空穴射流技術(shù)在橇裝增壓裝置清垢中的應(yīng)用

熊小偉，王 軍，崔雪琳，崔文喆，侯艷紅

（1.中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750001；2.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017399；3.中國石油長慶油田分公司第八采油廠，陜西延安 717600）

空穴射流技術(shù)在橇裝增壓裝置清垢中的應(yīng)用

熊小偉1，王 軍1，崔雪琳2，崔文喆3，侯艷紅1

（1.中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750001；2.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017399；3.中國石油長慶油田分公司第八采油廠，陜西延安 717600）

因集成了常規(guī)增壓站點(diǎn)油氣分離、緩沖、加溫、增壓等功能，橇裝增壓集成裝置內(nèi)管線密度高，彎頭使用數(shù)量多，導(dǎo)致盤管內(nèi)壁易沉積垢質(zhì)。裝置內(nèi)盤管結(jié)垢后將影響原油的正常流動、加溫和增壓外輸，結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致裝置管線堵塞，站點(diǎn)功能無法發(fā)揮正常。利用水力空穴射流技術(shù)能徹底清除附著在橇裝增壓集成裝置盤管內(nèi)壁的堅(jiān)硬、難溶的硫酸鋇鍶垢，且施工時(shí)間短、效率高、無環(huán)境污染。從姬源油田H區(qū)現(xiàn)場應(yīng)用效果來看，增壓裝置清垢后能較大幅度提高盤管換熱效率，降低裝置系統(tǒng)壓力，延長盤管使用壽命，降低生產(chǎn)成本，具有一定的推廣應(yīng)用前景。

橇裝增壓裝置；空穴射流；物理清垢

數(shù)字化橇裝增壓集成裝置將加熱、分離緩沖、油氣分離、油氣混輸?shù)裙δ芗谝惑w，有效解決了姬源油田H區(qū)塊因區(qū)塊管轄范圍大、油井分散，建增壓站點(diǎn)征地難度大、工程投資費(fèi)用高、建設(shè)周期長等問題。但因其采用橇裝緊湊化設(shè)計(jì)，裝置內(nèi)部集輸管徑小、彎頭使用數(shù)量多，在生產(chǎn)運(yùn)行過程中極易引起管線結(jié)垢等問題，既造成了能源浪費(fèi)又影響了原油加溫外輸及正常生產(chǎn)。

1 結(jié)垢情況

H區(qū)塊內(nèi)各橇裝增壓站點(diǎn)均接收長8、長9等油層產(chǎn)出液體，由于地層不同，原油成分不同，流體配伍性差且含水高?；旌虾笳緝?nèi)設(shè)備結(jié)垢嚴(yán)重。流體進(jìn)入站內(nèi)閥組總機(jī)關(guān)后混合，閥組下游的管線幾乎全部存在結(jié)垢現(xiàn)象，從閥組出口的觀察短節(jié)看，結(jié)垢速度約為15 mm/a，部分設(shè)備甚至在2個(gè)月后就出現(xiàn)了被完全垢堵死的現(xiàn)象。

1.1 結(jié)垢機(jī)理

當(dāng)成垢離子含量超過溶度積時(shí)，在一定的溫度、pH值條件下，就會有垢生成。如隨著硫酸根、碳酸氫根、鎂離子、鈣離子、鋇離子、鍶離子等結(jié)垢離子含量的增加，結(jié)垢程度會增大；但隨著鉀、鈉離子等非結(jié)垢離子含量的增加，結(jié)垢程度會有所減小。在一般情況下，隨著溫度的升高、pH值增高，結(jié)垢量會增加。

垢的形成較為復(fù)雜，過程通常如下：水中成垢離子結(jié)合形成溶解度很小的鹽類分子，分子結(jié)合后排列形成微晶體，大量晶體堆積長大，在不同條件下，會形成不同形狀的垢。

1.2 離子分析

H區(qū)長8、長9地層水型均為CaCl2型，但長8地層中Ca2+含量高達(dá)7 944 mg/L，在與長9地層水在不同比例下混合時(shí)，會與其SO42-結(jié)合生成CaSO4的沉淀。同時(shí)，在一定的條件下，SO42-還會與混合的地層水中的Ba2+、Sr2+，有機(jī)物，細(xì)菌以及泥沙相互組合，最終形成各種化合物并析出粘附于管壁上?；衔镌诟邷馗邏旱臈l件下會發(fā)生物理化學(xué)變化，如形成結(jié)構(gòu)非常致密、硬度較高的BaSO4，SrSO4的無機(jī)垢質(zhì)及有機(jī)瀝青膠質(zhì)（見表1）。

表1 H區(qū)塊地層水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

如H區(qū)塊內(nèi)某增壓站點(diǎn)結(jié)垢管線內(nèi)垢樣組成為：含硫酸鋇61.6%、硫酸鍶19.2%、硫酸鈣5.2%，屬典型的硫酸鋇、鍶混合型酸不溶垢。

2 清垢技術(shù)現(xiàn)狀

若裝置內(nèi)盤管結(jié)垢，管線阻力增加，裝置系統(tǒng)運(yùn)行壓力增高，原油外輸也會受影響；另一方面，為了保證原油出口溫度，需要提升加熱爐爐腔內(nèi)溫度，又會減少加熱爐火管及煙管的使用壽命。當(dāng)橇裝增壓集成裝置系統(tǒng)壓力增高，換熱效率降低時(shí)，可能導(dǎo)致裝置加熱功能停用，因此需要及時(shí)對其內(nèi)部管線、盤管進(jìn)行清垢。

2.1 化學(xué)清垢

橇裝增壓集成裝置內(nèi)部管線、盤管清垢曾經(jīng)采用化學(xué)方法，即利用酸液配方與盤管內(nèi)的無機(jī)、有機(jī)垢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)完成后，垢質(zhì)脫落、溶解于酸液中。再通過加入適量堿液中和后，用清水反復(fù)沖洗管線?；瘜W(xué)清垢方法雖然操作容易，但施工過程中酸液會腐蝕損壞管線、還可能會產(chǎn)生有毒、有害的H2S氣體，造成空氣污染及施工人員中毒事故，而且化學(xué)清垢還存在施工周期長、效率低等問題。

2.2 高壓水射流清垢

該技術(shù)基本原理是利用高壓柱塞泵將普通清水加壓到15 MPa～150 MPa，然后通過1 mm～2 mm噴嘴的孔徑，產(chǎn)生200 m/s～500 m/s高速水射流。能量高度集中的高壓水射流連續(xù)不斷地作用在被清洗的管道內(nèi)壁產(chǎn)生巨大沖刷力（拉伸力）和磨削（切向力），引起管線內(nèi)的垢質(zhì)從其裂縫及孔隙處開始破碎、脫落，最終隨水流排出。該技術(shù)具有成本低、效率高、無污染、不損壞管線、設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。但只有當(dāng)高壓水射流的壓力大于垢質(zhì)本身的耐壓強(qiáng)度時(shí)，垢質(zhì)才會產(chǎn)生破裂、脫落。

2.3 水力空穴射流清垢

該技術(shù)采用流體力學(xué)領(lǐng)域中的“空穴效應(yīng)”原理，利用在堵塞管線中放入的特制清垢器，水流在通過交錯(cuò)疊加的韌性葉片間隙時(shí)流速升高，壓力降低，產(chǎn)生空化氣泡，引發(fā)空穴效應(yīng)。而空化氣泡潰裂的瞬間，徑向上內(nèi)流會產(chǎn)生極高的微射流，無數(shù)的微射流匯聚成沖擊波，形成對固體邊界的高速沖擊，從而破壞管壁上沉積物與垢質(zhì)。同時(shí)在水流的推動作用下，清垢器周圍一直會形成空化氣泡，達(dá)到了垢質(zhì)被連續(xù)剝離，最終達(dá)到管線清垢的目的，且清垢器尺寸較小，彈性壓縮形變大，通過能力強(qiáng)，適用范圍廣[1，2]。

3 現(xiàn)場應(yīng)用與效果分析

由于H區(qū)各站點(diǎn)橇裝增壓集成裝置內(nèi)管線垢樣為不溶于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的硫酸鹽垢，且垢質(zhì)堅(jiān)硬，采用傳統(tǒng)的化學(xué)清垢及高壓水射流清垢難以湊效，所以計(jì)劃在z1等6個(gè)橇裝增壓站點(diǎn)試驗(yàn)水力空穴射流清垢。

3.1 施工工序

水力空穴射流物理清垢時(shí)需要配套水泥泵車、罐車等特種車輛。水泥車上三缸柱塞泵額定壓力為15 MPa，額定排量為30 L/min，使用清垢工作液為清水。清垢時(shí)，實(shí)際工作壓力可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

清水由水箱經(jīng)柱塞泵加壓變成高壓水，再通過高壓軟管到達(dá)清垢器。高壓低流速水流在通過交錯(cuò)疊加的韌性葉片后引發(fā)空穴效應(yīng)，從而剝離、去除管壁上的垢質(zhì)。清垢器依靠水流的推進(jìn)作用在管道內(nèi)自動向前移動[3-6]。管壁清除下來的部分污質(zhì)也隨水流清出管外，其主要施工過程如下：

（1）組織施工人員（包括水泥車、罐車司機(jī)、現(xiàn)場施工人員等），進(jìn)行全過程安全風(fēng)險(xiǎn)識別教育，以保證施工過程中不發(fā)生中毒窒息或人員傷害事故；

（2）現(xiàn)場檢查確認(rèn)無誤并確認(rèn)已具備施工條件后開始施工作業(yè)；

（3）先停止裝置運(yùn)行，打開旁通，確保進(jìn)液、外輸流程斷開后再將橇裝增壓集成裝置進(jìn)油盤管泄壓放空；

（4）水泥泵車入口管線與備水罐車出口相連接，同時(shí)將盤管進(jìn)口與水泥泵車出口管線相連接、盤管出口與空罐車上排污管線入口相連接；

（5）啟動水泥車，用水清掃盤管。清掃時(shí)觀察壓力變化，并判斷盤管是否有破損；

（6）在橇裝增壓集成裝置盤管進(jìn)口安裝清垢裝置、排污管線末端安裝接收裝置；

（7）啟動水泥車，推動盤管中的清垢裝置至接收裝置，運(yùn)行壓力控制在2 MPa以內(nèi)，超此壓力應(yīng)停止清垢作業(yè)；

（8）每次清垢完成后，注意觀察盤管進(jìn)出口斷面垢質(zhì)殘余量和盤管出口流體內(nèi)垢質(zhì)含量；

（9）依據(jù)現(xiàn)場盤管內(nèi)結(jié)垢程度及出口流體內(nèi)垢質(zhì)含量，多次重復(fù)清垢；

（10）在管線清垢完畢后，恢復(fù)流程，在管線不滲不漏后，恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行。

3.2 效果分析

H區(qū)z1站內(nèi)橇裝增壓集成裝置內(nèi)管線結(jié)垢平均厚度達(dá)20 mm且較致密，導(dǎo)致管徑變細(xì)、系統(tǒng)壓力升高（0.5 MPa至1.1 MPa），換熱效果差（來液進(jìn)口溫度18℃，出口35℃），集輸系統(tǒng)運(yùn)行困難。

在實(shí)施空穴射流物理清垢時(shí)，清出垢量先為瀝表蠟質(zhì)有機(jī)垢，后為硬質(zhì)無機(jī)垢。清垢完成后，管線進(jìn)出口均無垢質(zhì)，橇裝增壓集成裝置進(jìn)出口管線內(nèi)徑恢復(fù)率達(dá)95%以上，且設(shè)備運(yùn)行壓力降低至0.5 MPa，來液出口溫度上升至45℃，其加熱爐的換熱效率有較大幅度提升（見表 2，圖 1）。

表2 清垢效果統(tǒng)計(jì)表

圖1 z1站橇裝增壓集成裝置清垢效果對比圖

4 經(jīng)濟(jì)評價(jià)

H區(qū)采出層位多，流體配伍性差，結(jié)垢速度較快，站內(nèi)橇裝增壓集成裝置管線與盤管結(jié)垢非常嚴(yán)重，新?lián)Q盤管少則3個(gè)月多則半年，就形成厚達(dá)10 mm～20 mm的垢層。站內(nèi)雖采用添加阻垢劑、配套地面電磁防垢器等措施，但效果并不明顯，只是在一定程度上延緩了結(jié)垢速度，最終只能靠更換盤管來維持運(yùn)行，成本投入較高。

若未使用水力空穴射流技術(shù)清垢前，裝置內(nèi)盤管每年更換1次、預(yù)計(jì)每臺次費(fèi)用在8萬元/年；而使用該技術(shù)后，每臺次費(fèi)用僅為2萬元/年，每臺就可節(jié)約成本6萬元/年。清垢后，設(shè)備立即投入運(yùn)行，既縮短了工期、又節(jié)約了資金，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 改進(jìn)建議

采用水力空穴射流技術(shù)對橇裝增壓集成裝置內(nèi)管線、盤管進(jìn)行清洗除垢時(shí)，在施工前必須弄清垢質(zhì)類型、管徑等詳細(xì)情況，優(yōu)選清垢裝置尺寸及參數(shù)，充分考慮施工過程中的不確定因素，保證施工的正常進(jìn)行，盡量減少對生產(chǎn)的影響。

（1）經(jīng)過對幾種清垢方式比較發(fā)現(xiàn)，各種除垢方式均有一定的適用范圍。后期可針對垢質(zhì)類型，采用一種或多種工藝，以達(dá)到最佳的防垢效果：如針對硫酸鋇鍶垢等類型，可以試驗(yàn)化學(xué)清垢與物理清垢相結(jié)合的方法，提高清垢成功率。

（2）因裝置內(nèi)管線、盤管的形狀較為復(fù)雜，轉(zhuǎn)角較大（U形管或螺旋管），在設(shè)計(jì)水力空穴射流清垢裝置時(shí)應(yīng)選用內(nèi)徑合理、彈性較大、收縮性較好、耐沖蝕的柔性葉片，以提高其通過能力，減少施工周期，保證清垢效率。

6 結(jié)語

H區(qū)塊多層系復(fù)合開發(fā)中導(dǎo)致設(shè)備結(jié)垢嚴(yán)重，水力空穴射流清垢技術(shù)克服了傳統(tǒng)化學(xué)清垢帶來的管線腐蝕及環(huán)境污染問題，高效地解決了裝置盤管結(jié)垢，設(shè)備運(yùn)行壓力上升，造成站點(diǎn)運(yùn)行困難等問題。該技術(shù)不僅大大降低生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)盤管的更新維護(hù)費(fèi)用，延長了設(shè)備的使用壽命，同時(shí)可為油田生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能降耗提供有力保障，對于降低油田改造投資、保證安全生產(chǎn)具有重要的意義。

（1）空穴射流清垢技術(shù)具有清洗速度快，安全可靠、清垢徹底（對于較軟垢質(zhì)，除垢率可達(dá)95%以上）的特點(diǎn)，裝置在清垢完成后，換熱效率顯著提高，具有較高的推廣價(jià)值。

（2）對于垢質(zhì)硬度大，水力空穴射流清垢效果并不理想時(shí)，應(yīng)考慮化學(xué)溶垢與物理清垢相結(jié)合的方法。

（3）站點(diǎn)應(yīng)依據(jù)結(jié)垢情況，優(yōu)選防垢、除垢相結(jié)合的工藝體系，延長站內(nèi)設(shè)備管線結(jié)垢的周期，降低站點(diǎn)維護(hù)運(yùn)行成本。

［1］王振東，張偉哲.空穴射流清洗技術(shù)在加熱爐上的應(yīng)用［J］.油氣田地面工程，2011，30（12）：80-81.

［2］劉力，張偉亞.空穴射流清垢技術(shù)在靖安油田的應(yīng)用及效果［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012，（23）：117-118.

［3］譚波，丁燕.改善真空爐結(jié)垢現(xiàn)狀工藝研究［J］.石油化工應(yīng)用，2012，31（7）：96-98.

［4］周建新.水套加熱爐盤管結(jié)垢解析［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2012，（23）：22-24.

［5］李世滎，王宏偉，岳潘東．油水井清防垢工藝技術(shù)研究［J］.油氣田地面工程，2008，27（11）：32-33．

［6］余蘭，高英杰，余宏偉，等．超聲波防垢措施及效果分析［J］.油氣田地面工程，2009，28（10）：16-17．

Application of hydraulic hole jet technology in skid mounted supercharging equipment descaling

XIONG Xiaowei1，WANG Jun1，CUI Xuelin2，CUI Wenzhe3，HOU Yanhong1
（1.Oil Production Plant 3 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yinchuan Ningxia 750001，China；2.Gas Production Plant 3 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Erdos Innermongolia 017399，China；3.Oil Production Plant 8 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yan'an Shanxi 717600，China）

Skid mounted supercharging equipment integrates oil gas separation,buffer tank,heating,pressurized functions of traditional station,therefore it has a high pipeline density and tube bending use,leading to serious scaling trend in gathering pipelines.And serious scaling will cause pipe blockage,even lose the normal function.Hydraulic hole jet technology can apply to remove hard acid-insoluble barium strontium sulfate scale on the pipeline wall of skid mounted supercharging equipment.The descaling process has many characteristics including shortly time,safe,complete thoroughly,efficiently,and pollution-free.After descaling,the heat changing efficiency between crude oil and pipelines improving,and the equipment operating system pressure reducing.This could result in prolonging the life of equipment and cutting the cost of production down,and valuable for spread.

skid mounted supercharging equipment；hydraulic hole jet；physical descaling

TE358.5

A

1673-5285（2017）10-0086-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.022

2017－09-29

熊小偉（1985-），2011年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)為采油三廠采油工藝研究所注水室工程師，主要從事油田開發(fā)工作。