彭 壯，付田田，李 丹

（1. 長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司 采油采氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)江大學(xué)分室，湖北 武漢 430100；3. 中石化河南石油分公司，河南 鄭州 450000）

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油田管道室內(nèi)靜態(tài)結(jié)垢模擬實(shí)驗(yàn)研究

彭 壯1，2，付田田1，2，李 丹3

（1. 長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；
2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司 采油采氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)江大學(xué)分室，湖北 武漢 430100；3. 中石化河南石油分公司，河南 鄭州 450000）

摘 要：目前油田注水設(shè)備及地面管線嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象已經(jīng)影響到油田正常的生產(chǎn)運(yùn)行，而油田常見(jiàn)的結(jié)垢物主要為碳酸鈣、硫酸鈣等鹽類垢，因此有必要對(duì)油田管道鹽類垢的形成及影響因素進(jìn)行分析。對(duì)4種常見(jiàn)的鹽類垢進(jìn)行了室內(nèi)靜態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究了結(jié)垢溫度、作用時(shí)間以及管道材質(zhì)對(duì)結(jié)垢速率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在40 ℃和80 ℃時(shí)，垢質(zhì)晶體的形成速率較慢，而在60 ℃時(shí)，垢質(zhì)晶體的形成速率較快，相同溫度下，不同晶體類型的結(jié)垢速率也存在較大的差異；不同鹽類垢均在8 h內(nèi)的結(jié)垢速率最大，隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)結(jié)垢速率逐漸減小；鋼制掛片表面的結(jié)垢量明顯大于聚乙烯管道的結(jié)垢量，說(shuō)明鋼制掛片與介質(zhì)發(fā)生的氧化反應(yīng)對(duì)垢質(zhì)的形成具有一定的促進(jìn)作用。

關(guān) 鍵 詞：結(jié)垢；鹽類垢；實(shí)驗(yàn)；結(jié)垢速率；影響

油田結(jié)垢現(xiàn)象就是在油田生產(chǎn)過(guò)程中，在地下儲(chǔ)層，采油井筒、套管、生產(chǎn)油管、井下完井設(shè)備及地面集輸管線內(nèi)由于流體的不配伍而形成的一層沉積物質(zhì)，它會(huì)造成管線阻塞，導(dǎo)致地層滲透率下降，從而阻礙流體的流動(dòng)，嚴(yán)重影響油田的正常生產(chǎn)活動(dòng)［1-4］。在我國(guó)新疆克拉瑪依的百口泉油田、勝利油田以及渤海灣的海上油田等由于井筒、地面管線和設(shè)備的結(jié)垢，都不同程度的影響了正常生產(chǎn)。油田最為普遍的結(jié)垢物主要有碳酸鈣、硫酸鈣和硫酸鋇等鹽類垢［5-7］。因此，本文針對(duì)以上幾種油田常見(jiàn)的鹽類垢，設(shè)計(jì)了室內(nèi)靜態(tài)結(jié)垢模擬實(shí)驗(yàn)，分別以Q235鋼和聚乙烯管為材質(zhì)，在40、60、80三種不同溫度和8、24、48、72 h的不同作用時(shí)間下，通過(guò)觀察前后結(jié)垢量的變化，來(lái)研究結(jié)垢溫度、作用時(shí)間以及不同材質(zhì)對(duì)管道結(jié)垢的影響，以期為今后油田防垢和除垢工作提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

本實(shí)驗(yàn)中所使用的主要試劑均依據(jù)SY/T0600-2009《油田水結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)—石油與天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。它們的等級(jí)、依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 主要試劑Table 1 Main reagent

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)所用的主要儀器如表2所示。

表2 主要儀器Table 2 Main instruments

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)對(duì)碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇和硫酸鍶這四種常見(jiàn)的鹽類垢進(jìn)行了室內(nèi)靜態(tài)結(jié)垢模擬，這里以碳酸鈣結(jié)垢實(shí)驗(yàn)為例，其具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）分別配置含有 和 離子的溶液各50 mL，溶液配比具體所需克數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)參見(jiàn)SY/T 5673-93。

（2）將所配置的以上兩種溶液倒入錐形瓶中，擰緊瓶塞，混合后待反應(yīng)完全，取出適量混合溶液。

（3）取Q235鋼制掛片若干塊采用砂紙打磨除銹后，采用蒸餾水沖洗，并放入恒溫干燥箱，12 h后取出待用；

（4）取聚乙烯管材將其截成若干約220 g的小段，將邊緣打磨光滑，用蒸餾水沖洗后，放入恒溫干燥箱，12 h后取出待用。

（5）將鋼制掛片和聚乙烯管分別稱重后，放入混合溶液中，并在不同溫度下的水浴鍋中分別靜置8～72 h后，稱其重量。

（6）計(jì)算結(jié)垢重量和單位面積上的結(jié)垢速率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

碳酸鈣垢是管道中垢的主要組成成分，以碳酸鈣結(jié)垢實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）掛片材質(zhì)為Q235鋼時(shí)的結(jié)垢實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表3所示。

（2）掛片材質(zhì)為聚乙烯時(shí)的結(jié)垢實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表4所示。

表3 Q235鋼制掛片結(jié)垢數(shù)據(jù)表Table 3 Q235 steel hanging piece of fouling Data Sheet

表4 聚乙烯掛片結(jié)垢數(shù)據(jù)表Table 4 Polyethylene coupon scaling data sheets

3 結(jié)垢影響因素分析

3.1 溫度對(duì)結(jié)垢的影響

在研究溫度對(duì)結(jié)垢速率的影響時(shí)，選取Q235鋼制掛片，將不同靜置時(shí)間下四種鹽類垢的結(jié)垢速率隨溫度變化的關(guān)系繪制成如下圖1所示。

圖1為不同溫度下的結(jié)垢速率變化關(guān)系圖。由圖可知，對(duì)于碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇以及硫酸鍶這4種鹽類垢，溫度的變化對(duì)于垢質(zhì)的形成均有較大影響。其中，不同的靜置時(shí)間下，結(jié)垢速率在40 ℃到60 ℃之間均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，在60 ℃到80 ℃均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，當(dāng)溫度為60 ℃時(shí)的結(jié)垢速率均達(dá)到最大值。這一現(xiàn)象主要是由于溫度在一定范圍內(nèi)能夠影響水垢熱阻，即流體溫度越高，溶液的穩(wěn)定時(shí)間越短，結(jié)垢物質(zhì)如 在水中的溶解度降低，從而在容器表面形成附著的結(jié)垢物。

圖1 不同溫度下結(jié)垢速率的變化Fig.1 Variation of fouling rate at different temperatures

另外，溫度的升高還會(huì)促使其他物質(zhì)分解而生成碳酸鈣垢，從曲線圖上也可以反映這一點(diǎn)，同一溫度下不同晶體類型的結(jié)垢速率也存在較大差別，碳酸鈣垢和硫酸鈣垢的結(jié)垢速率整體上均大于硫酸鋇垢和硫酸鍶垢。因此，為了節(jié)約成本，在不影響集輸?shù)那疤嵯?，油田在除垢的過(guò)程中可以采取適當(dāng)降低集輸溫度的方式來(lái)減少管道內(nèi)結(jié)垢物質(zhì)的產(chǎn)生。

3.2 靜置時(shí)間對(duì)結(jié)垢的影響

圖2為不同靜置時(shí)間下結(jié)垢速率的變化關(guān)系圖。

圖2 不同靜置時(shí)間下的結(jié)垢速率的變化Fig.2 The change of fouling rate under different static time

由圖2可知，在靜置8 h后，所有的鹽類垢的結(jié)垢速率均達(dá)到最大值，之后隨靜置時(shí)間的延長(zhǎng)均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。其中，對(duì)于碳酸鈣垢和硫酸鈣垢的結(jié)垢速率在8～48 h時(shí)降低比較明顯，在48～72h時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定；對(duì)于硫酸鋇垢和硫酸鍶垢的結(jié)垢速率在8～24 h時(shí)降低比較明顯，在24～72 h時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定。另外，從整體上來(lái)看，溫度為60 ℃下的結(jié)垢速率在不同的作用時(shí)間內(nèi)均保持在較高的水平，這也從另一個(gè)角度應(yīng)證了鹽類垢的較適宜形成溫度為60 ℃。碳酸鈣垢和硫酸鈣垢的結(jié)垢量總體上大于硫酸鋇垢和硫酸鍶垢，這也說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)條件下，碳酸鈣垢與硫酸鈣垢更易形成。

3.3 不同管道材質(zhì)對(duì)結(jié)垢的影響

圖3為不同材質(zhì)下結(jié)垢速率的對(duì)比關(guān)系圖。

圖3 不同管材質(zhì)下結(jié)垢速率的對(duì)比Fig.3 Comparison of fouling rate under different pipe materials

從圖3可以看出，在相同的混合溶液中，同一溫度下、同一靜置時(shí)間內(nèi)Q235鋼制掛片表面的結(jié)垢速率明顯大于聚乙烯管道表面的結(jié)垢速率。本實(shí)驗(yàn)中采用的金屬管材是Q235鋼制管道，Q235鋼制管道的主要成分是Fe和微量的C、Mn、Si等元素，F(xiàn)e3+離子在碳酸鈣溶液中與H2O反應(yīng)生成不溶于水的紅褐色Fe2O3氧化膜，使管材表面發(fā)生氧化作用，加快了垢質(zhì)的生成，同時(shí)也大幅度增加了結(jié)垢量。

4 結(jié) 論

通過(guò)進(jìn)行室內(nèi)靜態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)碳酸鈣、硫酸鈣等四種油田常見(jiàn)結(jié)垢物質(zhì)在不同溫度（40、60、80 ℃）、不同靜置時(shí)間（8、24、48、72 h）條件下的前后結(jié)垢變化以及不同材質(zhì)（Q235鋼、聚乙烯管）表面的結(jié)垢變化進(jìn)行了研究分析，得到了以下結(jié)論：

（1）溫度對(duì)不同鹽類垢的結(jié)垢過(guò)程均有較大的影響。不同鹽類垢的結(jié)垢速率隨溫度均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在溫度為60 ℃達(dá)到最大的結(jié)垢速率。同一溫度下不同晶體類型的結(jié)構(gòu)效果也存在較大差異。在油田的防除垢工作中通過(guò)控制管線溫度可以有效起到減小結(jié)垢物質(zhì)生成的作用。

（2）整體來(lái)看，不同溫度、不同結(jié)垢物質(zhì)的結(jié)垢速率隨靜置時(shí)間的延長(zhǎng)均表現(xiàn)出減小直至趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)。其中碳酸鈣垢和硫酸鈣垢的結(jié)垢速率減小比硫酸鋇垢和硫酸鍶垢要緩慢。

（3）鋼制管道對(duì)結(jié)垢晶體的形成有促進(jìn)作用，聚乙烯管道的對(duì)結(jié)垢晶體無(wú)影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋼制管道的結(jié)垢速率較大，結(jié)垢量也比較多，主要是由于鋼制管道與溶液接觸，形成一層氧化膜，這層氧化膜與所結(jié)的垢質(zhì)膠結(jié)在一起，導(dǎo)致結(jié)垢量的增加。而聚乙烯管道則沒(méi)有此類現(xiàn)象，聚乙烯管道的防腐功能較強(qiáng)，內(nèi)壁粗糙度小于鋼制管道。

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Indoor Simulation Experiment Research on Oil Field Pipeline Fouling

PENG Zhuang1， 2， FU Tian-tian1， 2， LI Dan3
（1. College of Petroleum Engineering ，Yangtze University， Hubei Wuhan 430100，China；2. The Branch of Key Laboratory of CNPC for Oil and Gas Production， Yangtze University， Hubei Wuhan 430100，China；3. Sinopec Henan Petroleum Company， Henan Zhengzhou 450000，China）

Abstract:At present， the scale of water injection equipments and the pipelines in the oil field has already affected the normal production and operation. The common scaling in the oilfield is the calcium carbonate， calcium sulfate and other salt scale. Therefore， it is necessary to analyze the formation and influencing factors of salt scaling in oil field pipeline. The indoor static fouling experiments were carried out on 4 kinds of common salt scales. The effect of temperature， time and the effect of pipeline material on fouling rate were studied. The experimental results show that the formation rate of the scale crystals is slower at 40 ℃ and 80 ℃， while the rate of the scale crystals is fast at 60 ℃； and the fouling rate of different crystal types is different under the same temperature； The fouling rate of different salts in 8 h is the largest， and the scaling rate decreases with the prolonging of the time； The fouling rate of the steel plate is obviously higher than that of the polyethylene pipe， which shows that the oxidation reaction of the steel plate and the medium has a certain effect on the formation of the scale.

Key words:Scaling； Salt scaling； Experiment； Fouling rate； Influence

中圖分類號(hào)：TE 357

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0460（2016）02-0247-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)：2014042。

收稿日期：2015-11-28

作者簡(jiǎn)介：彭壯（1990-），男，湖北武漢人，碩士研究生，2014年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程，研究方向：從事管道安全的研究。E-mail：pengzh1230@163.com。