長慶油田某區(qū)塊地面集輸系統(tǒng)結(jié)垢機(jī)理與集中成垢裝置研究

王蕊，白劍鋒，龐永莉，霍富永，李開

長慶工程設(shè)計有限公司，陜西 西安 710018

隨著油氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，采出液中含水率上升和礦化度的變高，導(dǎo)致油氣藏中的液體從地層采出后，由于溫度和壓力等的變化，容易引起無機(jī)鹽在地面集輸系統(tǒng)的結(jié)垢[1-4]，由此引起油管被堵、壓力增加和產(chǎn)量的下降。此外，結(jié)垢容易引起局部腐蝕[5-6]，從而導(dǎo)致管道發(fā)生穿孔腐蝕，引發(fā)安全事故[7-9]。

長慶油田各采油廠目前采用不同層系油藏混采混輸?shù)挠途找嬖龆?，?dǎo)致部分地面集輸系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重[9]、故障頻發(fā)，維護(hù)成本逐年上升[10-11]。目前主要通過物理法和化學(xué)法除垢?；瘜W(xué)法具有針對性強和除垢效率高的特點，但是存在不具有普適性、且需要持續(xù)加藥和成本高等問題[7-8,11]。由于集輸系統(tǒng)的采出液中的離子組成和濃度存在多變性，因此化學(xué)法尤其是單一藥劑可能不適于集輸系統(tǒng)的防垢[12]。而常規(guī)的物理除垢方法如超聲波、磁場等，存在設(shè)備投入費用高、除垢效果不理想的問題[13-14]，導(dǎo)致現(xiàn)場應(yīng)用的局限性。因此急需開展防垢技術(shù)研究，開發(fā)出具有普適性防垢效果的防垢技術(shù)，從而解決長慶油田集輸系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重的問題。

針對長慶油田某區(qū)塊結(jié)垢嚴(yán)重的地面集輸系統(tǒng)，通過垢樣、采出液的水質(zhì)進(jìn)行分析以明確垢樣成分及其成因；并選擇集輸管線結(jié)垢部位嚴(yán)重的不同流體進(jìn)行成垢研究，明確影響垢體沉降速率、粒徑等的因素，以期為集輸系統(tǒng)的防垢工作提供理論支持。通過對自主研發(fā)的集中成垢裝置進(jìn)行優(yōu)化[15]，模擬垢體顆粒在裝置中的沉降分布情況，以期解決地面集輸系統(tǒng)的結(jié)垢問題。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

碳酸氫鈉、氯化鈉、硫酸鉀、氯化鈣、氯化鎂、氯化鋇、氯化鍶，均為分析純。TD-3700型X射線衍射儀，中國通達(dá)公司；PlasmaQuant 9100電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)，德國耶拿公司；Quanta450型環(huán)境掃描電子顯微鏡，美國FEI公司。

1.2 現(xiàn)場垢樣及油田采出液成分分析

1.3 流體的配伍性及結(jié)垢規(guī)律研究

根據(jù)采出液成分配制A、B兩組模擬采出水：A組模擬含有沉淀型陽離子水，B組模擬含有沉淀型陰離子水。將兩組水注入同一管道，通過流量計控制液體流量，同時用水浴對液體加熱。研究流體溫度、離子濃度和流速等條件對垢樣的粒徑、密度和沉積速度等的影響。其中流體溫度為50～90 ℃；流體流速為3.5～5 m/min。

1.4 集中成垢裝置除垢研究

對自主設(shè)計的集中成垢裝置(見圖1)進(jìn)行優(yōu)化[15]；模擬研究液體中的顆粒在集中成垢裝置中的沉降分布情況，明確裝置的除垢性能。

圖1 集中成垢裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)場垢樣分析

選取結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重的某區(qū)塊中A站(結(jié)垢嚴(yán)重，需每月清理總機(jī)關(guān)，即使加入120×10-6mg/L的藥劑，清垢周期也只能從30 d延長到33 d)和B站(加藥濃度60×10-6mg/L，清垢周期由30 d延長至37 d)的垢樣進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 A站和B站垢樣的SEM和EDS

從SEM照片和EDS譜圖可以看出，A站和B站的垢樣除了顆粒形貌相差較大外，其元素組成基本相同，說明這兩個集輸站采出液中的離子成分較為相似，主要含有Ca、Ba、S、Sr等元素，具體元素百分比如表1所示，除了O、Ba相差較大外，其他元素百分比相近，說明產(chǎn)生污垢的不溶性鹽是鋇鹽，主要為硫酸鋇鍶。對地面集輸A站的垢樣進(jìn)行處理后，測得的XRD結(jié)果如圖3所示，垢樣為Ba0.75Sr0.25SO4。

表1 A站和B站垢樣的元素百分比

圖3 長慶油田某區(qū)塊A站垢樣的XRD

2.2 現(xiàn)場采出水成分分析

表2 長慶油田某區(qū)塊A站水樣分析

2.3 現(xiàn)場采出水成垢規(guī)律分析

開展油田采出水的成垢規(guī)律研究有助于揭示垢的形成機(jī)理、結(jié)晶動力學(xué)、結(jié)垢誘導(dǎo)期的影響因素，為采出水中沉淀型離子的除去具有理論指導(dǎo)意義[2,5]。主要探究了礦化度、溫度和流速對垢體的粒徑、密度和沉降速度的影響。

2.3.1 礦化度

通常情況下，礦化度越高對應(yīng)的鹽含量越高。而鹽含量升高時，CaCO3、BaSO4這類不溶性垢體的溶解度會隨之增加。鹽含量相對較高時，可以生成垢的離子濃度相對減少，從而削弱了可以結(jié)合的正負(fù)離子結(jié)合能力[1]。但鹽含量的增加可能主要由能夠生成沉淀的正負(fù)離子導(dǎo)致，這種情況下則不會削弱正負(fù)離子的結(jié)合能力，甚至大量可形成沉淀的正負(fù)離子的存在會提高正負(fù)離子的碰撞機(jī)會，使得沉淀顆粒的粒徑增加。

研究水體溫度為50 ℃、流速為2.5 m/s、礦化度在(1～14)×104mg/L之間時，礦化度對垢體的粒徑、密度和沉降速度的影響，實驗結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)可知，隨著溶液礦化度的增加，生成的垢體粒徑尺寸呈現(xiàn)出先緩慢增加后快速增加最后趨近于不變的趨勢?？赡艿V化度的增加，使得正負(fù)離子濃度的增加起到了主導(dǎo)作用。從圖4(b)可知，礦化度的增加對垢體的密度并沒有影響?？赡苁堑V化度的增加并沒有影響到沉淀型離子的碰撞強弱程度，從而未影響到垢體的密實度[8]。由于垢體粒徑的增加，其質(zhì)量隨之增加，在其質(zhì)量增加的幅度大于其在液態(tài)中浮力增加的幅度條件下，引起垢體顆粒的沉降速度的增加(見圖4(c))。

圖4 礦化度對垢體的影響

2.3.2 溫度

沉淀結(jié)垢是一個吸熱反應(yīng)，當(dāng)溫度改變時，結(jié)晶動力學(xué)也隨之變化。設(shè)置礦化度為7×104mg/mL，流速為2.5 m/s、水體溫度(50～90)℃，研究溫度對垢體的粒徑、密度和沉降速度的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 溫度對垢體的影響

根據(jù)布朗運動理論，由于液體分子的熱運動，微粒會受到來自各個方向液體分子的無序碰撞。由于這種不平衡的沖撞，微粒呈現(xiàn)出不規(guī)則的運動。微粒布朗運動的劇烈程度隨著流體溫度的升高而增加[16]。溫度的升高雖然加劇了布朗運動，增加了粒子的接觸機(jī)會和次數(shù)，但是劇烈的運動影響了它們的聚集成核。所以從圖5(a)看到，隨著液體溫度的升高，生成垢體的粒徑呈現(xiàn)出緩慢減小的趨勢。由于溫度的升高增加了垢體熱運動的無序性，導(dǎo)致形成垢體的密實度出現(xiàn)變化。因此從圖5(b)看到當(dāng)溫度低于75 ℃時，垢體的密度為無序的變化；當(dāng)溫度超過75 ℃時，垢體的劇烈熱運動影響到垢體的結(jié)合能力，使得垢體的密度隨著溫度的升高而持續(xù)下降。垢體的粒徑和密度的減小直接影響到單個垢體的質(zhì)量，導(dǎo)致其沉降速度減小。因此，從圖5(c)看到，隨著液體溫度的升高，生成的垢體的沉降速度逐漸減小。

2.3.3 流速

研究礦化度7×104mg/L、溫度為50 ℃的條件下，流速對垢體的粒徑、密度和沉降速度的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 流速對垢體的影響

垢體粒徑隨流速先增大后減小(見圖6(a))。在流速超過某一臨界點之前，流體流動速度的增大，加強了管道內(nèi)垢體的接觸機(jī)會，提高了它們的聚集成核速率，有利于生成的沉淀顆粒成核。但當(dāng)流速超過這一臨界點之后，由于管內(nèi)流體存在速度梯度，剪切分散作用過大，將不利于沉淀微粒的聚集成核而生成大的顆粒，因此出現(xiàn)了實驗結(jié)果所呈現(xiàn)出的垢體粒徑隨著流體流速的增加先增加后減小的趨勢[8]。由于流速的大小只是影響到垢體顆粒的接觸機(jī)會和結(jié)合能力，而對垢體的組成和成核顆粒的密實度的影響較小，因此從實驗數(shù)據(jù)看到流速對垢體密度的影響較小(見圖6(b))。和垢體粒徑相對應(yīng)的，沉降速度表現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(見圖6(c))。

綜合上述研究結(jié)果，礦化度、溫度和流速均影響著垢體粒徑，最終影響到垢體的沉降速度。油田現(xiàn)場在集輸系統(tǒng)中安裝集中成垢設(shè)備，這就要求流體中的垢體在流經(jīng)成垢設(shè)備前不允許沉降，集中在成垢設(shè)備中沉降，以便于集中清理污垢。

眾所周知，固體微粒在液體中的沉降需要一定的時間，是一個緩慢發(fā)生的過程。如果微粒在沉降過程中被擾動，那么其沉降速率將會發(fā)生變化，擾動越劇烈越難以發(fā)生沉降。因此流速是一個影響到垢體沉降發(fā)生結(jié)垢的主要因素。

液流中的顆粒的沉降速度如下：

在滯留區(qū)(10-4

(1)

在過渡區(qū)(1

(2)

在湍流區(qū)(103≤Re<2×105)：

(3)

式中：Re為顆粒雷諾數(shù)，1；u為顆粒相對于流體的運動速度，m/s；dp為顆粒的直徑(假設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)圓球形)，m；ρp為顆粒的密度，kg/m3；ρ為流體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；μ為流體黏度，Pa·s。

由式(1)、(2)和(3)可知，在流體的密度、黏度確定的情況下，固體顆粒的密度和直徑越大，則其沉降速度越大，即越容易沉積在管材表面。

2.4 集中成垢裝置研究

集中成垢的原理是利用不相溶水體混合結(jié)垢，通過改變水體化學(xué)熱力學(xué)條件，人為創(chuàng)造結(jié)垢環(huán)境，誘導(dǎo)水體中的結(jié)垢因子在指定的地點結(jié)垢，避免水體在后續(xù)管線設(shè)備中結(jié)垢[10]。定點結(jié)垢裝置是實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)前文研究的影響垢體沉降速度的因素，通過室內(nèi)模擬計算和參數(shù)優(yōu)化，研究了流速(處理量)和垢體粒徑對集中成垢裝置中垢體分布狀態(tài)的影響。

2.4.1 處理量

以進(jìn)液含油率20%、垢體平均粒徑50 μm、平均密度3.5 g/cm3為例，模擬計算液體處理量不同時，垢體在成垢裝置中不同位置的體積分?jǐn)?shù)分布，結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 不同處理量下集中成垢裝置中垢體體積分?jǐn)?shù)分布情況

從圖7可知，實驗裝置的處理量在30～50 L/h時，垢體均能有效沉積到裝置排渣口附近；液體的處理量增加，垢體沉降區(qū)有上移的趨勢。垢體體積分?jǐn)?shù)隨高度變化規(guī)律如圖8所示，從圖8中可看出，裝置排渣口附近垢體體積分?jǐn)?shù)趨近1，裝置頂部垢體體積分?jǐn)?shù)趨近0；處理量增加，垢體分布有向裝置上部擴(kuò)散的趨勢，但是可以看到，垢體都集中在裝置內(nèi)部沉積，結(jié)果表明該集中成垢裝置能夠有效除去流體中的垢體。

圖8 不同處理量下集中成垢裝置中垢體體積分?jǐn)?shù)隨高度變化規(guī)律

2.4.2 垢體粒徑

處理量40 L/h、進(jìn)液含油率20%、垢體平均密度3.5 g/cm3，垢體粒徑不同時，裝置內(nèi)不同位置垢體體積分?jǐn)?shù)分布情況如圖9、10所示。

圖9 不同垢體粒徑下集中成垢裝置中垢體體積分?jǐn)?shù)分布情況

如圖9所示，垢體的粒徑越大，裝置排渣口附近垢體體積百分?jǐn)?shù)越高，說明越易沉降。如圖10所示，當(dāng)垢體粒徑小于50 μm時，粒徑對垢體在裝置內(nèi)分布區(qū)域的影響較小。因為在垢體密度相同時，垢體的粒徑越大，垢體沉降的力越大，越容易在底部沉積。因此，當(dāng)垢體粒徑達(dá)到70 μm時，垢體在裝置中的分布發(fā)生了明顯的變化。但是需要注意的是，即使粒徑僅為30 μm，亦不影響垢體在成垢裝置中的有效沉積。

圖10 不同垢體粒徑下集中成垢裝置中垢體體積分?jǐn)?shù)隨高度變化規(guī)律

通過上述模擬計算可知，液體處理量對垢體在集中成垢裝置中的沉降速度影響最大；垢體粒徑越大越有利于垢體的沉降。因此為了滿足成垢垢體在裝置的沉積，需要注意處理量與裝置處理能力的匹配性問題。

3 結(jié)論

1)對長慶油田某區(qū)塊的采出水的礦化度和成分分析可知，該區(qū)塊的采出水的礦化度在20 000～90 000 mg/L之間，所有井的采出水中均檢測到大量的Ca2+、Mg2+、Ba2+等可能產(chǎn)生沉淀的陽離子，在部分井的采出水中也發(fā)現(xiàn)了Sr2+。這些元素同樣在垢樣中被檢測到，說明這些離子是產(chǎn)生垢體的主要組成部分。

2)采出水的礦化度越高，垢體的粒徑越大，垢體的沉降速度越快；流體的溫度越高，垢體的粒徑越小，垢體的沉降速度越小；流速對垢體的粒徑和沉降速度的影響呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。

3)垢體在成垢裝置中隨著液體處理量的增加，垢體的分布存在上移的現(xiàn)象；垢體粒徑越大越有利于垢體在裝置出渣口的沉積。