新疆某油田轉(zhuǎn)油泵結(jié)垢成因分析及除垢對(duì)策研究

袁鵬 柳雨萌 簡(jiǎn)霖 王巖 李連群 萬(wàn)征

1新疆油田公司工程技術(shù)研究院

2新疆油田公司采油二廠

隨著新疆油田水平井體積壓裂大規(guī)模的使用，其采出液具有高懸浮物、高礦化度和黏度大的特性[1]，含有HCO3-、Ca2+、Mg2+、Cl-等離子。某油田A 轉(zhuǎn)油站作為重要的輸液節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)將各個(gè)井區(qū)的采出液轉(zhuǎn)輸至處理站，采用井口→計(jì)量站→轉(zhuǎn)油站→處理站的三級(jí)布站方式[2]。水平井采用井口加熱集輸工藝，單井來(lái)液經(jīng)計(jì)量站計(jì)量后，通過(guò)匯管進(jìn)入轉(zhuǎn)油站一體化加熱轉(zhuǎn)輸裝置，目前共有2 臺(tái)泵，一用一備，每日平均進(jìn)液量達(dá)7 000 m3以上，轉(zhuǎn)油泵來(lái)液溫度均加熱至40 ℃以上。

A 轉(zhuǎn)油站轉(zhuǎn)油泵葉輪結(jié)垢速度快（圖1），需一周一次強(qiáng)制性停泵、清垢，而正常運(yùn)行情況下，在達(dá)到一保時(shí)間（約為42 天）后，根據(jù)需要才會(huì)拆輸檢修，其當(dāng)前拆泵周期遠(yuǎn)小于保修拆泵檢查時(shí)間，嚴(yán)重影響了泵的轉(zhuǎn)輸能力和油田的正常生產(chǎn)，增加了現(xiàn)場(chǎng)人員工作量。因此，必須分析結(jié)垢原因，采取相應(yīng)措施來(lái)降低結(jié)垢速度，延長(zhǎng)清垢周期，確保油田的正常生產(chǎn)[3]。

圖1 葉輪結(jié)垢圖Fig.1 Scaling diagram of impeller

1 結(jié)垢機(jī)理分析

1.1 垢樣成分

對(duì)A 轉(zhuǎn)油站轉(zhuǎn)輸泵進(jìn)行拆泵后，對(duì)泵內(nèi)葉輪上的垢樣進(jìn)行成分分析，分析結(jié)果如表1 所示。

表1 垢樣成分分析Fig.1 Scale sample composition analysis

由表1 可知：轉(zhuǎn)油泵葉輪垢樣中主要成分為CaCO3，占比達(dá)到80.24%，其次為MgCO3，占比為11.18%。因此，在葉輪表面的垢樣成分主要為碳酸鹽。

1.2 水質(zhì)全分析

目前A 轉(zhuǎn)油站的轉(zhuǎn)輸液來(lái)自4 個(gè)井區(qū)的采出液，在葉輪垢樣成分分析的基礎(chǔ)上，又分別對(duì)4 個(gè)井區(qū)的采出液進(jìn)行取樣，并開(kāi)展了水質(zhì)全分析來(lái)判斷結(jié)垢陰離子和陽(yáng)離子的來(lái)源。在水質(zhì)全分析過(guò)程中分別得到了4 個(gè)井區(qū)水樣的pH 值、CO32-、HCO3-、OH-、Ca2+、Mg2+等離子含量，井區(qū)1～井區(qū)4 的水質(zhì)全分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 4 個(gè)井區(qū)水質(zhì)全分析Fig.2 Total analysio of water quality in 4 well areas

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)進(jìn)行取樣檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輸液中泥沙含量約為50 mg/L，雜質(zhì)含量較少，且在現(xiàn)場(chǎng)拆泵檢查過(guò)程中并未發(fā)現(xiàn)大量雜質(zhì)。水質(zhì)全分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)4 個(gè)井區(qū)均含有HCO3-（800～2 200 mg/L）、Ca2+（320～620 mg/L）及少量SO42-和Mg2+，礦化度高（＞9 400 mg/L）。根據(jù)SY/T 5523—2016《油田水分析方法》中蘇林分類(lèi)法可知：井區(qū)1～井區(qū)3 水型為CaCl2型，井區(qū)4 水型為NaHCO3型。

1.3 結(jié)垢原因

通過(guò)垢樣成分分析和水質(zhì)全分析可知，A 轉(zhuǎn)油站葉輪結(jié)垢原因?yàn)榫畢^(qū)水型不配伍[3]，當(dāng)轉(zhuǎn)輸液中的Ca2+和HCO3-濃度較大時(shí)易生成Ca(HCO3)2，隨著溫度的升高Ca(HCO3)2易分解產(chǎn)生CaCO3垢物，其反應(yīng)式為：Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2O，該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，由于葉輪材料表面的粘附力使垢物易附著在其材料表面上形成垢層。

2 結(jié)垢量影響因素

對(duì)于碳酸鹽類(lèi)的垢物，其結(jié)垢速度受到多方面因素影響，A 轉(zhuǎn)油站轉(zhuǎn)油泵7 天約產(chǎn)生4.9 kg 的結(jié)垢量，需要每周進(jìn)行人工拆卸清垢。因此需要根據(jù)結(jié)垢原因分析，在確定A 轉(zhuǎn)油泵葉輪結(jié)垢的成因基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)轉(zhuǎn)油泵葉輪結(jié)垢速度的相關(guān)因素進(jìn)行室內(nèi)靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)研究分析。

2.1 溫度和壓力

溫度的影響主要是改變易結(jié)垢鹽類(lèi)的溶解度[4-6]，CaCO3在水中的溶解度隨溫度的升高而降低。壓力的影響主要是改變結(jié)垢鹽類(lèi)的反應(yīng)速度。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)壓力一定時(shí)，結(jié)垢量隨著溫度的升高而急劇增加；當(dāng)溫度一定時(shí)，結(jié)垢量隨著壓力的升高而下降，但下降趨勢(shì)相當(dāng)微弱（圖2）。目前A 轉(zhuǎn)油站來(lái)液經(jīng)相變爐加熱后溫度為45 ℃左右，經(jīng)轉(zhuǎn)油泵提升壓力至5 MPa 左右，因此可通過(guò)降低溫度來(lái)減少結(jié)垢量，無(wú)需調(diào)整泵出口壓力。

圖2 不同溫度下結(jié)垢量與壓力的關(guān)系Fig.2 Relationship between the amount of scaling and the pressure at different temperatures

2.2 pH 值

對(duì)于碳酸鹽類(lèi)的垢物，其結(jié)垢速度與環(huán)境的pH 值也有相關(guān)性。根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)：結(jié)垢量隨pH 值升高而增加，當(dāng)pH 值升至7.5 后，結(jié)垢量上升速率變緩，上升趨勢(shì)不明顯（圖3）。因此，需要將轉(zhuǎn)輸液的pH 值調(diào)整在合適的范圍內(nèi)，減緩葉輪表面垢物結(jié)垢速度。

圖3 不同溫度下結(jié)垢量與pH 值的關(guān)系Fig.3 Relationship between the amount of scaling and the pH value at different temperatures

2.3 流速

泵內(nèi)結(jié)垢為動(dòng)態(tài)過(guò)程，通過(guò)結(jié)晶析出、對(duì)流、擴(kuò)散過(guò)程到達(dá)葉輪內(nèi)壁，形成垢層后管壁厚度增大，影響后續(xù)結(jié)晶顆粒沉積過(guò)程，垢體顆粒在葉輪內(nèi)壁的結(jié)垢量可由平均停留時(shí)間分布變化情況反映，由室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析不同流速停留時(shí)間分布函數(shù)見(jiàn)圖4。

圖4 不同流速停留時(shí)間分布函數(shù)Fig.4 Distribution function for different velocity residence time

由室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可知：隨轉(zhuǎn)油站來(lái)液流速減小，垢物沉積在管壁的概率增大且在葉輪內(nèi)壁上可以更加充分地完成沉淀反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)垢量增加。

3 阻垢實(shí)驗(yàn)

目前除垢方法主要有機(jī)械除垢和化學(xué)除垢，機(jī)械除垢方法主要采用射流技術(shù)，化學(xué)除垢針對(duì)碳酸鹽類(lèi)的垢物主要采用酸洗。阻垢措施主要為添加超聲波防垢器、添加阻垢劑、材料改性.針對(duì)A 轉(zhuǎn)油站轉(zhuǎn)油泵結(jié)垢情況，從安全性、可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和操作性4 個(gè)方面考慮，采用添加阻垢劑[7-10]可迅速減緩結(jié)垢速度，保障油田正常生產(chǎn)。

3.1 阻垢劑篩選

對(duì)A 轉(zhuǎn)油站轉(zhuǎn)輸液阻垢劑進(jìn)行室內(nèi)篩選評(píng)價(jià)，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 阻垢劑篩選評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of scale inhibitor screening and evaluation

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：加入KL-501（酸性）阻垢劑（20 mg/L）后，失鈣率為1.37%，阻垢率達(dá)93.4%；加入KL-502（堿性）阻垢劑（30 mg/L）后，失鈣率為1.68%，阻垢率達(dá)91.9%；兩種藥劑均能對(duì)A 轉(zhuǎn)油站轉(zhuǎn)輸液有較好的阻垢效果。由于轉(zhuǎn)輸液pH 值在6～7 范圍內(nèi)，呈酸性，會(huì)對(duì)A 轉(zhuǎn)油站設(shè)備造成腐蝕問(wèn)題，而選用阻垢效果較好的KL-501（酸性）會(huì)加速設(shè)備腐蝕，選用堿性阻垢劑KL-502（堿性）可起到緩蝕的效果，最終選用藥劑為KL-502（堿性）。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)方案及優(yōu)化措施

在氣液分離器前端來(lái)液處設(shè)置1 臺(tái)加藥裝置，井區(qū)1、井區(qū)2、井區(qū)3、井區(qū)4 來(lái)液加完藥后，經(jīng)氣液分離器再通過(guò)一體化加熱裝置加熱轉(zhuǎn)輸至處理站，改造后流程示意圖見(jiàn)圖5。將KL-502 阻垢劑加入溶藥箱內(nèi)，調(diào)節(jié)好加入清水的比例及相關(guān)參數(shù)，控制藥劑質(zhì)量濃度為30 mg/L，系統(tǒng)自動(dòng)按比例對(duì)氣液分離器前端進(jìn)行持續(xù)加藥。

圖5 改造后流程示意圖Fig.5 Schematic diagram of process after transformation

在加阻垢劑實(shí)施方案中，當(dāng)加藥質(zhì)量濃度為30 mg/L、轉(zhuǎn)輸液溫度由20 ℃升高至50 ℃時(shí)，其阻垢率大幅降低（圖6）。

圖6 藥劑阻垢率隨加藥濃度和溫度變化Fig.6 Scale inhibition rate of the agent varies with the concentration and temperature of the agent

由圖6 可知，將轉(zhuǎn)輸液溫度控制在30～40 ℃時(shí)藥劑阻垢效果較好，阻垢率在91.2%～100%；另一方面，轉(zhuǎn)油站出站溫度根據(jù)集輸工藝要求為30～40 ℃。因此，可優(yōu)化相變爐加熱溫度，確定為35 ℃，即可在滿(mǎn)足集輸工藝的同時(shí)確保藥劑的阻垢效果。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加藥后轉(zhuǎn)輸液的取樣實(shí)驗(yàn)分析，轉(zhuǎn)輸液的失鈣率均≤5%，阻垢率均達(dá)到了95%以上（圖7）。因此，將溫度控制在35 ℃左右，阻垢劑加藥濃度為30 mg/L 時(shí)，不僅減少了轉(zhuǎn)輸泵葉輪的結(jié)垢量，還強(qiáng)化了阻垢劑的阻垢效果。

圖7 阻垢率和溫度隨時(shí)間變化Fig.7 Scale inhibition rate and temperature varies with time

通過(guò)對(duì)A 轉(zhuǎn)油站轉(zhuǎn)輸泵進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)跟蹤，監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)油泵可連續(xù)運(yùn)行一個(gè)月以上，運(yùn)行42 天后進(jìn)行一保時(shí)拆開(kāi)轉(zhuǎn)輸泵未發(fā)現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，改善效果顯著。通過(guò)控制溫度優(yōu)化措施實(shí)現(xiàn)年節(jié)約天然氣4.1×104m3，年可節(jié)約標(biāo)煤53.52 t，減少CO2排放80.87 t。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)某油田A 轉(zhuǎn)油站轉(zhuǎn)輸泵葉輪的結(jié)垢成因分析，通過(guò)阻垢劑的藥劑篩選及比選，優(yōu)選出KL-502（堿性）阻垢劑，并通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定了反應(yīng)溫度及藥劑濃度的運(yùn)行參數(shù)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用了KL-502（堿性）阻垢劑，通過(guò)控制加藥量及溫度，葉輪內(nèi)壁上再無(wú)結(jié)垢現(xiàn)象發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)輸泵的高效運(yùn)行，延長(zhǎng)了泵的使用壽命，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。