成杰 張志浩 崔磊 李自力

1長慶工程設(shè)計(jì)有限公司

2中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院

近年來，我國的許多油田都已進(jìn)入中后期注水驅(qū)油開發(fā)階段，在生產(chǎn)過程中，由于壓力、溫度等條件的變化及水的熱力學(xué)不穩(wěn)定性和化學(xué)不相容性，集輸系統(tǒng)結(jié)垢已成為影響原油生產(chǎn)的重要原因之一，常見的結(jié)垢類型主要有CaCO3、SaSO4、SrSO4、BaSO4及泥沙等，其中碳酸鈣是最為常見且占比最高的垢種。油田集輸系統(tǒng)結(jié)垢的主要原因?yàn)椴煌瑢酉挡沙鲆号湮樾暂^差，混輸后大量結(jié)垢性離子結(jié)合成垢并逐漸沉積在管壁上，從而產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象[1-6]。

油田集輸系統(tǒng)防垢工作的重要性日漸突出，目前主要的防垢措施有添加化學(xué)阻垢劑、電磁防垢、超聲波防垢、量子管通環(huán)及涂層防垢等[7-9]。最常用的措施依然是添加化學(xué)阻垢劑，但化學(xué)阻垢劑具有污染環(huán)境、阻垢效果不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的水質(zhì)需求[10-11]；物理防垢方法一定程度上解決了環(huán)境污染問題，但是其作用距離較短、防垢機(jī)理不明確且無法徹底去除結(jié)垢離子，因而目前還難以成為油田主流防垢手段?；谝陨显?，開發(fā)一種防垢效果好，能應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的采出液成分且能大量去除成垢離子的新型防垢裝置尤為重要。

本文采用電化學(xué)沉積法去除CaCO3垢，與其他防垢措施相比，該方法具有綠色環(huán)保、防垢機(jī)理明確、能夠應(yīng)對(duì)水質(zhì)的多樣性、操作簡單及可徹底去除溶液中的Ca2+等優(yōu)點(diǎn)，是一種很好的除CaCO3垢的手段。

1 研究方法

首先搭建室內(nèi)小型實(shí)驗(yàn)裝置，采用CaCO3標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)電沉積設(shè)備電流密度、陰極和陽極間距、陰極板面積及流速進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，確定最優(yōu)電沉積參數(shù)[12-13]。其次采用油田現(xiàn)場采出液對(duì)電沉積設(shè)備的現(xiàn)場適用性進(jìn)行研究，評(píng)價(jià)其針對(duì)油田成分復(fù)雜采出液的除垢效果。最后采用Scale Chem軟件模擬電沉積處理前后的現(xiàn)場采出液結(jié)垢趨勢，計(jì)算電沉積法阻垢效果[14]。

CaCO3標(biāo)準(zhǔn)溶液配置參照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5673—93，水質(zhì)分析參考標(biāo)準(zhǔn)GB8538—2016、GB/T5750.6—2006、GB/T 5750.5—2006、SL 79—1994、SY/T 5523—2000、SY/T 5523—2006。

現(xiàn)場采出液經(jīng)多級(jí)過濾、除油、除雜質(zhì)處理后，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、原子吸收光譜儀、離子色譜儀及化學(xué)滴定法對(duì)水樣的礦化度、pH值以及結(jié)垢性離子含量進(jìn)行測定[15]。

2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果討論

2.1 電沉積設(shè)備參數(shù)優(yōu)化

電沉積法除垢主要通過電場及電解作用，使Ca2+在陰極聚集，由于陰極的析氫作用，H+的還原促使HCO3-電離，電離出的CO32-與Ca2+結(jié)合為Ca-CO3，不斷在陰極板析出，從而達(dá)到去除溶液中Ca2+、CO32-和HCO3-的目的[16]。該實(shí)驗(yàn)使用自行配制的CaCO3標(biāo)準(zhǔn)溶液及實(shí)驗(yàn)室搭建的電沉積除垢裝置優(yōu)化電沉積運(yùn)行參數(shù)，包括電流密度、陰極板面積、陰極和陽極間距及流體流速。

CaCO3標(biāo)準(zhǔn)溶液參照SY/T 5673—93 油田用防垢劑性能評(píng)定方法標(biāo)準(zhǔn)配置，分別配置Ca2+溶液A和HCO3-溶液B，其中A 溶液中的各化學(xué)物濃度分別為C(NaCl)=33.00 g/L，C(CaCl2·2H2O)=12.15 g/L，C(MgCl2·6H2O)=3.68 g/L，B 溶液中的各化學(xué)物濃度分別為C(NaCl)=33.00 g/L，C(NaHCO3)=7.36 g/L，C(Na2SO4)=0.03 g/L。整套裝置包括直流電源、電流表、陽極鈦網(wǎng)、陰極板、導(dǎo)電滑環(huán)、沉積池（2 L）、旋轉(zhuǎn)掛片儀以及自制掛件等裝置，裝置構(gòu)造如圖1 所示，陰極板結(jié)垢如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)前對(duì)陰極板進(jìn)行清洗、烘干及承重，記錄初始質(zhì)量。首先配置A、B溶液并充分混合5 min，隨后調(diào)整陰極板的旋轉(zhuǎn)速率至所需轉(zhuǎn)速，開啟直流電源并調(diào)至所需的直流電流，進(jìn)行電沉積除垢實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后拆下陰極板，并進(jìn)行烘干及承重，記錄實(shí)驗(yàn)后質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)前后陰極板增加的質(zhì)量即為電沉積法沉積在陰極板上的CaCO3垢的質(zhì)量。

圖1 電沉積實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)造Fig.1 Structural of the electrodeposition experiment device

圖2 陰極板結(jié)垢Fig.2 Cathode plate scaling

設(shè)定電流密度分別為20、40、60、80、100 A/m2，陰極板面積分別為12.5、25.0、37.5、50.0 cm2，陰陽極間距為1、2、3、4 cm，流速分別為0.04、0.10、0.16、0.22 m/s，分別探究電流密度、陰極板面積、陰極和陽極間距及流速對(duì)電沉積效果的影響，優(yōu)化得到最優(yōu)電沉積參數(shù)。實(shí)驗(yàn)前對(duì)試片進(jìn)行稱重，實(shí)驗(yàn)完后對(duì)掛片進(jìn)行烘干、稱重，得實(shí)驗(yàn)前后質(zhì)量差即為結(jié)垢量，測定不同電流大小對(duì)結(jié)垢的影響，進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn)，最終結(jié)果取平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。其中電流密度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的極板間距為2 cm，陰極面積為25.0 cm2，流速為0.1 m/s，通電時(shí)間為2 h；陰極板面積優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的電流密度為40 A/cm2，極板間距為2 cm，流速為0.1 m/s，通電時(shí)間為2 h；極板間距優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的電流密度為40 A/cm2，極板間距為2 cm，流速為0.1 m/s，陰極板面積為25.0 cm2；流速優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的電流密度為40 A/cm2，極板間距為2 cm，通電時(shí)間為2 h，陰極面積為25.0 cm2。

圖3 參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results of parameter optimization

總體結(jié)垢量隨著電流密度的增大而呈現(xiàn)不同程度的增長，當(dāng)電流密度從20 A/m2提升到40 A/m2時(shí)，結(jié)垢量提高了一倍，達(dá)到40 A/m2以后，結(jié)垢量提升速率變緩。這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)碾娏髅芏瓤墒闺姌O表面形成細(xì)致、均勻的沉積層，而過低或過高的電流密度會(huì)使垢層疏松，不易附著，因此綜合考慮除垢效果及經(jīng)濟(jì)性，選取最佳電流密度為40 A/m2。隨著陰極面積增大，結(jié)垢量近似對(duì)數(shù)規(guī)律增長，陰極面積從12.5 cm2提升到25.0 cm2，陰極板結(jié)垢量提高5 倍，隨著陰極板面積繼續(xù)增大，結(jié)垢量提升較小。陰極板面積增大會(huì)導(dǎo)致耗電量同比例增大，電沉積效率反而會(huì)相應(yīng)的降低，因此綜合考慮除垢效果，選取最佳陰極面積為25.0 cm2。電極間距對(duì)除垢效果的影響主要體現(xiàn)在垢離子傳質(zhì)速率及電解槽內(nèi)垢離子停留時(shí)間兩方面，在電極數(shù)量和面積不變的情況下，減小電極間距，會(huì)使電解槽容積減小，當(dāng)循環(huán)液流量不變時(shí)，電解液流速加快，可促進(jìn)離子的對(duì)流與擴(kuò)散，強(qiáng)化垢離子傳質(zhì)，有助于提高電沉積速率，降低能耗。陰極和陽極間距優(yōu)化及流速優(yōu)化結(jié)果曲線中均存在峰值，陰極和陽極間距為20 mm時(shí)除垢效果最優(yōu)，流速為0.16 m/s時(shí)除垢效果最優(yōu)。

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電場間距與陰極面積存在一定的關(guān)系，即兩者相乘為電沉積設(shè)備工作體積，當(dāng)工作體積與總?cè)芤后w積比為1∶400 時(shí)其除垢效果與經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，最佳流速為0.16 m/s，最佳電流密度為40 A/m2。

2.2 油田采出液適應(yīng)性評(píng)價(jià)

結(jié)合CaCO3標(biāo)準(zhǔn)垢液參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該實(shí)驗(yàn)溶液選A、B 兩種現(xiàn)場采出液，通過進(jìn)一步的動(dòng)態(tài)電沉積垢實(shí)驗(yàn)，結(jié)合Scale Chem模擬驗(yàn)證電沉積法除CaCO3的防垢效果。

（1）水質(zhì)及結(jié)垢趨勢分析。本文采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、原子吸收光譜儀及離子色譜儀等儀器設(shè)備對(duì)A、B 兩種現(xiàn)場油井采出液進(jìn)行水質(zhì)分析，檢測水樣中的Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+、HCO3-、CO32-、SO42-鹽、pH 值以及礦化度共計(jì)9 個(gè)指標(biāo)[14]，根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，結(jié)合Scale Chem 軟件模擬預(yù)測水樣結(jié)垢趨勢。水質(zhì)分析結(jié)果如表1 所示，結(jié)垢趨勢預(yù)測如圖4所示。

表1 水質(zhì)理化性質(zhì)分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of physical and chemical properties of water quality

圖4 A、B采出液電沉積前結(jié)垢趨勢預(yù)測Fig.4 Produced liquid A and B scale trend prediction before electro-deposition

由水質(zhì)分析結(jié)果可知，A、B 兩種采出液均含有大量的Ca2+和HCO3-，礦化度較高且pH值呈近中性，兩種采出液均有結(jié)CaCO3垢的趨勢。根據(jù)圖4結(jié)垢趨勢預(yù)測結(jié)果可知，兩種水樣主要結(jié)CaCO3垢，且結(jié)垢量隨著溫度的升高而增大，其中A采出液在60 ℃時(shí)CaCO3結(jié)垢量為442 mg/L，B采出液在60 ℃時(shí)CaCO3結(jié)垢量為238 mg/L。

（2）電沉積防垢效果評(píng)價(jià)。本實(shí)驗(yàn)中，流速為0.16 m/s，電流密度分別為20、40、60、80 A/m2，通電時(shí)間為1、2、3 h，控制電沉積設(shè)備工作體積與總?cè)芤后w積比為1∶400，即沉積池容積為2 L，設(shè)置電場間距為20 mm，陰極面積為250 mm2。電沉積除垢效果如圖5 和表2 所示，采出液經(jīng)電沉積處理后的結(jié)垢趨勢如圖6所示。

圖5 A、B采出液電沉積除垢效果評(píng)價(jià)Fig.5 Evaluation of the electrodeposition descaling effect of produced liquid A and B

圖6 A、B采出液電沉積后結(jié)垢趨勢預(yù)測Fig.6 Scale trend prediction of produced liquid A、B after electro-deposition

表2 電沉積除垢前后采出液預(yù)測總結(jié)垢量Tab.2 Prediction results of total scale formation of produced liquid before and after electro-deposition scale removal

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于A、B 兩種采出液，最佳電沉積時(shí)間均為2 h，最佳電流密度為40 A/m2。對(duì)于A采出液，電沉積設(shè)備除垢后對(duì)CaCO3垢的阻垢率高達(dá)70%；對(duì)于B采出液，電沉積設(shè)備除垢后對(duì)CaCO3垢的阻垢率更是高達(dá)90%。綜上可知，電沉積防垢設(shè)備防CaCO3垢效果突出。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)、基于標(biāo)準(zhǔn)溶液參數(shù)優(yōu)化及電沉積除垢裝置現(xiàn)場采出液適應(yīng)性評(píng)價(jià)，論證了電沉積方法去除采出液CaCO3垢的可行性，以期將來能進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)論證。主要得出以下結(jié)論：

（1）電沉積法可去除溶液中大量的Ca2+、HCO3-、CO32-，除垢、防垢效果優(yōu)秀。

（2）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)工況下最佳工作參數(shù)為：電流密度40 A/m2，陰極和陽極間距20 mm，電沉積設(shè)備工作體積與溶液總體積比為1∶400，流速0.16 m/s、總循環(huán)沉積時(shí)間2 h。

（3）電沉積除垢設(shè)備對(duì)油田采出液具有較強(qiáng)的適用性，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)CaCO3的阻垢率可達(dá)70%以上。