新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院

青海躍進(jìn)油田集輸管道結(jié)垢的綜合治理

李澍 田繼軍新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院

以青海躍進(jìn)油田集輸管道為例，對(duì)其結(jié)垢機(jī)理、結(jié)垢成因和影響結(jié)垢的因素進(jìn)行分析，從化學(xué)法除垢、高壓水槍噴射除垢、機(jī)械除垢、超聲波除垢等方面進(jìn)行治理研究，提出相應(yīng)結(jié)垢治理技術(shù)措施。集輸管道清掃時(shí)，盡量縮短酸液與管道接觸的時(shí)間，清洗后盡快將殘余酸液排盡，防止清晰余留酸液引起結(jié)垢。建立管道結(jié)垢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)垢部位和結(jié)垢數(shù)量、性質(zhì)特征等情況，及時(shí)采取治理措施，避免結(jié)垢物增多。開發(fā)針對(duì)性強(qiáng)、效率高的結(jié)垢物化學(xué)處理劑，采用管內(nèi)移動(dòng)式除垢器及電動(dòng)控制除垢設(shè)備，對(duì)集輸管道內(nèi)存在的結(jié)垢物進(jìn)行自動(dòng)清理。

油田；集輸管道；結(jié)垢；物理防垢；化學(xué)防垢

集輸管道由于輸送的油氣含有有機(jī)物、H2S、CO2、細(xì)菌等雜質(zhì)，容易形成污垢并黏附在管道內(nèi)壁，造成集輸管道壓力損失、內(nèi)徑減小、排量減小、流通不均勻等，嚴(yán)重影響了集輸系統(tǒng)的輸送效率和穩(wěn)定性。同時(shí)，結(jié)垢還可能引起管道局部腐蝕，導(dǎo)致穿孔、破損等現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)安全事故，后果嚴(yán)重。以青海躍進(jìn)油田集輸管道為例，對(duì)其結(jié)垢機(jī)理、結(jié)垢成因和影響結(jié)垢的因素進(jìn)行分析，提出科學(xué)有效的集輸管道結(jié)垢治理措施，對(duì)解決青海油田日益嚴(yán)重的管道結(jié)垢問題，提高設(shè)備傳熱效率、集輸管道輸送效率，提高集輸系統(tǒng)使用壽命和油田經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的促進(jìn)作用。

1 集輸管道結(jié)垢分析

1.1 結(jié)垢機(jī)理

（1）物質(zhì)不相容機(jī)理理論。由于管道液體中含有的離子或氣體，在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的腐蝕過程中，產(chǎn)生了不穩(wěn)定的物質(zhì)，這些物質(zhì)與管道液體不相容，進(jìn)行沉淀后就形成垢物。例如，水型為NaHCO3的油氣井條件和含有CaCl2的油田采出物混合輸送后就會(huì)在集輸管道內(nèi)形成結(jié)垢物。

（2）熱力學(xué)條件影響結(jié)垢機(jī)理。油氣井開采過程中，由于開采和輸送環(huán)境的變化，集輸管道內(nèi)壓力下降，溫度上升導(dǎo)致輸送物質(zhì)的礦化度增高，沉積速率加快且容易結(jié)垢。

（3）吸附機(jī)理理論。在發(fā)生腐蝕后，結(jié)垢物經(jīng)歷析出、長大和沉積3個(gè)過程。垢是晶體結(jié)構(gòu)，集輸管道表面是凹凸不平的粗糙面，垢形成后會(huì)吸附在管道表面，然后以其為中心不斷長大形成密集的結(jié)垢物。

（4）結(jié)垢因素。這3個(gè)結(jié)構(gòu)理論機(jī)理直接表明了集輸管道結(jié)垢因素：一是地層中含有高濃度易結(jié)垢離子，化學(xué)平衡破壞產(chǎn)生硫酸鎂、硫酸鈣等結(jié)垢物；二是兩種或兩種以上不相容的水混合在一起，離子相互作用產(chǎn)生硫酸鋇、硫酸鍶等結(jié)垢物，以及大量的硫酸鹽結(jié)垢物。

1.2 結(jié)垢成因

根據(jù)油田集輸管道結(jié)垢機(jī)理理論，針對(duì)青海油田特征進(jìn)行分析，青海油田水中含有較高的Ca2+、Sr2+、Ba2+等成垢離子。地殼中鈣的豐度僅次于氧、硅、鋁、鐵，占第5位，顯然鈣是含量較高的元素之一，因而地層水顯示出Ca2+含量高的特征。根據(jù)結(jié)構(gòu)機(jī)理，Ca2+屬成巖垢的主要離子之一，它與CO32-、SO42-等陰離子的結(jié)合輕易產(chǎn)生碳酸鈣、硫酸鈣等結(jié)垢物。同時(shí)，青海油田還存在以下結(jié)垢形成條件：①地層水中含有Ca2+、Sr2+、Ba2+等成垢離子，是由于巖石礦物長期反應(yīng)緩慢形成的。這些都是成垢離子，是各種礦石如斜長石、黑云母、沸石、方解石等自然釋放形成而進(jìn)入地水層，從而形成結(jié)垢物。②黏土巖和黏土礦物的陰離子交換，黏土巖表面吸附Ca2+、Sr2+、Ba2+等進(jìn)入孔隙水中，增加了管道結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)性，也是結(jié)構(gòu)成因之一。③青海油田油層形成空間條件，一方面一定的空間是成垢的必然條件，另一方面孔隙為成垢過程提供成垢離子。

有了上述條件，青海油田集輸管道就極容易產(chǎn)生硫酸鋇、硫酸鍶等結(jié)垢物，同時(shí)還有碳酸鈣、硫酸鈣和少量的碳酸鎂等結(jié)垢物。

1.3 管道結(jié)垢影響因素

影響青海油田集輸管道結(jié)垢的因素很多，除了介質(zhì)本身含有的有機(jī)物、H2S、CO2外，還受到許多外界因素影響。

（1）溫度對(duì)管道結(jié)垢的影響。溫度對(duì)管道結(jié)垢的影響主要是改變形成垢物的鹽類溶解度。結(jié)垢物大多數(shù)是隨著溫度升高溶解度降低，也就是結(jié)垢物形成加快。對(duì)鹽類垢物進(jìn)行分析，當(dāng)溫度升高時(shí)發(fā)生如下反應(yīng)該反應(yīng)吸熱，溫度升高反應(yīng)加快，形成CaCO3結(jié)垢物。同理，對(duì)于BaSO4、SrSO4、CaSO4等結(jié)垢物而言，其形成過程難溶解，都是吸熱反應(yīng)，因此溫度升高結(jié)垢物增多。并且，溫度升高對(duì)集輸管道介質(zhì)中的細(xì)菌、鐵離子反應(yīng)速度加快，從而影響和加大結(jié)構(gòu)物形成。

（2）壓力對(duì)管道結(jié)垢的影響。壓力對(duì)集輸管道CaCO3、BaSO4、SrSO4、CaSO4等結(jié)垢均有影響，結(jié)垢反應(yīng)方程中含有氣體參與，壓力降低時(shí)，促使結(jié)垢加快。在青海油田集輸管道輸送過程中，管道壓力都是逐步降低，因此結(jié)垢速率加快，結(jié)垢物增多。

（3）介質(zhì)流速對(duì)管道結(jié)垢的影響。一般情況下，集輸管道輸送介質(zhì)的流速增大，可以降低沉積物，反應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)垢物難以大面積堆積沉淀；同時(shí)流速增大引起的剝蝕率的增加十分顯著，造成結(jié)垢增長減少。流速降低時(shí)，介質(zhì)中的固體顆粒、微生物等沉積增多，結(jié)垢趨勢(shì)明顯加大。流速增大也是壓力變化的體現(xiàn)，引起結(jié)垢反應(yīng)的加快。

（4）pH值對(duì)管道結(jié)垢的影響。對(duì)青海油田的結(jié)垢物和原油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出結(jié)論：提高溶液pH值，碳酸鹽溶解后迅速結(jié)晶，結(jié)垢物形成加快，pH值過低時(shí)，容易出現(xiàn)腐蝕并形成腐蝕物結(jié)垢。界定合適的pH值，使得集輸管道結(jié)垢控制在最佳范圍，即6.5～8.0范圍內(nèi)。

2 結(jié)垢治理技術(shù)措施

2.1 化學(xué)防垢技術(shù)

化學(xué)除垢是當(dāng)前集輸管道結(jié)垢治理最基本、最常用的方法。一方面選擇良好的化學(xué)防垢劑注入集輸介質(zhì)中能有效防止結(jié)垢物生成；另一方面選用合適的除垢清洗劑，針對(duì)結(jié)垢物性質(zhì)特征采用化學(xué)藥劑對(duì)其進(jìn)行清洗，通過化學(xué)反應(yīng)將結(jié)垢物進(jìn)行溶解。實(shí)際治理時(shí)要根據(jù)青海油田結(jié)構(gòu)物成分有針對(duì)性地研究，才能最大限度提高除垢治理效果，最低限度減小成本和損耗?；瘜W(xué)除垢清洗劑在集輸管道結(jié)垢治理應(yīng)用廣泛，但是往往容易造成管道損壞，污染環(huán)境等，需要進(jìn)一步研究。

2.2 高壓水槍噴射清洗除垢

高壓水槍噴射是最清潔、最簡單的管道結(jié)垢治理方法，它主要是利用高壓水經(jīng)過特殊噴嘴噴向結(jié)垢物時(shí)，將其直接沖洗掉，結(jié)垢治理效率高，無附帶負(fù)作用。這種方法目前使用較少，主要是耗水量十分大，結(jié)垢治理后的水處理難度大，噴射掉的污垢難以快速、安全、徹底排掉。青海油田根據(jù)自身實(shí)際情況可以從此方面入手，結(jié)合水處理系統(tǒng)，將處理水進(jìn)行循環(huán)利用，進(jìn)而采用高壓水噴射除垢方法。

2.3 機(jī)械除垢

集輸管道結(jié)垢機(jī)械治理是采用強(qiáng)力清管器（包括磁力清管器、釘輪清管器、刷輪清管器等）在集輸管道內(nèi)部對(duì)管道內(nèi)壁黏附的結(jié)垢物進(jìn)行自動(dòng)清理。清管器操作簡單、治理速度快、自動(dòng)化程度高、無污染，可以在青海油田進(jìn)行試用。但是清管器機(jī)械結(jié)構(gòu)治理法難以徹底將垢物清理干凈，一般需要重復(fù)清理8～10遍，除垢效率低下，而且設(shè)備容易損耗、成本高。

2.4 超聲波除垢

超聲波治理是通過超聲波儀器對(duì)集輸管道輸送介質(zhì)進(jìn)行處理，使得流體中的結(jié)構(gòu)物質(zhì)在超聲波場(chǎng)的作用下，物理形態(tài)和化學(xué)形態(tài)發(fā)生變化，出現(xiàn)分散、松散、粉碎、脫落，而不會(huì)出現(xiàn)在管道內(nèi)壁進(jìn)行沉積、黏附形成污垢。一般是在未形成結(jié)垢物前進(jìn)行防垢，處理效果明顯、成本低、無污染、無損壞，在青海油田集輸管道結(jié)垢防護(hù)過程中可以推廣應(yīng)用，但是對(duì)已結(jié)垢進(jìn)行治理起到的作用不大。

3 結(jié)語

（1）集輸管道清掃時(shí)，盡量縮短酸液與管道接觸的時(shí)間，清洗后盡快將殘余酸液排盡，防止清晰余留酸液引起結(jié)垢。

（2）建立管道結(jié)垢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)垢部位和結(jié)垢數(shù)量、性質(zhì)特征等情況，及時(shí)采取治理措施，避免結(jié)垢物增多。

（3）開發(fā)針對(duì)性強(qiáng)、效率高的結(jié)垢物化學(xué)處理劑，通過化學(xué)反應(yīng)機(jī)理將管道內(nèi)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)物進(jìn)行清理。

（4）采用管內(nèi)移動(dòng)式除垢器及電動(dòng)控制除垢設(shè)備，對(duì)集輸管道內(nèi)存在的結(jié)垢物進(jìn)行自動(dòng)清理，達(dá)到效率高、速度快、質(zhì)量好、無污染的效果。

（欄目主持 焦曉梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.053