站管道輸送鹵水的硫酸鈣結(jié)垢趨勢

按建立的結(jié)垢趨勢預測應用方程和計算方法，對江漢油田淮安首站輸送鹵水的結(jié)垢趨勢進行預測。根據(jù)其鹵水水質(zhì)中離子濃度分析結(jié)果，計算出的Si約為8.66。根據(jù)輸鹵管道中鹵水輸送溫度約23℃、輸送壓力約1.2 MPa，根據(jù)式(5)，得 Kst=0.85。根據(jù)鹵水中離子濃度的分析結(jié)果和Kst值，由式(6)求得c(SO42－)=0.210 mol/L，由式(7)求得 c(Ca2+)=0.0102 mol/L。

由式(2)得到CaSO4·2H2O的Is=0.35，即江漢油田淮安首站輸鹵管道輸送鹵水的Is＞0，說明淮安首站鹵水CaSO4結(jié)晶成垢的可能性很大。垢樣分析結(jié)果中的垢物成分CaSO4·2H2O含量占88%，足以證明該方法對鹵水中硫酸鈣的結(jié)垢趨勢預測結(jié)果正確。

3 結(jié)束語

采用Oddo-Tomson飽和指數(shù)法，根據(jù)江蘇油田輸鹵管道的鹵水水質(zhì)分析結(jié)果和輸鹵的溫度、壓力條件，確定江蘇油田淮安首站輸鹵管道水體中硫酸鈣的結(jié)垢趨勢預測的應用方程，并對其硫酸鈣結(jié)垢趨勢進行實際預測，預測結(jié)果被XRD儀器對現(xiàn)場采集垢樣的分析結(jié)果所證實。這為含硫酸鹽的鹵水輸送管道結(jié)垢預測和防垢提供了研究方法和理論基礎(chǔ)。

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［12］成都科學技術(shù)大學分析化學教研組，浙江大學分析化學教研組.分析化學實驗［M］.上海:人民教育出版社，1982:99-101.

Scaling trend prediction of calcium sulfate in brine pipeline in Jiangsu Oilfield

YUAN Cun-guang，TANG Shi-ming，YU Jian-feng，LIU Shu-wen，ZHENG Qiu-hua
(College of Science in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)

The CaSO4scaling trend prediction and judgment method in the brine sulfate-bearing pipeline were studied and established with Oddo-Tomson's saturation index method.The applied equations on scaling prediction in the brine pipeline about Huaian Lose Halogen Stand were determined based on the analysis results of scaling samples and the conditions of temperature，pressure in Jiangsu Oilfield lose water piping brine.The prediction results of scaling trend for sulfate in brine in the pipeline of Jianghan Oilfield were obtained，and which agree with the analysis results of the scaling samples collected at production site.

calcium sulfate;brine;scaling trend;prediction;brine pipeline

TE 357.46

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.04.029

1673-5005(2011)04-0154-03

2011－02－22

袁存光(1957－)，男(漢族)，山東墾利人，教授，碩士，研究方向為精細化工與鹽化工。

(編輯 劉為清)