大港南部油田注水管道除垢節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

郭成平 常銘 趙留陽 于嘉亮 寧亞軍（大港油田公司第三采油廠工藝所）

大港南部油田回注污水水性較差，礦化度高（2×104～4×104mg/L），溫度高（55～70℃），造成注水管道結(jié)垢（圖1）嚴(yán)重。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計(jì)，目前在用的100條注水系統(tǒng)管道中壓損超過3.0MPa的有20條，總長度26.2km，平均壓損達(dá)到4 MPa；在用的484條注水井單井注水管道中壓損大于3.0MPa的68條，總長度38.86km，平均壓損5.8 MPa。由于管道結(jié)垢嚴(yán)重壓損大，管道末點(diǎn)壓力低，造成注水井欠注、系統(tǒng)無功損耗增加，同時對回注污水水質(zhì)形成二次污染，影響油田注水開發(fā)。

圖1 注水管道結(jié)垢圖片

1 存在的問題

1.1 無功損耗增加，系統(tǒng)效率降低

由于注水管道結(jié)垢壓損大，管道末點(diǎn)壓力低，為保證配注泵站需提高運(yùn)行壓力，因此造成注水系統(tǒng)無功損耗增加，系統(tǒng)整體效率降低。另外，由于管道結(jié)垢壓損大，造成部分水井采取單井增注，能耗增加，管理及維修工作量增加。

1.2 水質(zhì)二次污染嚴(yán)重

多年來，只重視污水處理系統(tǒng)表面的運(yùn)行，對污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行過程控制及日常管理不到位，儲罐定期清砂、排污的制度沒有形成，大部分儲罐沉砂、積油，造成水質(zhì)嚴(yán)重的二次污染（表1）。

表1 部分管道二次污染取樣數(shù)據(jù)

1.3 形成安全隱患

由于管道結(jié)垢，壓損增大，系統(tǒng)運(yùn)行壓力升高，造成地面注水設(shè)施承壓升高，形成安全隱患。

2 除垢技術(shù)研究與應(yīng)用

為了解決南部油田注水管道結(jié)垢問題，對不同管道、不同垢質(zhì)進(jìn)行了深入細(xì)致的研究分析，制定出不同的技術(shù)方案，優(yōu)選了3種除垢技術(shù)即注水管道通球除垢技術(shù)、化學(xué)清洗除垢技術(shù)、“射流”（物理）除垢技術(shù)，解決了南部油田注水管道結(jié)垢問題，取得可觀的經(jīng)濟(jì)及社會效益。

2.1 通球除垢技術(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用效果

2.1.1 除垢器（球）除垢技術(shù)原理

聚氨酯軟體除垢器是由優(yōu)質(zhì)進(jìn)口聚氨酯原料和獨(dú)特的發(fā)泡工藝制造而成，經(jīng)過特殊的加工工藝，對于垢質(zhì)較硬的管道，可在軟體除垢器的基礎(chǔ)上，加上帶有高強(qiáng)度的鋼釘組成加強(qiáng)型軟體除垢器。除垢過程中，除垢器在壓力的作用下，對管道內(nèi)壁的垢進(jìn)行刮削，達(dá)到除垢的目的。此種方法簡單易行，安全環(huán)保，投資低（圖2、圖3）。

圖2 加強(qiáng)型軟體除垢器

圖3 普通型軟體除垢器

2.1.2 除垢器的特點(diǎn)

通過能力強(qiáng)，可通過1.0D彎頭，用于結(jié)垢較厚、結(jié)垢不規(guī)則的管線，其最大變形大于等于50%，當(dāng)卡阻時可通過提高輸送壓力將其漲碎而不會堵塞管線。安裝方便，通球過程中容易控制，操作簡便、安全，可實(shí)現(xiàn)白天通球、晚上繼續(xù)注水的間斷方式，不影響正常注水。

2.1.3 注水管道通球除垢情況及效果分析

1）除垢工作量完成及效果

自2006年開始應(yīng)用新型注水管道除垢器技術(shù)以來，總計(jì)對29條注水干線、25條單井注水管道實(shí)施了通球除垢。29條系統(tǒng)干線除垢后，平均壓損由3.5MPa降至1.1MPa，凈降壓損2.4MPa；25條單井注水管道除垢后，平均壓損由4.0MPa降至1.2 MPa，凈降壓損2.8MPa。

2）節(jié)能效果分析

注水泵的輸出功率為

在井口壓力不變時，泵輸出功率只與克服管道摩阻消耗能量有關(guān)，即

在流量不變的情況下，通過管道除垢降低泵出口壓力，可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。其節(jié)能效果如下：

◇注水管道實(shí)施通球除垢后，有4個注水站因除垢而實(shí)現(xiàn)降壓運(yùn)行，平均降低壓力2.6MPa，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電157.2×104kWh；

◇共停運(yùn)2臺增壓泵，有16臺在用增注泵因進(jìn)口壓力升高而降低了增注壓力，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電338.7×104kWh；

◇注水管道除垢后因末點(diǎn)壓力升高，注水井實(shí)現(xiàn)正常配注，從而取消了增加12臺增注泵的計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)年間接節(jié)電326.9×104kWh。

注水系統(tǒng)通球除垢年節(jié)電822.8×104kWh，投資246.5萬元，投入產(chǎn)出比1∶2.6，投資回收期4.6月（表2）。

表2 注水系統(tǒng)通球除垢整體效果及經(jīng)濟(jì)效益

3）有效解決注水井欠注問題

注水管道實(shí)施通球除垢后，由于管道壓損降低，末點(diǎn)壓力上升，解決欠注井28口，增加注水量870m3/d。

4）有效降低水質(zhì)的二次污染

注水管道實(shí)施通球除垢后，有效地解決了管道結(jié)垢對回注水產(chǎn)生的二次污染（表3）。

2.2 化學(xué)清洗除垢技術(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用效果

2.2.1 技術(shù)原理

派迪清洗液主要由有機(jī)絡(luò)合物（母本載體）和水系統(tǒng)運(yùn)行除垢清洗液組成。根據(jù)配位場化學(xué)最新理論：金屬離子的d軌道在某些配位化合物靜電場影響下可發(fā)生分裂而形成能量不同的軌道。當(dāng)配位體給出的孤對電子與中心金屬元素形成α鍵時，若該配位體分子中存在空的π分子與軌道或空的pd分子軌道，且對稱時，中心元素d軌道上的孤對電子可與配位體形成反饋π鍵，從而形成穩(wěn)定配位化合物——絡(luò)合物?；谝陨显?，首先選用能使Ca2+、Mg2+d軌道發(fā)生能級分裂，且有π分子軌道的化合物作為π接受配位體，當(dāng)這些化合物與鈣、鎂水垢作用時，可與Ca2+、Mg2+形成穩(wěn)定的化合物，從而破壞結(jié)垢化合物的分子結(jié)垢，將垢中含Ca2+、Mg2+的物質(zhì)溶解；其次選用油污清洗劑溶解各種油污、灰泥等污垢（圖4）。

表3 部分注水干線除垢前后水質(zhì)數(shù)據(jù)跟蹤對比

圖4 化學(xué)清洗設(shè)備

2.2.2 技術(shù)特點(diǎn)

派迪清洗的技術(shù)特點(diǎn)為：溶解垢、油污徹底，不燃不爆，無毒、無腐蝕，對于垢質(zhì)堅(jiān)硬、通球無法解決的管道，該技術(shù)可輕易解決，適于所有結(jié)垢管道。

在清洗施工過程中，針對化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生H2S氣體造成的安全隱患，利用酸堿中和原理及活性碳吸收特性，改進(jìn)了H2S氣體處理設(shè)備。經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用和檢測，排放氣體指標(biāo)均在安全允許范圍之內(nèi)（圖5）。

圖5 硫化氫處理設(shè)備

2.2.3 注水管道化學(xué)清洗及效果分析

1）清洗工作量及效果

自2006年開始應(yīng)用新型注水管道化學(xué)清洗技術(shù)以來，總計(jì)對29條單井注水管道實(shí)施了化學(xué)清洗除垢，平均壓損由5.9MPa降至0.8MPa，凈降壓損5.1MPa。

2）節(jié)能效果分析

注水管道除垢后因末點(diǎn)壓力升高，注水井實(shí)現(xiàn)正常配注，從而取消了增加7臺注水泵的計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)年間接節(jié)電194.6×104kWh。

單井注水管道化學(xué)清洗除垢年節(jié)電194.6×104kWh，投資121萬元，投入產(chǎn)出比1∶1.25，投資回收期9.6月（表4）。

表4 注水系統(tǒng)化學(xué)清洗除垢整體效果及經(jīng)濟(jì)效益

3）有效解決注水井欠注問題

注水管道實(shí)施化學(xué)清洗除垢后，由于管道壓損降低，末點(diǎn)壓力上升，共計(jì)解決欠注井27口，增加注水量843m3/d。

2.3 射流（物理清洗）除垢技術(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用效果

2.3.1 技術(shù)原理

清洗儀器上設(shè)計(jì)安裝了內(nèi)振系統(tǒng)和射流噴嘴，將清洗儀器投入管道中，在水力的推動下旋轉(zhuǎn)行進(jìn)，水流自尾翼壓入內(nèi)振系統(tǒng)，猛烈收縮又急劇膨脹，生成無數(shù)空泡，匯入噴嘴后，在清洗儀器周圍形成爆破性沖擊射流，擊打前方的管垢，然后與沖擊清洗下來的碎垢一道匯聚成湍流，向前竄動，直達(dá)排污口（圖6）。

圖6 射流除垢儀模擬圖片

2.3.2 技術(shù)特點(diǎn)

射流除垢是物理清洗過程，施工過程中不產(chǎn)生任何有毒氣體，安全可靠；操作簡便，一旦清洗儀器卡阻，用泵車反打水，一般情況下清洗儀器能順利退出，不會卡堵管道；通過能力強(qiáng)，可通過1.0 D彎頭；管道除垢較徹底，除垢率達(dá)90%以上。

2.3.3 注水管道射流除垢及效果分析

1）除垢工作量及效果

截至目前，總計(jì)對18條注水干線、81條單井注水管道實(shí)施了通球除垢。18條系統(tǒng)干線除垢后，平均壓損由3.0MPa降至1.0MPa，凈降壓損2.0 MPa；81條單井注水管道除垢后，平均壓損由2.5 MPa降至0.6MPa，凈降壓損1.9MPa（圖7）。

圖7 除垢前后比較

2）節(jié)能效果分析

停運(yùn)增壓泵1臺，取消增注泵1臺，有3臺在用增注泵因進(jìn)口壓力升高而降低增注壓力，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電82×104kWh。

注水管道實(shí)施射流除垢年節(jié)電82×104kWh，投資180萬元，投入產(chǎn)出比1∶0.36，投資回收期2年10個月（表5）。

表5 注水系統(tǒng)射流除垢整體效果及經(jīng)濟(jì)效益

3）有效解決注水井欠注問題

注水管道實(shí)施通球除垢后，由于管道壓損降低，末點(diǎn)壓力上升，共計(jì)解決欠注井8口，增加注水量570m3/d。

4）有效降低水質(zhì)的二次污染

注水管道實(shí)施通球除垢后，有效解決了管道結(jié)垢對回注水產(chǎn)生的二次污染（表6）。

表6 部分井除垢前后水質(zhì)數(shù)據(jù)對比

3 主要成果及認(rèn)識

3.1 注水系統(tǒng)整體效果及經(jīng)濟(jì)效益

2006年至今，南部油田注水管道通過采取通球、化學(xué)清洗、射流（物理清洗）等除垢技術(shù)，共完成除垢管道187條，除垢總長度144650m。

注水系統(tǒng)年節(jié)電1099.4×104kWh，年節(jié)電費(fèi)857.5萬元，投資547.5萬元，投入產(chǎn)出比1∶1.57，投資回收期7.7月（表7）。

表7 改造項(xiàng)目的節(jié)電量與投資額

3.2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1）通球除垢技術(shù)、化學(xué)除垢技術(shù)、射流除垢技術(shù)的應(yīng)用有效解決了不同注水管道除垢難的問題，實(shí)現(xiàn)了注水管道實(shí)施除垢的技術(shù)新突破，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

2）化學(xué)清洗技術(shù)能夠有效清除管道結(jié)垢，效果較好，但因存在產(chǎn)生硫化氫氣體的安全隱患，需進(jìn)一步改進(jìn)。

3）從結(jié)垢的嚴(yán)重程度和垢質(zhì)成分方面考慮，對于垢質(zhì)較軟、結(jié)垢厚度小于管道內(nèi)徑30%～40%的管道可采用費(fèi)用較低的通球技術(shù)；而垢質(zhì)較硬、結(jié)垢厚度超過管道內(nèi)徑50%的管道則以射流除垢技術(shù)為主。

4）通完球的管線，通過系統(tǒng)添加阻垢劑或定期通球的方式，積極預(yù)防垢的再次形成。