姬塬油田地面聚垢器研制與應(yīng)用*

鄒 偉，吳 鵬 ，張 婕

(1.中國石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 西安 710016；2.中國石油長慶油田分公司第二采油廠，陜西 西安 710016；3.中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315200)

0 引 言

姬塬油田為多層系開發(fā)油田，地層水礦化度高，各層系地層水物性差異大、配伍性差，不同層系含水原油混層集輸后導(dǎo)致地面管路、設(shè)備結(jié)垢[1-2]，嚴(yán)重影響原油正常生產(chǎn)。目前主要的防垢手段為化學(xué)防垢法、工藝防垢法，采用化學(xué)法防垢，需連續(xù)投加阻垢劑，既增加了原油生產(chǎn)成本，又影響原油的理化性質(zhì)，給后續(xù)加工增加難度和處理費(fèi)用；采用工藝法防垢，需重新配套總機(jī)關(guān)、收球桶、緩沖罐、管路等設(shè)備設(shè)施，大大增加了地面工程投資。因此探索成本低廉、快速高效的防垢方法[3-6]具有重要意義。

筆者通過對姬塬油田結(jié)垢機(jī)理開展分析，根據(jù)成垢特征，提出設(shè)計(jì)一種地面聚垢器，該裝置采用物理方法在系統(tǒng)前端誘導(dǎo)成垢，進(jìn)而降低成垢離子濃度，防止成垢離子在系統(tǒng)下游管路和設(shè)備結(jié)垢，通過現(xiàn)場應(yīng)用，開展效果評價(jià)，用以驗(yàn)證地面聚垢器除防垢效果和經(jīng)濟(jì)效益。

1 結(jié)垢機(jī)理分析

1.1 結(jié)垢現(xiàn)狀

(1) 站點(diǎn)結(jié)垢現(xiàn)狀

結(jié)垢站點(diǎn)139座，占比62%，平均結(jié)垢厚度12 mm平均結(jié)垢周期10個(gè)月，部分站點(diǎn)僅2～3個(gè)月，主要在黃3、羅1等區(qū)塊，以長4+5、長6、長8及多層混進(jìn)站點(diǎn)為主，垢型主要為鋇鍶垢，結(jié)垢主要集中在站內(nèi)總機(jī)關(guān)匯管、總機(jī)關(guān)匯管-收球筒-加熱爐進(jìn)出口管線、加熱爐盤管等位置。53座站點(diǎn)55套總機(jī)關(guān)結(jié)垢嚴(yán)重，造成上游井組無法投球運(yùn)行，26具緩沖罐因進(jìn)出口管線結(jié)垢堵塞，造成進(jìn)油困難，只能利用臨時(shí)管線輸油。

(2) 站外管道結(jié)垢現(xiàn)狀

結(jié)垢管道639條620 km，占總長度的12.5%，平均結(jié)垢厚度10.4 mm，平均結(jié)垢周期5個(gè)月，結(jié)垢管道主要為輸送長8、長6、長4+5層系含水油管道，垢型主要為鋇鍶垢，結(jié)垢位置表現(xiàn)為管道全線結(jié)垢。

(3) 垢樣分析

通過對站點(diǎn)垢樣進(jìn)行X衍射發(fā)現(xiàn)：三疊系站點(diǎn)垢型主要為BaSrSO4，侏羅系站點(diǎn)垢型主要為CaCO3。

表1 集輸站點(diǎn)垢樣X衍射分析結(jié)果

1.2 成垢原因

1.2.1 地層水礦化度高

姬塬油田地層水礦化度及成垢離子濃度普遍高于長慶其它油區(qū)，礦化度最高達(dá)124 g/L，地層水主要為CaCl2水型，是其他油區(qū)的3～10倍，受壓力、溫度等生產(chǎn)參數(shù)變化，結(jié)垢速度加快。

1.2.2 注入水與采出水不配伍

姬塬油田注入水主要為Na2SO4水型，地層水主要為CaCl2水型，注入水與地層水不配伍，兩者結(jié)合發(fā)生結(jié)垢反應(yīng)，進(jìn)而引起地層-井筒-地面系統(tǒng)結(jié)垢，當(dāng)油井見注入水時(shí)系統(tǒng)結(jié)垢加劇，結(jié)垢量最高達(dá)到1 957 mg/L。

1.2.3 各層系地層水配伍性差

姬塬油田采用多層系復(fù)合開發(fā)模式，開發(fā)層系多達(dá)14個(gè)，不同層系之間采出水不配伍，部分長2、長4+5、長6、長8油藏地層水中含有高濃度鋇鍶離子，混層后產(chǎn)生難溶的硬質(zhì)鋇鍶垢。

2 成垢影響因素

2.1 溫度對結(jié)垢影響

結(jié)垢鹽類的溶解度對溫度敏感[8]，除CaSO4·2H2O溶解度隨溫度變化存在峰值外，其余結(jié)垢鹽類隨溫度升高，溶解度降低。溶解鹽類成垢反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，溫度升高，促進(jìn)化學(xué)平衡向成垢方向移動，促進(jìn)結(jié)垢。

室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，結(jié)垢量呈上升趨勢，當(dāng)溫度超過40 ℃時(shí)，BaSO4、CaSO4結(jié)垢量基本不變，表明大部分成垢離子在40 ℃前已基本析出，超過40 ℃時(shí)只有剩余少量垢質(zhì)析出。

2.2 壓力對結(jié)垢影響

BaSO4、CaSO4、CaCO3等結(jié)垢物質(zhì)對壓力較敏感[9]，因結(jié)垢反應(yīng)中有氣體參與，壓力主要影響氣體分壓，分壓減小，促進(jìn)化學(xué)平衡向成垢方向移動，促進(jìn)結(jié)垢。

圖1 溫度與采出液結(jié)垢量關(guān)系曲線

室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)溫度為20 ℃時(shí)，隨著壓力的升高，BaSO4、CaSO4結(jié)垢量呈下降趨勢，且壓力越高結(jié)垢量越低；相反，當(dāng)壓力降低時(shí)，促進(jìn)化學(xué)平衡向結(jié)垢反應(yīng)方向移動，結(jié)垢量呈上升趨勢。當(dāng)管道輸送含水油時(shí)，管道壓力逐步降低，管道結(jié)垢傾向越大。

圖2 壓力與采出水結(jié)垢量關(guān)系曲線

2.3 PH對結(jié)垢影響

溶液PH較低時(shí)，溶液呈酸性，碳酸垢的溶解度增加，結(jié)垢減小，當(dāng)PH過低時(shí)，會加速管道的腐蝕；當(dāng)溶液PH上升時(shí)，溶解狀態(tài)的成垢離子會快速結(jié)晶成垢，因此將溶液PH控制在6～8，成垢離子能保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)垢輕微。對于硫酸垢，則基本不受PH影響。

2.4 流速對結(jié)垢影響

在流體動力場中，流速與結(jié)垢速率成負(fù)相關(guān)：流速越小，原油的剪切應(yīng)力越弱，降低了原油的剝蝕作用，結(jié)垢傾向越大；相反，當(dāng)流速增加，原油的剪切應(yīng)力越強(qiáng)，增強(qiáng)了原油的剝蝕作用，抑制了垢質(zhì)的形成。

3 地面聚垢器研制

針對化學(xué)防垢法、工藝防垢法存在后續(xù)處理難度大、投資成本高等缺點(diǎn)，結(jié)合姬塬油田結(jié)垢機(jī)理、成垢特征，研制了成本低廉、采用物理原理除垢的地面聚垢器。

3.1 技術(shù)分析

3.1.1 結(jié) 構(gòu)

地面聚垢器[10-15](下文簡稱聚垢器)采用“圓柱形外筒+提籃式不銹鋼網(wǎng)(充裝填料)”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，依托填料將來液中的成垢離子吸附、結(jié)晶、結(jié)垢，防止或減輕下游設(shè)備、管路結(jié)垢，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 地面聚垢器結(jié)垢圖1.進(jìn)液口接頭 2.進(jìn)液口接頭 3.提籃式不銹鋼網(wǎng) 4.螺旋狀填料 5.排氣閥 6.排污閥 7.圓柱形殼體

3.1.2 工作原理

進(jìn)站含水原油從聚垢器側(cè)下方入口進(jìn)入聚垢器內(nèi)部，來油中的鋇鍶離子與充填在提籃式不銹鋼網(wǎng)中的填料充分接觸，填料為實(shí)驗(yàn)室反復(fù)篩選精心培育的催化鋇鍶離子快速成垢的螺旋狀合金材料，具有比表面積大、表面自由能高異相成核作用強(qiáng)的特點(diǎn)，經(jīng)過填料的催化作用，快速附著在螺旋狀合金，防止或減輕了下游設(shè)備、管路結(jié)垢，從而達(dá)到保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的目的。

3.1.3 技術(shù)參數(shù)

聚垢器圓柱形外筒材質(zhì)為碳鋼，內(nèi)筒為不銹鋼網(wǎng)，填料為合金。聚垢器外筒直徑為1 000 mm，高度1 500 mm， 外筒與不銹鋼網(wǎng)間隙20～30 mm，工作壓力0～0.6 MPa，設(shè)計(jì)規(guī)模0～360 m3/d，采用熱水循環(huán)加熱。

3.1.4 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1) 填料載體為提籃式鋼網(wǎng)，能很好保證來油中的成垢離子與填料充分浸潤、接觸、反應(yīng)快速成垢，此外，鋼網(wǎng)與筒體底板采用點(diǎn)接觸，能有效防止鋼網(wǎng)與桶體底部粘連，做到隨取隨放。

(2) 聚垢器蓋板采用快開式結(jié)構(gòu)，方便日常填料清洗、更新，并在蓋板上設(shè)置自動排氣裝置，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

(3) 聚垢器采用筒體設(shè)計(jì)，來液滯留時(shí)間較長，同時(shí)配套熱水循環(huán)管線，保證了成垢離子在空間和時(shí)間上與填料充分接觸，加速成垢速率。

3.1.5 技術(shù)優(yōu)勢

(1) 結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉(10萬/套)，占地面積小，方便現(xiàn)場安裝、管理。

(2) 填料為實(shí)驗(yàn)室篩選培育，防垢針對性強(qiáng)。

(3) 快開式開啟，提籃式提放，清洗、更換填料簡單方便。

(4) 設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)簡單，只需根據(jù)聚垢器進(jìn)出口壓力表壓差，定期清洗、更換填料。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

J14增壓站日處理液量70m3/d，站點(diǎn)來油層系復(fù)雜，存在混層集輸問題，系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重，垢型為硫酸鋇鍶垢，結(jié)垢周期3個(gè)月左右。聚垢器安裝于收球筒出口管線，同時(shí)配套旁通流程。

4.1 防垢效果評價(jià)

在該站連續(xù)運(yùn)行40天后打開驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)聚垢器進(jìn)口管線結(jié)垢厚度約3～4 mm，出口管線無明顯結(jié)垢特征，聚垢器內(nèi)填料被垢質(zhì)充滿，結(jié)垢厚度約3～4 mm，聚垢器后端設(shè)備、管路結(jié)垢輕微，系統(tǒng)壓力運(yùn)行穩(wěn)定，聚垢器前后端鋇鍶離子濃度由9000下降至4 950 mg/L，成垢離子去除率達(dá)45%，聚垢器后端結(jié)垢周期由3延長至10個(gè)月。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)

按照結(jié)垢周期3個(gè)月計(jì)算，聚垢器年維護(hù)費(fèi)3.4萬元，較高壓脈沖清垢節(jié)約7.8萬元，較更換管線節(jié)約15.8萬元，同時(shí)消除了站內(nèi)動火、施工帶來的安全隱患。

表2 經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)對比表

5 結(jié)論與建議

(1) 地面聚垢器采用物理方法，通過填料物理催化作用，將原油中鋇鍶離子快速成垢，有效克服了化學(xué)法、工藝法防垢處理難度大、投資成本高的矛盾，為油田防垢提供了新的解決方案。

(2) 現(xiàn)場應(yīng)用表明，地面聚垢器對鋇鍶成垢離子具有較強(qiáng)的吸附成垢作用，減輕了下游管路和設(shè)備的結(jié)垢，取得了較好的防垢效果，下步建議在液量低于100 m3/d混層結(jié)垢嚴(yán)重站點(diǎn)擴(kuò)大試驗(yàn)。

(3) 考慮到油田各區(qū)塊采出水成垢離子種類、含量差異，垢型不同，建議根據(jù)區(qū)塊成垢特征，加大填料晶種培育，持續(xù)優(yōu)化成垢晶種。