三元復(fù)合驅(qū)輸油管道結(jié)垢機(jī)理及除垢技術(shù)研究

孫為民，李開元

(1.中國石化河南油田分公司，河南南陽 4731322.巨龍鋼管有限公司，河北滄州 062658)

隨著原油開采含水率的增加，油井井筒、輸送管道、儲油設(shè)備等的腐蝕和結(jié)垢問題日益突出，從而造成產(chǎn)能降低、能耗增加甚至生產(chǎn)中斷，給油氣田開發(fā)帶來了巨大經(jīng)濟(jì)損失[1-3]，美國每年由于結(jié)垢造成經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)10億美元[4]。盡管三元復(fù)合驅(qū)采油技術(shù)具有降低成本、提高效率的優(yōu)點，但由于采出液量大，使用堿含量高等缺陷，使得結(jié)垢腐蝕現(xiàn)象尤為嚴(yán)重[5,6]。到目前為止，已發(fā)現(xiàn)有120多種垢類存在于油氣田開發(fā)過程中，主要以碳酸、硫酸類垢等混合垢為主[7]。國內(nèi)外已有數(shù)千種防垢劑，如美國的Nalco-8365和Nalco-3350[8]，日本的T-225，NW-25[9]，長慶油田研制的CQ-1和CQ-2[10]，勝利油田開發(fā)的SLP-1等[11]。作者調(diào)研了某油田集輸系統(tǒng)實際結(jié)垢情況，通過實驗分析了結(jié)垢機(jī)理及原因，復(fù)配出了針對性較強(qiáng)的輸油管線除垢配方且進(jìn)行了現(xiàn)場小規(guī)模試驗。

1 除垢方法及除垢機(jī)理

1.1 常見除垢方法

目前國內(nèi)外油田常用的除垢方法主要有物理法、機(jī)械法和化學(xué)法。物理法又包括超聲波法、電脈沖法、空穴射流法、PIG清洗等，其中超聲波法應(yīng)用最為廣泛，具有自動化程度高、性能可靠、綠色環(huán)保、低成本可連續(xù)工作等優(yōu)點；機(jī)械法主要為清管器除垢，其具有操作簡便、周期短、低成本等特點；化學(xué)法主要通過化學(xué)劑溶垢清洗管道，其施工便利、停工短、費用合理。

1.2 除垢機(jī)理

油氣田開發(fā)過程中產(chǎn)生的主要垢物有碳酸鹽垢、硫酸鹽垢、鐵化合物垢和硅垢等。其主要除垢機(jī)理如表1所示。

表1 除垢機(jī)理

2 室內(nèi)實驗

2.1 儀器與試劑

實驗所需儀器包括可見分光光度計、原子吸收分光光度計、旋轉(zhuǎn)黏度計、pH計、箱式電阻爐、分析天平、電子天平、大功率電動攪拌器、水浴鍋、磁力攪拌器、玻璃儀器氣流烘干器、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、XRD等。

試劑包括垢樣、HCl、HF、緩蝕劑、EDTA、十二烷基苯磺酸鈉鹽、無水乙醇、高氯酸、HNO3、H2SO4、AgNO3、NaCO3、NaCl、BaCl2、溴水、丙酮、ClO2、草酸、鐵標(biāo)準(zhǔn)試劑、鈣標(biāo)試劑、鎂標(biāo)準(zhǔn)試劑等。

2.2 分析方法

抽取了具有代表性的垢樣進(jìn)行實驗分析，重量法、油田水分析方法SY/T5523—2000、比色法、X衍射法和滴定分析。

2.2.1定性分析

所取垢樣來自某輸油管線中，干燥前后形貌如圖1、圖2所示。從圖1、圖2可明顯看出，干燥前垢樣主要為混合物且成泥狀，干燥后為淺褐色，致密且堅硬，有機(jī)質(zhì)含量多，通過與鹽酸溶解反應(yīng)后伴隨有白色氣泡產(chǎn)生且存在有不溶物，初步判斷為碳酸鹽、硅酸鹽或硫酸鹽。

圖1 干燥前垢樣

圖2 干燥后垢樣

對不溶物進(jìn)行XRD分析，由XRD衍射圖譜分析可知，不溶物主要成分為SiO2。

2.2.2定量分析

通過AAS定量分析可得垢樣主要成分如表2所示。

分析某轉(zhuǎn)油脫水污水站水質(zhì)，可得不同進(jìn)出口的雜質(zhì)含量如表3所示。

表2 垢樣主要成分 %

2.3 除垢配方及優(yōu)選

2.3.1酸液及濃度的確定

由于垢樣中碳酸鹽含量占一半以上，考慮采用HCl去除，在20 ℃下不同濃度HCl除垢率如圖3所示，結(jié)果顯示HCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%、10%時效果較好。

垢樣不溶物主要為硅酸鹽，考慮采用HF去除，因此這里采用7%HCl及10%HCl與HF進(jìn)行復(fù)配，如圖4、圖5所示，結(jié)果顯示HCl濃度相同時除垢率隨著HF濃度增大而提高，直到HF濃度為5%、7%時除垢率達(dá)到最優(yōu)，綜合選取7%HCl及5%HF作為優(yōu)選配方。

圖3 不同濃度HCl除垢率

圖4 7%HCl+不同濃度HF除垢率

圖5 10%HCl+不同濃度HF除垢率

2.3.2除垢溫度及時間的確定

進(jìn)行了7%HCl+5%HF在不同溫度及不同作用時間時除垢效率對比，如圖6、圖7所示。

圖6 不同溫度時7%HCl+5%HF除垢率

圖7 不同作用時間時7%HCl+5%HF除垢率

從圖6可以看出，隨著溫度的升高除垢率逐漸提高，但40 ℃后再升溫除垢率增加緩慢，因此，可確立40 ℃為最佳溫度；同時，圖7顯示隨著反應(yīng)時間的提高除垢率顯著提高，直至6 h后不再變化，所以6 h為最佳作用時間。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

通過上述實驗室實驗確立復(fù)配優(yōu)選的除垢劑為7%HCl+5%HF在40 ℃下反應(yīng)6 h即可達(dá)到最佳效果，進(jìn)行了小規(guī)模(40 m3/h)的現(xiàn)場防垢試驗，工藝流程如圖8所示，其除垢前后管內(nèi)流量如表4所示。

圖8 小規(guī)模現(xiàn)場后試驗工藝流程

序號除垢劑pH值采出液pH值除垢前管內(nèi)流量/(m3·h-1)除垢后管內(nèi)流量/(m3·h-1)12.66.216.930.622.66.317.234.332.65.817.835.7

通過現(xiàn)場小規(guī)模試驗可以看出，復(fù)配優(yōu)選后的除垢劑與管內(nèi)垢物反應(yīng)，溶解沉積堵塞物后使得流體pH值大大提高，且管內(nèi)流量顯著提高為原來的2倍左右，即垢物被溶解沖出管道，也就是說該除垢配方可以達(dá)到除垢的目的。

4 除垢配方經(jīng)濟(jì)性評價

結(jié)合現(xiàn)場試驗進(jìn)行除垢配方的經(jīng)濟(jì)性評價。除垢配方HCl與HF的混合比例約為4∶1，清除1 g垢樣需配方溶液6 mL。如清洗1 km管道，管道直徑20 cm，管內(nèi)垢樣厚約1 cm，可算得該段管道內(nèi)含有垢樣總堆積體積約5.96×106cm3，實測得管內(nèi)堆積密度為0.7 g/cm3，從而得管內(nèi)垢樣質(zhì)量約為4.17×106g，清除1 km管道內(nèi)垢需要25 000 L配方溶液，即7%HCl溶液20 000 L，約為7%鹽酸溶液20 t，折算成3.9 t工業(yè)純濃鹽酸，約合9 750元，需要5%HF溶液5 000 L，約為5%HF溶液5 t，可換算成0.625 t工業(yè)純氫氟酸，約合1 375元。

緩蝕劑的量約為25 000 L×2%=500 L，約合3 500元，即處理1 km的管道總酸洗費用為14 625元，而油田處理標(biāo)準(zhǔn)定額15 000元，因此，該除垢配方完全滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

5 結(jié)語