地面集輸系統(tǒng)結(jié)垢機(jī)理及清防垢技術(shù)研究

鄒 偉，吳 鵬，張 濤，陳小兵，茍利鵬，馮杰瑞，劉澤民

（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，甘肅慶陽 745000）

姬塬油田位于鄂爾多斯盆地西部，屬多層系開發(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]，隨著油田開發(fā)的延長，綜合含水不斷上升，地面集輸系統(tǒng)結(jié)垢日趨嚴(yán)重，結(jié)垢周期不斷縮短，治理難度逐年增加[3-6]，嚴(yán)重影響原油正常生產(chǎn)。

1 區(qū)域結(jié)垢現(xiàn)狀

1.1 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。

1.2 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。

1.3 垢樣分析

通過對垢樣進(jìn)行X 衍射（見表1）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。

2 結(jié)垢機(jī)理分析

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他油區(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。

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，地層水和注入水結(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。

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。

3 成垢趨勢及影響因子分析

3.1 溫度對結(jié)垢影響

結(jié)垢鹽類的溶解度對溫度敏感[7]，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(dòng)，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（見圖1）。

3.2 壓力對結(jié)垢影響

BaSO4、CaSO4、CaCO3等結(jié)垢物質(zhì)對壓力較敏感[8]，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(dòng)，促進(jìn)結(jié)垢。

表1 集輸站點(diǎn)垢樣X 衍射分析結(jié)果

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(dòng)，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（見圖2）。

3.3 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(huì)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(huì)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。

3.4 流速對結(jié)垢影響

在流體動(dòng)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。

4 姬塬油田清防垢技術(shù)

4.1 前端預(yù)防技術(shù)體系

4.1.1 多層系地面建設(shè)工藝

（1）分層集輸、同層回注建站。針對姬塬油田因多層系開發(fā)、不同層系采出水不配伍等導(dǎo)致的結(jié)垢問題，采用多流程集輸站庫建設(shè)及運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)原油分層集輸、采出水分層處理與分層回注，從源頭上解決采出水不配伍結(jié)垢問題。

（2）小區(qū)塊前端脫水工藝。針對偏遠(yuǎn)小區(qū)塊、無系統(tǒng)依托的問題，堅(jiān)持小型化、撬裝化、智能化的原則，試驗(yàn)了前端撬裝脫水回注裝置，處理后凈化油依托現(xiàn)有集輸系統(tǒng)混合外輸，采出水則就地回注，消除下游系統(tǒng)混層結(jié)垢問題。

應(yīng)用效果：“Y”型流程應(yīng)用站點(diǎn)18 座，消除混層液量2 824 m3/d，撬裝脫水裝置應(yīng)用2 座，消除混層液量86 m3/d。

4.1.2 水質(zhì)改性技術(shù) 針對注入水中硫酸根含量較高的問題，在2 座站點(diǎn)開展了納濾脫硫酸根技術(shù)試驗(yàn)，從源頭上去除成垢離子。

應(yīng)用效果：該技術(shù)主要利用納濾膜半滲透性，在壓力驅(qū)動(dòng)下，選擇性攔截價(jià)位高、半徑大的SO42-，允許水和低價(jià)位、低半徑的離子通過，注入水經(jīng)納濾處理后硫酸根離子平均濃度由2 689 mg/L 下降到404 mg/L，成垢離子去除率達(dá)85%，同時(shí)對應(yīng)注水井注水壓力上升速率減慢，壓力上升速率由0.07 兆帕/月下降到0.03兆帕/月（見圖3）。

圖2 壓力與采出水結(jié)垢量關(guān)系曲線

圖3 同一區(qū)塊納濾水注水井與未用納濾水的注水井注入壓力對比曲線

4.2 過程控制技術(shù)體系

4.2.1 電磁防垢技術(shù) 根據(jù)結(jié)垢特征，先后開展超聲波、變頻、量子環(huán)、TEC 防垢等4 種電磁防垢新工藝試驗(yàn)，現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)超聲波、變頻、量子環(huán)防垢技術(shù)作用距離有限，防垢效果不明顯，TEC 防垢裝置防垢效果較好，現(xiàn)場應(yīng)用3 座站點(diǎn)，平均結(jié)垢周期由3 個(gè)月延長至9 個(gè)月，系統(tǒng)壓力保持穩(wěn)定，計(jì)劃推廣應(yīng)用。

4.2.2 集中成垢裝置 根據(jù)淺池沉降理論，按照集中誘導(dǎo)結(jié)垢的思路，設(shè)計(jì)一種油田采出液地面系統(tǒng)快速成垢裝置，通過增加過流面積、延長滯留時(shí)間，人為創(chuàng)造結(jié)垢環(huán)境，誘導(dǎo)水體中的成垢離子在充填于管腔中的填料結(jié)晶成垢；同時(shí)，利用顆粒雷諾函數(shù)，設(shè)計(jì)了沉垢通道，實(shí)現(xiàn)了垢體誘導(dǎo)沉積，減緩結(jié)垢對下游系統(tǒng)的危害。

應(yīng)用效果：現(xiàn)場應(yīng)用站點(diǎn)8 座，成垢離子去除率達(dá)43.5%，平均清垢周期由3 個(gè)月延長至10 個(gè)月，防垢效果較好。

4.2.3 防垢涂層技術(shù) 針對加熱爐盤管內(nèi)部易結(jié)垢特點(diǎn)，研發(fā)了HS-128 防垢涂層，該涂層表面光滑，加快了涂層表面介質(zhì)的滾動(dòng)速度，同時(shí)在涂層中加入了荷葉疏水劑、鋇鍶垢專用阻垢劑，油水混合液流經(jīng)盤管內(nèi)壁時(shí)立即形成油膜，使成垢離子與管壁始終處于隔離狀態(tài)，減小盤管結(jié)垢。

應(yīng)用效果：現(xiàn)場應(yīng)用加熱爐21 具，加熱爐盤管平均結(jié)垢周期由6 個(gè)月延長至15 個(gè)月，加熱爐維護(hù)費(fèi)用由25 萬元/臺降至3 萬元/臺。

4.2.4 鋇鍶阻垢劑應(yīng)用 通過對水質(zhì)離子分析、垢樣分析，試驗(yàn)研究見水程度、溫度、壓力與結(jié)垢量關(guān)系研究，對4 種藥劑開展模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)ZG-558 高效鋇鍶阻垢劑防垢效果較好，并在75 座結(jié)垢嚴(yán)重站點(diǎn)開展現(xiàn)場試驗(yàn)，通過不斷優(yōu)化加藥制度，站點(diǎn)平均結(jié)垢周期由5 個(gè)月延長至8 個(gè)月，防垢能力顯著提升。

4.3 清垢技術(shù)體系

4.3.1 高壓射流清垢技術(shù) 針對站外管道結(jié)垢特點(diǎn)，采用高壓射流清垢[9-11]，首先將清垢球投入管道中，清垢球在水力的推動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，高硬度材質(zhì)的清垢刮片在高速旋轉(zhuǎn)情況下刮掉管壁的硬質(zhì)垢，脫落的垢質(zhì)與射流一道匯聚，向前竄動(dòng)，直達(dá)排污口，完成清垢。

應(yīng)用效果：適用于φ60～φ114 規(guī)格的站外油水管道，已對296 條486 km 結(jié)垢嚴(yán)重管線進(jìn)行清垢，清垢后管線平均運(yùn)行壓力由3 MPa 下降至1.2 MPa，清垢速度較快、效果明顯，年節(jié)約管線更換費(fèi)用3 000 萬元，目前已全面推廣。缺點(diǎn)是無法清除被垢質(zhì)完全堵塞的管線，對變形或結(jié)垢較嚴(yán)重管線存在卡球現(xiàn)象。

4.3.2 高壓水氣數(shù)控脈沖清垢技術(shù) 針對站內(nèi)管線結(jié)垢特點(diǎn)，采用高壓水氣數(shù)控脈沖清垢，在數(shù)控脈沖儀器的控制下，壓縮氣體與水按照一定的頻率和脈沖寬度進(jìn)入管道內(nèi)，在管道內(nèi)形成間斷的氣-水高速流，高流速脈沖波在沖蝕、剝層、水楔等作用下，使垢從管體表面脫離。

應(yīng)用效果：現(xiàn)場對125 座站點(diǎn)管線進(jìn)行清垢，施工壓力相對較低（5～11 MPa），清垢后系統(tǒng)平均運(yùn)行壓力由2 MPa 下降至1.6 MPa，平均結(jié)垢厚度由4 mm 降低至0.5 mm，該技術(shù)對站點(diǎn)復(fù)雜管網(wǎng)，特別對彎頭處清垢效果比較明顯，年節(jié)約維護(hù)費(fèi)用900 萬元。缺點(diǎn)是無法徹底清除垢質(zhì)堅(jiān)硬且結(jié)垢堵塞嚴(yán)重的管線。

4.3.3 加熱爐盤管旋轉(zhuǎn)切削盤管清垢技術(shù) 針對加熱爐盤管拆卸清垢周期長的缺點(diǎn)，開展盤管切削技術(shù)試驗(yàn)，首先使用一根可彎曲的傳動(dòng)軸沿著盤管推進(jìn)刀頭，推進(jìn)的同時(shí)清洗刀頭軸向旋轉(zhuǎn)將管道內(nèi)垢片切削并粉碎，達(dá)到清垢目的。

應(yīng)用效果：現(xiàn)場對25 組加熱爐盤管清垢，平均清垢周期由12 d 減少至2 d，清除率100 %，加熱爐盤管平均結(jié)垢厚度由5 mm 下降至0.5 mm，年節(jié)約加熱爐盤管維護(hù)費(fèi)用50 萬元。

5 結(jié)論與建議

（1）納濾膜脫硫酸根技術(shù)能有效降低注入水成垢離子含量，延緩地層、地面系統(tǒng)結(jié)垢，但存在濃水處理難度大，設(shè)備建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，建議根據(jù)開發(fā)區(qū)塊結(jié)垢程度選擇性應(yīng)用。

（2）針對滾動(dòng)開發(fā)疊合區(qū)塊開發(fā)層系多、采出水配伍性差的問題，堅(jiān)持前端脫水、分層集輸、同層回注的集輸工藝，同時(shí)立足前端脫水、就地回注，推廣小型撬裝脫水工藝。

（3）針對不同開發(fā)區(qū)塊結(jié)垢特征，建議開展阻垢劑復(fù)配，優(yōu)選出適應(yīng)性強(qiáng)的阻垢劑。

（4）在液量大于80 m3/d 結(jié)垢站點(diǎn)，由于液量大，流速快，對填料沖擊大，原油在集中成垢裝置中滯留時(shí)間短，防垢效果不明顯，下步建議在液量低于80 m3/d 的結(jié)垢站點(diǎn)擴(kuò)大試驗(yàn)，同時(shí)對裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化定型。

（5）TEC 防垢裝置具有裝置安裝方便、風(fēng)險(xiǎn)小，防垢效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，建議擴(kuò)大試驗(yàn)。

（6）防垢涂層能有效延長加熱爐盤管結(jié)垢周期，建議對站外含水油管道開展現(xiàn)場試驗(yàn)。