動(dòng)態(tài)測(cè)垢技術(shù)用于油田多層系集輸規(guī)劃

陳海陽(yáng) 侯興華 李健 中國(guó)石油大學(xué)（華東）

動(dòng)態(tài)測(cè)垢技術(shù)用于油田多層系集輸規(guī)劃

陳海陽(yáng) 侯興華 李健 中國(guó)石油大學(xué)（華東）

動(dòng)態(tài)熱阻法測(cè)垢技術(shù)能夠很好地反映管道內(nèi)的結(jié)垢規(guī)律及結(jié)垢誘導(dǎo)期，并預(yù)測(cè)到各個(gè)工況條件下的最優(yōu)、最差工況，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供指導(dǎo)方案。溫度是動(dòng)態(tài)熱阻法測(cè)垢技術(shù)的最不穩(wěn)定因素，溫度控制不好，試驗(yàn)管段進(jìn)、出口溫度波動(dòng)大，影響熱阻值的準(zhǔn)確性，如果誤差過(guò)大會(huì)使試驗(yàn)數(shù)據(jù)失去意義，因此要采取相應(yīng)措施做好溫度控制。動(dòng)態(tài)熱阻法測(cè)垢技術(shù)能夠準(zhǔn)確地判斷化學(xué)藥劑阻垢性能的優(yōu)劣。通過(guò)動(dòng)態(tài)熱阻法測(cè)垢試驗(yàn)對(duì)油田油氣集輸管道內(nèi)的溫度、水質(zhì)、阻垢劑等條件進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

多層系含水原油；動(dòng)態(tài)測(cè)垢；熱阻；集輸；裝置

前言

多層系原油由于油藏形成年代不同，使得開采出的原油及采出水性質(zhì)差異很大。目前，無(wú)論是地面還是海上集輸系統(tǒng)大都采用混輸工藝，混輸過(guò)程中，經(jīng)常由于不同層系原油采出水不配伍，造成結(jié)垢堵塞管線。為避免集輸管線結(jié)垢，一個(gè)辦法就是地面原油集輸工藝流程按層系分開考慮，這就要求從井場(chǎng)到聯(lián)合站所有環(huán)節(jié)的管線都按層系分開，站場(chǎng)設(shè)雙套流程。由于多層系開發(fā)的井場(chǎng)多數(shù)都屬于雙層系井場(chǎng)，極個(gè)別甚至是三層系井場(chǎng)，這就要求從井場(chǎng)到轉(zhuǎn)油站的環(huán)節(jié)至少要4根管線才能滿足使用要求，而這種辦法從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看是不現(xiàn)實(shí)的?？梢?，如能采用合理有效的措施，解決多層系含水原油混合輸送中出現(xiàn)的管線結(jié)垢問(wèn)題，那么這種工藝技術(shù)對(duì)地面集輸工藝流程簡(jiǎn)化、產(chǎn)能建設(shè)投資的節(jié)省、生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用的降低、油田地面建設(shè)水平的提高等，都將起到不可估量的重要作用。

動(dòng)態(tài)熱阻法是在實(shí)驗(yàn)室給定的條件下，使用常壓下飽和水蒸氣或熱水加熱換熱器，模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的流速、流態(tài)、水質(zhì)、金屬材質(zhì)、換熱強(qiáng)度和冷卻水進(jìn)出口溫度等主要參數(shù)，根據(jù)結(jié)垢情況得到最優(yōu)工況以及評(píng)定防垢劑的阻垢性能。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到試驗(yàn)過(guò)程中管段內(nèi)熱阻變化趨勢(shì)，進(jìn)而得到垢的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)規(guī)律，其更加符合現(xiàn)場(chǎng)管道實(shí)際。因此，推薦動(dòng)態(tài)熱阻法用于油田集輸管網(wǎng)結(jié)垢評(píng)價(jià)。

1 裝置和原理

依據(jù)《冷卻水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)方法（HG/T 2160-91）》動(dòng)態(tài)熱阻法測(cè)垢裝置可實(shí)現(xiàn)單路循環(huán)和雙路混輸兩種情況在不同溫度、不同配比及壓力下的試驗(yàn)，試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容可以分為兩部分：?jiǎn)位芈废掠绊懳酃感纬傻囊蛩匮芯?；循環(huán)管路下影響污垢形成的因素研究。該試驗(yàn)裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作方便。

1.1 動(dòng)態(tài)熱阻法測(cè)垢裝置

（1）集水系統(tǒng)。根據(jù)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間和所需水量選擇大小。

（2）加熱控溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括加熱管、保溫層和溫控系統(tǒng)。根據(jù)處理水量、溫差及試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間選定加熱功率。

（3）試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包括換熱器、溫度檢測(cè)、流量計(jì)等。該試驗(yàn)裝置測(cè)試系統(tǒng)的重點(diǎn)是既要保證換熱器與測(cè)試管段的連接和密封良好，又要保證測(cè)試管段便于拆卸，可重復(fù)使用。該試驗(yàn)將兩段不銹鋼管焊于換熱器上，測(cè)試銅管與不銹鋼管采取活結(jié)相連，中間由軟墊片進(jìn)行密封，這樣既可保證密封，又便于試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)試管段的拆卸。

（4）管路系統(tǒng)。外部連接管、泵、測(cè)試管和觀察管。

1.2 測(cè)垢的基本原理

試驗(yàn)液體經(jīng)恒溫水浴后溫度上升，易結(jié)垢。當(dāng)垢沉淀在管壁聚集時(shí)，管壁的熱阻增大，換熱效果變差，試驗(yàn)水進(jìn)、出口溫度發(fā)生變化。當(dāng)管壁表面垢的成長(zhǎng)與剝離達(dá)到平衡后，水的進(jìn)、出口溫度會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的值。動(dòng)態(tài)熱阻法就是利用這樣的一個(gè)原理來(lái)研究管內(nèi)的結(jié)垢規(guī)律及其影響因素的。

只要記錄試驗(yàn)管段的流量Q和進(jìn)、出口溫度t就可以計(jì)算得到污垢熱阻值r(m2·℃/W)，根據(jù)時(shí)間就可以求得結(jié)垢速率，從而得到結(jié)垢率最小的最優(yōu)工況。試驗(yàn)過(guò)程及熱阻計(jì)算方法參照《冷卻水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)方法》進(jìn)行，嚴(yán)格將流量、進(jìn)口溫度控制在規(guī)定值。以下為清潔管熱阻r和瞬時(shí)污垢熱阻roi的計(jì)算公式

由公式（1）、（2）計(jì)算可得到不同工況條件下的污垢熱阻，roi越大，結(jié)垢越嚴(yán)重；并得到溫度、壓力和混合水樣配比對(duì)結(jié)垢的影響。對(duì)比實(shí)際生產(chǎn)情況選定最優(yōu)工況。

2 動(dòng)態(tài)熱阻法測(cè)垢試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)水樣配置（試驗(yàn)水質(zhì)）

現(xiàn)場(chǎng)取得各層系的水樣，經(jīng)水質(zhì)分析得到各水樣主要成垢離子含量，然后選定配比，配置混合水樣。

因?yàn)閯?dòng)態(tài)試驗(yàn)至少考慮3個(gè)因素（溫度、壓力和配比）的影響，所以為了減少試驗(yàn)量，在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)應(yīng)選擇各因素最具代表性的幾個(gè)水平：溫度選定冬季低溫、常溫及高溫（加熱爐的溫度）；壓力選定井口壓力、輸送管線壓力及增壓點(diǎn)處壓力；配比的選擇由靜態(tài)試驗(yàn)確定，一般選擇常溫靜置后成垢離子變化最大、最小和中等的三個(gè)配比。建立三因素三水平正交試驗(yàn)表，依次進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)具體油田的開采層系狀況和混輸?shù)目赡苄?，配置混合水樣。以長(zhǎng)慶油田延10、長(zhǎng)6兩個(gè)層系的水樣為例進(jìn)行分析。層系水基本參數(shù)測(cè)試結(jié)果及試驗(yàn)水樣的配比見表1、表2。

表1 延10、長(zhǎng)6層系水主要成垢離子含量

表2 正交試驗(yàn)因素水平

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

由表2正交試驗(yàn)因素水平建立正交試驗(yàn)表，依照正交試驗(yàn)順序進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)持續(xù)12 h，采集試驗(yàn)管段進(jìn)、出口溫度t進(jìn)、t出，代入公式（1）、（2）計(jì)算得到污垢熱阻roi。將試驗(yàn)結(jié)果用評(píng)分的方式評(píng)價(jià)好壞（結(jié)垢越嚴(yán)重分越低），所得分?jǐn)?shù)記為得分（即yi），寫在表中各次試驗(yàn)的最右端，分析結(jié)果見表3。

從表3中可以看出，極差最大的因子是溫度，故應(yīng)將其控制在最佳水平。由于溫度因子的3個(gè)主效應(yīng)依次為1、2、3，由此可見溫度因子的最佳水平是20℃，并且可看出溫度越高，結(jié)垢越嚴(yán)重。同理可得第二重要因子為配比，最佳水平是1∶2，最后是壓力為1.3 MPa。由此可見：

（1）溫度升高，溶解度降低，易結(jié)垢；壓力增大，溶解度增加，不易結(jié)垢。通過(guò)多層系水混輸動(dòng)態(tài)結(jié)垢試驗(yàn)，可以較準(zhǔn)確地反應(yīng)各因素對(duì)結(jié)垢的影響規(guī)律。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

（2）可以得到最優(yōu)工況，即結(jié)垢最輕的情況，見表2、表3：20℃、1.3 MPa、1∶2，同理得分最低的為結(jié)垢最嚴(yán)重的“最差工況”。因此在現(xiàn)場(chǎng)輸送時(shí)，可以取這3個(gè)參數(shù)為最優(yōu)輸送參數(shù)，即使不能完全符合也應(yīng)當(dāng)“逼近最優(yōu)，避免最差”。

（3）由極差值R可以看出溫度的變化對(duì)結(jié)垢影響最大，故應(yīng)優(yōu)先做好溫度控制。

2.2.2 試驗(yàn)曲線分析

圖1為該正交試驗(yàn)中結(jié)垢誘導(dǎo)期開始結(jié)垢和垢生長(zhǎng)完成界限比較明顯的一組熱阻隨時(shí)間變化的曲線。圖1顯示結(jié)垢過(guò)程中的三個(gè)步驟：

圖1 試驗(yàn)過(guò)程中管段熱阻隨時(shí)間變化曲線

（1）10～50 min為結(jié)垢誘導(dǎo)期，管線熱阻基本沒(méi)有變化，為清潔管熱阻。

（2）50～240 min為垢生長(zhǎng)階段，管線在清潔管熱阻基礎(chǔ)上產(chǎn)生污垢熱阻；污垢熱阻值與時(shí)間成比例增加（恒定的結(jié)垢速率）。

（3）240 min之后為結(jié)垢穩(wěn)定階段，污垢熱阻值增加非常緩慢，這一階段被叫作“平臺(tái)”，但是熱阻值還是在緩慢增加。

這里需要說(shuō)明的是，圖1中得出的“240 min”并不是表示240 min之后管內(nèi)不再結(jié)垢或不再嚴(yán)重結(jié)垢，而是在恒定的試驗(yàn)條件下，管壁表面上垢的生長(zhǎng)和剝離達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。此試驗(yàn)主要目的是測(cè)試不同工況下水樣配伍性及結(jié)垢誘導(dǎo)期長(zhǎng)短，以及誘導(dǎo)期過(guò)后的結(jié)垢速率，分析得到某一水樣的最優(yōu)工況（配伍性最好，誘導(dǎo)期最長(zhǎng)及結(jié)垢速率最小）。

3 測(cè)垢曲線的重現(xiàn)性及溫度的影響

由試驗(yàn)分析結(jié)果可知，溫度對(duì)結(jié)垢的影響最大，應(yīng)做好溫度控制。下面分析測(cè)垢曲線的重現(xiàn)性，重復(fù)圖1試驗(yàn)一次，結(jié)果見圖2。

在重復(fù)試驗(yàn)過(guò)程中，注意管段進(jìn)口溫度值的變化，將誤差盡可能地控制在2℃之內(nèi)。當(dāng)溫度升高時(shí)，加速攪拌散熱，并打開集水池頂蓋，如還不能將溫度降低到所需范圍內(nèi)，則暫時(shí)關(guān)閉加熱裝置，待達(dá)到要求后再打開。

試驗(yàn)過(guò)程中水溫的波動(dòng)會(huì)造成試驗(yàn)誤差大，測(cè)垢曲線的不準(zhǔn)確。這是由于集水池內(nèi)水樣溫度加熱到預(yù)定溫度后，溫控裝置的加熱盤管雖然停止工作，但在循環(huán)管路中存在“液體過(guò)泵溫升”，使整體水溫上升，加速結(jié)垢。建議在室溫較高的情況下，在集水池內(nèi)添加冷水盤管以達(dá)到散熱目的。

圖2 相同工況下重復(fù)試驗(yàn)熱阻曲線比較

4 化學(xué)藥劑阻垢性能的比較

從3方面對(duì)阻垢劑性能進(jìn)行比較：

（1）針對(duì)兩種不同類型的阻垢劑，采用同一配置水測(cè)定它們?cè)谙嗤瑵舛认碌慕Y(jié)垢曲線，從而比較這兩種化學(xué)藥劑阻垢性能的優(yōu)劣。

（2）針對(duì)某種阻垢劑，采用同一配置水測(cè)定它們?cè)诓煌瑵舛认碌慕Y(jié)垢曲線，從而得到這種阻垢劑針對(duì)這一水樣的最優(yōu)投加濃度。

（3）針對(duì)某種確定的阻垢劑，選其最優(yōu)投加濃度也可采用正交試驗(yàn)方案，將表2改成四因素即可，試驗(yàn)結(jié)果分析方法同上。

5 結(jié)論

（1）動(dòng)態(tài)熱阻法測(cè)垢技術(shù)能夠很好地反映管道內(nèi)的結(jié)垢規(guī)律及結(jié)垢誘導(dǎo)期，并預(yù)測(cè)到各個(gè)工況條件下的最優(yōu)、最差工況，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供指導(dǎo)方案。

（2）溫度是動(dòng)態(tài)熱阻法測(cè)垢技術(shù)的最不穩(wěn)定因素，溫度控制不好，試驗(yàn)管段進(jìn)、出口溫度波動(dòng)大，影響熱阻值的準(zhǔn)確性，如果誤差過(guò)大會(huì)使試驗(yàn)數(shù)據(jù)失去意義。因此要采取相應(yīng)措施做好溫度控制。

（3）動(dòng)態(tài)熱阻法測(cè)垢技術(shù)能夠準(zhǔn)確地判斷化學(xué)藥劑阻垢性能的優(yōu)劣。

總之，利用本試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對(duì)油田油氣集輸管道內(nèi)的溫度、水質(zhì)、阻垢劑等條件進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.018

陳海陽(yáng)：中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣儲(chǔ)運(yùn)博士生，主要從事原油儲(chǔ)運(yùn)研究。

（0532）86981757、chenhy@upc.edu.cn。

（欄目主持 張秀麗）