含硫注水管道清洗除垢技術(shù)應(yīng)用與推廣

楊永彬，魏友國，畢晶晶

中國石油塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000

含硫注水管道清洗除垢技術(shù)應(yīng)用與推廣

楊永彬，魏友國，畢晶晶

中國石油塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000

針對(duì)塔中油田幾條注水干線結(jié)垢和內(nèi)腐蝕嚴(yán)重的問題，進(jìn)行了結(jié)垢與內(nèi)腐蝕之間的影響機(jī)理研究和清洗藥劑配方試驗(yàn)，并多次應(yīng)用酸洗除垢技術(shù)對(duì)塔中油田數(shù)條注水管道（包括支線）進(jìn)行了清洗作業(yè)，均取得良好效果。

含硫注水管道；酸洗；除垢；藥劑配方

1 塔中油田注水管網(wǎng)情況簡(jiǎn)介

塔里木油田塔中作業(yè)區(qū)注水系統(tǒng)于 1997 年投運(yùn)，設(shè)計(jì)注水壓力 25 MPa，注入水采用油田污水處理系統(tǒng)處理后污水，目前日注水量平均 2 300 m3/d，總礦化度（8～10）萬 mg/L，pH 平均值 6.0，含有少量硫化物，呈弱酸性。注水系統(tǒng)簡(jiǎn)要工藝流程見圖1。

圖1 注水系統(tǒng)工藝流程示意

其中 1#注水干線分三段，規(guī)格分別為D 273×22 、D 168×14和D114×10 ，總長(zhǎng)8 500 m；2#注水干線規(guī)格分為 D 273×22和D 219×18，總長(zhǎng)4 500 m。由于投用時(shí)間長(zhǎng)，水質(zhì)礦化度高和含硫化物等因素，油田注水系統(tǒng)尤其是注水干線結(jié)垢嚴(yán)重；另外近年來腐蝕穿孔刺漏現(xiàn)象日益嚴(yán)重，2011 年僅注水干線刺漏就達(dá)到76次，給安全生產(chǎn)帶來巨大隱患。

2 注水水質(zhì)和結(jié)垢危害

2.1 注水水質(zhì)（見表1）

表1 用于回注的處理后污水各項(xiàng)指標(biāo)（2012年12月數(shù)據(jù)）

由表1可見，塔中油田用于回注的處理后污水為氯化鈣型，總礦化度極高，其中氯離子、鈣鎂離子、硫酸根離子、懸浮物和鉀鈉離子含量大多超標(biāo)，會(huì)直接導(dǎo)致管內(nèi)結(jié)垢和腐蝕。根據(jù)注水水質(zhì)分析結(jié)果推斷注水系統(tǒng)結(jié)垢分為兩類：一類是因?yàn)殁}離子濃度過高，加之水中碳酸氫根濃度較高，產(chǎn)生的結(jié)垢主要成分為碳酸鈣；另一類為硫化亞鐵腐蝕結(jié)垢。

2.2 結(jié)垢危害

2.2.1 管阻增大管阻增大問題可以從管道工作壓力的變化反映出來。對(duì)于結(jié)垢管道，向注水泵出口的 1#注水干線注入酸液 300 kg/min,初期管道壓力 2.1 MPa，泵車壓力 2.6 MPa，隨著酸液的泵入，壓力逐漸降低，同等排量泵入頂替液 40 m3時(shí)，管道壓力降低為 1.1 MPa，泵車壓力 1.5 MPa，壓力下降明顯。這說明清洗前污垢堵塞了管道，使管道壓力升高。

2.2.2 因結(jié)垢導(dǎo)致水質(zhì)二次污染

從注水站出發(fā)的處理后污水通過注水干線在回注過程中，懸浮物、腐蝕速率、含油量和總礦化度等都明顯增加，見表2。

表2 注水干線結(jié)垢對(duì)注入水水質(zhì)的二次污染（2012年12月數(shù)據(jù)）

原因在于：注水干線內(nèi)存在嚴(yán)重結(jié)垢與腐蝕產(chǎn)物，結(jié)垢下層還存有垢下腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物和油膜在水流沖刷作用下會(huì)不斷脫落，增加水質(zhì)懸浮物和含油量；水質(zhì)被污染后，細(xì)菌數(shù)量增加，金屬管材均勻腐蝕速率同時(shí)增加。

3 塔中油田酸洗技術(shù)應(yīng)用概況

為解決塔中油田幾條注水干線結(jié)垢和內(nèi)腐蝕嚴(yán)重的問題，設(shè)立可循環(huán)的封閉系統(tǒng)，采用管道循環(huán)法，用酸性清洗藥劑現(xiàn)場(chǎng)浸泡循環(huán)，然后應(yīng)用清水循環(huán)清洗等手段，逐漸消除溶解或粉碎肢解管道內(nèi)部結(jié)垢；酸洗后的帶垢殘液經(jīng)回收后集中進(jìn)行無害處理。

3.1 結(jié)垢成分與結(jié)垢原因分析

3.1.1 結(jié)垢成分試驗(yàn)分析

2010 年 4 月進(jìn)行注水干線第一次清洗作業(yè)時(shí)，將1#注水干線切斷作目視檢測(cè)，干線內(nèi)結(jié)垢環(huán)形厚度70～75mm，敲擊下來呈塊狀，松軟，內(nèi)部為紅褐色，外表部分被污油覆蓋，有腐臭味。分別在1#和2#注水干線各取垢樣 20 g，立即密封，編號(hào)分別為 1#垢樣和 2#垢樣，用石油醚清洗油污后采用原子發(fā)射光譜法對(duì)兩垢樣中的金屬原子進(jìn)行定性分析，結(jié)果表明 1#與 2#垢樣組成成分類似，主要成分為碳酸鈣，可歸結(jié)為水垢，化驗(yàn)成分見表3。

表3 注水干線結(jié)垢試驗(yàn)分析結(jié)果

在 4 種主要垢樣成分中，鈉和鉻成鹽后溶解度較高，不是結(jié)垢的主要原因，它們是垢樣夾雜的元素。

從分析試驗(yàn)結(jié)果可以看出塔中 1#和 2#注水干線內(nèi)的堵塞物主要是碳酸鈣、硫化亞鐵腐蝕產(chǎn)物和污油，同時(shí)含一定泥沙，堵塞管道主要原因是污水處理系統(tǒng)老化，注入水處理不達(dá)標(biāo)。

3.1.2 結(jié)垢影響因素分析

碳酸鹽垢的結(jié)垢過程主要受溫度、pH 值、壓力、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等因素的影響，其中溫度主要影響碳酸鈣在水中的溶解度，注水干線管道溫度為 50 ～ 60 ℃。

本次試驗(yàn)主要考察溫度和 pH 值對(duì)管道結(jié)垢的影響。以 1#垢樣為例，固定其他條件，分別改變溫度和 pH 值，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分析不同溫度和不同 pH 值條件下注水系統(tǒng)結(jié)垢變化趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果分別見表4和表5。由試驗(yàn)結(jié)果可以得到結(jié)垢的影響規(guī)律：隨著溫度和 pH 值的升高，水樣的原始硬度減小，即成垢離子含量降低，說明結(jié)垢趨于嚴(yán)重，即水溫越高，pH 值越大，結(jié)垢趨勢(shì)越大。

表4 回注水結(jié)垢量隨溫度的變化

表5 回注水結(jié)垢量隨 pH 值的變化

另外流速、流態(tài)、集輸壓力對(duì)結(jié)垢也有影響。

Ca(HCO3)2→ CaCO3↓+ CO2↑ + H2O 為影響結(jié)垢的平衡反應(yīng)式，若流速突然加大，引起局部脫氣，使CO2分壓降低，上式平衡向右移動(dòng)，引起 CaCO3結(jié)垢，一旦壓力降低，二氧化碳溢出，使化學(xué)平衡向右移動(dòng)，生成 CaCO3垢；輸送過程中離子的飽和狀態(tài)改變,會(huì)導(dǎo)致成垢離子結(jié)晶析出；管道結(jié)垢后，管徑縮小、阻力增大，特別在彎頭處結(jié)垢嚴(yán)重，出現(xiàn)截流現(xiàn)象，造成前端干線壓力升高，壓力對(duì) CaCO3、CaSO4、BaSO4結(jié)垢均有影響，在管道輸送過程中,集輸壓力一般都是降低的，因此后端結(jié)垢呈上升趨勢(shì)。

3.2 清洗藥劑

3.2.1 腐蝕性試驗(yàn)

該注水管道材質(zhì)為 20#無縫鋼管，為確保將酸性清洗藥劑對(duì)管材的腐蝕作用降到最低，必須事先選取相同材質(zhì)以及低合金油管等多種鋼片做腐蝕對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果見表6。

表6 酸性溶液對(duì)鋼片腐蝕速率的測(cè)試結(jié)果

3.2.2 溶垢率測(cè)試

（1）取兩片質(zhì)量相同且形狀類似的垢樣各 5 g，分別放入 100 mL 10% 鹽酸溶液中和 100 mL 10% 氨基磺酸溶液中。

（2）試驗(yàn)觀察與濃度調(diào)整：垢樣與 10% 氨基磺酸溶液未見特別明顯的反應(yīng)，調(diào)整氨基磺酸體積分?jǐn)?shù)到 17%時(shí)，50 min 后最大溶解率為 63.16%，同樣質(zhì)量的垢樣在10% 鹽酸中溶解時(shí)間為 7 min，有大量氣體產(chǎn)生，反應(yīng)劇烈，經(jīng)鑒定為二氧化碳，同時(shí)有硫化氫臭味，剩余部分不溶物疏松，剝離后可沖洗清除。

試驗(yàn)證實(shí)，氨基磺酸不僅對(duì)管道的腐蝕性高于鹽酸，且除垢效果也沒有鹽酸好；另外由于垢樣油膜原因，在實(shí)際除垢液配方中增加了酸化用破乳劑以提高除垢效果，故在此選用 10% 鹽酸 + 0.2% 緩蝕劑 + 1% 破乳劑作為清洗藥劑液體。

3.3 浸泡酸洗和循環(huán)清洗

由于注水水質(zhì)呈酸性，含有 S2-，結(jié)垢成分中含有一定量硫化物，在酸性溶液浸泡作用下會(huì)產(chǎn)生硫化氫氣體，故在酸洗管道連接和清洗施工作業(yè)中務(wù)必做到管道連接無滲漏，嚴(yán)密監(jiān)控放氣點(diǎn)，監(jiān)測(cè)硫化氫氣體濃度和范圍，警戒安全區(qū)域，同時(shí)落實(shí)液相排出口安全管理，嚴(yán)防硫化氫傷人。酸洗設(shè)備設(shè)施及工藝流程示意見圖2。

圖2 注水干線酸洗設(shè)備設(shè)施及工藝流程示意

3.4 酸洗作業(yè)施工主要步驟

（1）按要求配置清洗液，備足替液清水。

（2）檢查排液點(diǎn)及氣體排放點(diǎn)準(zhǔn)備情況（備好點(diǎn)火火源）。

（3）按照工藝流程連接管道管件，并試壓穩(wěn)壓 10 min。

（4）泵入酸性清洗液、浸泡、沿線排氣（確定并控制泵壓和排量）。

（5）清水替液、沿線排氣，直至替液合格（最終出液 pH 值與注入點(diǎn)替液 pH 值相近，且無固體顆粒沉淀為合格），同時(shí)不間斷回收廢液。

（6）在被清洗管道沿線高點(diǎn)排氣口排氣卸壓，直至管道內(nèi)無壓力。

（7）管道試壓，試壓值為管道原工作壓力。

（8）須防范在清洗時(shí)出現(xiàn)穿孔，避免酸液和硫化氫氣體泄漏的危害。

3.5 酸洗作業(yè)安全注意事項(xiàng)

（1）在各氣相排放點(diǎn)和裝液操作點(diǎn)須安裝檢測(cè)硫化氫、可燃?xì)怏w檢測(cè)儀，安裝軸流風(fēng)機(jī)，作業(yè)時(shí)做好有害氣體濃度檢測(cè)和通風(fēng)工作。

（2）配備足夠的正壓式呼吸器，使操作人員安全地監(jiān)測(cè)各排放點(diǎn)硫化氫濃度。

（3）排氣點(diǎn)的點(diǎn)火處須有人監(jiān)管，不得出現(xiàn)火滅現(xiàn)象。

（4）清洗過程中泵壓若升高或下降過快，停泵檢查沿線排氣點(diǎn)和是否出現(xiàn)刺漏點(diǎn)。

（5）清洗液注入點(diǎn)須嚴(yán)密監(jiān)視注水量和壓力變化。

（6）沿線排氣點(diǎn)開口需位于管段高點(diǎn)，按照時(shí)鐘法位于12點(diǎn)鐘位置，排氣支管不可平放，以防氣阻，排液支管與管道低點(diǎn) 6 點(diǎn)鐘位置對(duì)接。

3.6 酸洗效果

以1#干線為例，其施工累計(jì)泵入清洗酸液 315 m3，泵入潔凈頂替液 256 m3。酸洗效果較好，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）施工過程中壓力下降，管道內(nèi)結(jié)垢被清除完畢。

（2）清洗液與垢反應(yīng)產(chǎn)生硫化氫氣體體積為 2 600～3 000 m3，燃燒約 40 h，火焰 0.5 ～ 1.0 m。

（3）清洗出糊狀污垢20車，約 550 m3。

（4）站內(nèi)與站外單井注水壓差減小。清洗前壓差4～ 5 MPa，清洗后壓差只有 0.8 MPa。

4 結(jié)束語

本次酸洗作業(yè)取得了良好的效果，有效提高了單井注水壓力和水量，減緩了管道垢下腐蝕，改善了水質(zhì)，有利于延長(zhǎng)管道壽命。隨后對(duì)該技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，并陸續(xù)應(yīng)用到3臺(tái)灣生活熱水鍋爐、閥門除垢、氣體脫硫塔和單井油汽集輸管道結(jié)垢等設(shè)備設(shè)施清洗作業(yè)中，效果極佳。

應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)清洗除垢后水質(zhì)指標(biāo)全面達(dá)標(biāo)，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯，成熟可靠，簡(jiǎn)單適用，節(jié)能環(huán)保，特別適用于油氣田注水管道、油氣集輸管道以及其他因高礦化度介質(zhì)結(jié)垢設(shè)備的清理作業(yè)。

[1]韓豐澤，趙美剛，曲江濤，等.注水管線酸洗除垢技術(shù)應(yīng)用 [J].新疆石油科技，2003,（3）：27-28.

[2]楊建華，南國立，王延海.注水管線酸洗除垢技術(shù) [J].石油工程建設(shè)，1998,（2）：42-43.

Application of Cleaning and Scale Removing Techniques in Water Injection Pipeline Containing Sulphide

Yang Yongbin,Wei Youguo,Bi Jingjing
PetroChina Tarim Oilfield Company,Korla 841000,China

Aiming at the problems of severe scale deposit and corrosion in several water injection pipelines in Tazhong Oilfield,the research on influence mechanism between scaling and internal corrosion as well as the tests of cleaning agent formulas were carried out.The cleaning operations utilizing the techniques of acid washing and scale removing for several water injection pipelines（including branch pipelines）were implemented for many times and got good results.

water injection pipeline containing sulphide;acid washing;scale removing;agent formula

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.013

楊永彬（1969-），男，四川瀘縣人，工程師，1991年畢業(yè)于重慶石油學(xué)校礦機(jī)專業(yè)，從事油田開發(fā)生產(chǎn)管理工作。

2013-07-07