用于集輸管道的阻垢涂層優(yōu)選及性能評(píng)價(jià)

劉田甜，譚英學(xué)，孫美聰(勝利油田東辛采油廠，山東 東營(yíng) 257094)

0 引言

油田生產(chǎn)過(guò)程中的集輸管線結(jié)垢問(wèn)題嚴(yán)重影響了油氣田的正常生產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。涂料涂層技術(shù)在石油機(jī)械中的最主要應(yīng)用是對(duì)一些石油采儲(chǔ)過(guò)程中的油管、套管以及鉆桿進(jìn)行保護(hù)[4-5]。各個(gè)油田都為注水系統(tǒng)尤其是注水井油管的防結(jié)垢做了許多努力，目前，通過(guò)在管道表面涂層處理技術(shù)，利用具有特殊性能的涂層來(lái)阻止垢在涂層表面上的形成，也能起到一定的防垢效果[6-7]。相對(duì)來(lái)說(shuō)，管道內(nèi)表面涂層處理技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的管理要求最低，使用方便[8-10]。早期有化學(xué)鍍鎳磷涂層、滲氮滲鋁涂層、不銹鋼襯里，它的涂層都是從防腐蝕的角度出發(fā)來(lái)防垢，實(shí)踐證明有一定的效果，但防垢效果不是很好；中期有玻璃鋼涂層，防垢效果都要好于早期的涂層，但涂層質(zhì)量參差不齊，時(shí)常有涂層脫落的現(xiàn)象發(fā)生[11]。目前，部分油田開(kāi)始使用環(huán)氧樹(shù)脂涂層，雖然成本相對(duì)較高，但效果較好[12]。

本文綜合考慮集輸系統(tǒng)的水質(zhì)、實(shí)際工況以及現(xiàn)有集輸系統(tǒng)的結(jié)垢情況，自行調(diào)研選擇三種阻垢涂料，開(kāi)展高性能阻垢涂層評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選得到適用于長(zhǎng)慶油田現(xiàn)場(chǎng)集輸系統(tǒng)的高性能阻垢涂層。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)溶液

本文參照SY/T 5673—93 《油田防垢性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》配置碳酸鈣垢液、硫酸鋇垢液及硫酸鍶垢液，用以評(píng)價(jià)三種防垢涂層對(duì)各種類(lèi)型垢的阻垢效果，垢液成分及含量如表1所示。為模擬現(xiàn)場(chǎng)不同層系采出液混輸后不配伍的情況，本文在配制溶液時(shí)，將結(jié)垢性陽(yáng)離子及陰離子分開(kāi)配制，分別加熱到指定溫度后，立即混合開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，使離子結(jié)合成垢的過(guò)程在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行。

表1 三種垢液中的化學(xué)試劑成分及含量

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文采用JY-82A接觸角測(cè)定儀對(duì)三種涂層的接觸角進(jìn)行測(cè)量。在每個(gè)涂層試件上選取三個(gè)位置進(jìn)行三次接觸角測(cè)定，最后取平均值即為該涂層的接觸角數(shù)值。采用旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕實(shí)驗(yàn)儀通過(guò)試片旋轉(zhuǎn)的方式模擬管道內(nèi)采出液流動(dòng)的工況，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)模擬不同的流速，儀器下方帶有水浴加熱裝置，可對(duì)實(shí)驗(yàn)溶液進(jìn)行控溫。實(shí)驗(yàn)前在基材試片上涂刷涂層，采用涂層測(cè)厚儀篩選厚度滿足要求的試片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本文采用單一垢液(碳酸鈣、硫酸鋇、硫酸鍶垢液)和現(xiàn)場(chǎng)水樣在不同溫度、不同轉(zhuǎn)速下對(duì)自行調(diào)研的防蠟阻垢涂層、防油污涂層及自清潔涂層進(jìn)行防垢性能評(píng)價(jià)及優(yōu)選。由于集輸管道運(yùn)行壓力普遍較低，因此本文實(shí)驗(yàn)在常壓下開(kāi)展，單次動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為7 d。

2 結(jié)果與討論

2.1 接觸角測(cè)試結(jié)果

接觸角測(cè)試結(jié)果如表2所示，三種涂層接觸角均大于90°，均具有疏水性。防油污涂層接觸角最大，防蠟阻垢涂層次之，自清潔涂層最小。相對(duì)于粗糙度來(lái)說(shuō)，材料的表面能的高低是引發(fā)結(jié)垢、結(jié)蠟的重要因素。有機(jī)涂層目前已經(jīng)廣泛用于管道的內(nèi)壁，由于有機(jī)涂層極性小、表面粗糙度低，因此涂層還具有明顯的防結(jié)蠟和防結(jié)垢性能。涂層材料的接觸角越大，材料表面能越低，低表面能可以改變污垢層的結(jié)構(gòu)，使其與基材表面的附著力減弱，污垢易脫落，即可以減小涂層上附著的垢的面積[13]。因此從接觸角測(cè)試結(jié)果來(lái)看，防油污涂層阻垢效果最好。

表2 接觸角測(cè)量結(jié)果 單位：°

2.2 不同溫度下三種涂層阻垢性能評(píng)價(jià)

由于地層采出液溫度較高，在集輸管道內(nèi)輸送的過(guò)程中溫度逐漸降低到環(huán)境溫度，因此集輸管道中采出液溫度一般介于20 ℃至70 ℃[14]。本節(jié)三種涂層分別在25 ℃、45 ℃及65 ℃的溫度條件下采用差重法進(jìn)行阻垢效果測(cè)試，模擬流速0.2 m/s。

涂層防垢效果越好，實(shí)驗(yàn)前后試片的差重越小，說(shuō)明涂層的阻垢效果越好，若管道內(nèi)壁應(yīng)用此涂層，則管道內(nèi)壁不易結(jié)垢，達(dá)到阻垢效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，從結(jié)果可知，三種涂層在碳酸鈣垢液中的相對(duì)阻垢效果相同，均為防油污涂層阻垢效果最好，防蠟阻垢涂層次之，自清潔涂層阻垢效果最差。這與接觸角測(cè)試結(jié)果一致，說(shuō)明低表面能的涂層表面不易結(jié)垢，尤其在有一定流速的流動(dòng)溶液中，已吸附到表面的垢顆粒也很容易被沖掉，因此阻垢效果更好。

圖1 不同溫度下三種涂層在碳酸鈣垢液中的結(jié)垢量對(duì)比

通過(guò)式(1)計(jì)算阻垢率，不同溫度下防油污涂層在三種垢液中的阻垢率如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)，防油污涂層對(duì)硫酸鋇垢的阻垢效果最好，隨著溫度的升高，防油污涂層對(duì)三種垢液的阻垢率均呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。當(dāng)流速為0.2 m/s時(shí)，在碳酸鈣垢液中，阻垢率最低為60.4%，最高為73.5%。在硫酸鋇垢液中，阻垢率最低為75.3%，最高為92.5%。在硫酸鍶垢液中，阻垢率最低為71.4%，最高為78.1%。

圖2 不同溫度下防油污涂層在三種垢液中的阻垢率

式中：ε為阻垢率(%)；M1為實(shí)驗(yàn)結(jié)束裸鋼試片烘干后的重量(g)；M2為實(shí)驗(yàn)結(jié)束帶涂層試片烘干后的重量(g)。

2.3 不同流速下三種涂層阻垢性能評(píng)價(jià)

受區(qū)塊地層產(chǎn)量影響，現(xiàn)場(chǎng)集輸管道的流速一般介于0.1 m/s至0.8 m/s之間[15]。本節(jié)中三種涂層分別在0.2 m/s、0.4 m/s及0.6 m/s的流速條件下采用差重法進(jìn)行阻垢測(cè)試，控制實(shí)驗(yàn)溫度為45 ℃。不同流速下防油污涂層在三種垢液中的阻垢率結(jié)果如圖3所示，隨著流速升高阻垢率均呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)橥繉颖砻婺艿蛯?dǎo)致垢在其表面吸附不牢固，增大流速會(huì)將部分已吸附的垢層沖掉。結(jié)合2.2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在采出液的輸送溫度、流速范圍內(nèi)，防油污涂層對(duì)于單一垢型溶液的阻垢效果較好，可達(dá)60.4%至84.8%。

圖3 不同流速下防油污涂層在三種垢液中的阻垢率

2.4 防油污涂層對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采出液的阻垢效果測(cè)定

為驗(yàn)證防油污涂層在礦化度較高且垢型豐富的現(xiàn)場(chǎng)采出液中的阻垢效果，選取長(zhǎng)慶油田結(jié)垢嚴(yán)重的集輸管道對(duì)應(yīng)的8種不同層系采出液進(jìn)行評(píng)價(jià)，所有采出液均已進(jìn)行除油處理。設(shè)置實(shí)驗(yàn)溫度為45 ℃時(shí)、轉(zhuǎn)速為0.2 m/s，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)垢量數(shù)據(jù)取平均值后如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可得，涂有防油污涂層試片的結(jié)垢量明顯低于裸鋼試片的結(jié)垢量，防油污涂層在各水樣實(shí)驗(yàn)中阻垢率均高于51.9%，其中對(duì)2號(hào)水樣的阻垢率更是高達(dá)83.4%。根據(jù)調(diào)研結(jié)果可知[14]，長(zhǎng)慶油田目前的主要阻垢措施為加注阻垢劑，在最優(yōu)加注方案下，阻垢率介于40%至80%。本文優(yōu)選的防油污涂層的阻垢效果與阻垢劑的阻垢效果相當(dāng)。由于地層采出液理化性質(zhì)多變，且阻垢劑對(duì)水質(zhì)較為敏感，因此阻垢劑的阻垢效果不穩(wěn)定。而阻垢涂層作為物理防垢措施，對(duì)水質(zhì)的兼容性更強(qiáng)，阻垢效果更加穩(wěn)定出色。因此，防垢涂層適用于油田的集輸管道，是一種低成本、效果好且綠色環(huán)保的阻垢措施。

表3 防油污涂層對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采出液的阻垢性能評(píng)價(jià)

3 結(jié)語(yǔ)

涂層的阻垢性能與其表面能相關(guān)，接觸角越大，說(shuō)明涂層的表面能越小，越不容易結(jié)垢。其中防油污涂層阻垢效果最好，在采出液的輸送溫度及流速范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，涂層阻垢率降低，隨著流速的增加，涂層的阻垢率升高。優(yōu)選的防油污涂層對(duì)單一垢型溶液的阻垢率可達(dá)60.4%至84.8%，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同層系采出液的阻垢性能可達(dá)51.9%以上。因此防垢涂層可用于油田現(xiàn)場(chǎng)的集輸管道，相比于加注阻垢劑等手段而言，是一種低成本、效果好且綠色環(huán)保的阻垢措施。