邢希金，張海龍，范白濤

中海油研究總院有限責(zé)任公司（北京 100028）

0 引言

在油田注水開發(fā)過程中，因注入水與地層水之間的組成差異，可能會導(dǎo)致結(jié)垢，結(jié)垢會導(dǎo)致在集輸過程中流體流動阻力增加、油層傷害、設(shè)備磨損及金屬管線的局部腐蝕等嚴(yán)重后果，對油田生產(chǎn)作業(yè)的危害日趨嚴(yán)重[1-2]。油氣井生產(chǎn)及采出液集輸過程中，地層水在溫度、壓力、流動速度等狀態(tài)發(fā)生變化時，水中的碳酸鈣、硫酸鈣等容易過飽和沉積在管線表面。相比金屬管，非金屬復(fù)合材料管具有優(yōu)良的耐腐蝕性能[3-6]、有效延緩結(jié)垢[7-10]優(yōu)勢，基于防腐、防垢方面的需求，非金屬管線的應(yīng)用越來越廣泛。

采用非金屬材料防垢的機(jī)理是降低管道內(nèi)壁的表面能來減少過飽和結(jié)晶鹽在其表面的附著，目前該方面的研究主要集中在涂層或表面改性上，而直接研究非金屬管道防垢性能的文獻(xiàn)較少。為了研究非金屬管與常規(guī)金屬管在結(jié)垢方面的差異，選用了非金屬復(fù)合管及油田常用碳鋼金屬管，對比考察兩者在垢沉積量、垢沉積強(qiáng)度的差異，以期為非金屬管在油氣田中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

非金屬復(fù)合連續(xù)管防垢性能評價實驗所用試劑主要包括NaCl、CaCl2·2H2O、MgCl2·6H2O、NaHCO3、Na2SO4，純度均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 垢沉積實驗

非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管防垢性能評價中的溶液離子濃度配比參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5673—2020《油田用防垢劑通用技術(shù)條件》。

將非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管放入對應(yīng)溶液中，存放1、5、10 d 后取出稱重記錄后再投放于溶液中繼續(xù)結(jié)垢；分析非金屬復(fù)合連續(xù)管與金屬管的結(jié)垢量隨結(jié)垢時間的變化規(guī)律及差異。

1.2.2 劃痕實驗

目前，劃痕法作為一種半定量的測試方法應(yīng)用十分廣泛。劃痕法原理示意圖如圖1所示。

圖1 劃痕法原理示意圖

采用Anton Paar 公司生產(chǎn)的劃痕儀對非金屬管垢樣品與金屬管垢樣品進(jìn)行對比測試，測試過程中壓頭對不同管道材料與垢結(jié)合體系的差異通過聲發(fā)射信號變化初步確定臨界載荷Lc[11-13]，如圖2所示。

圖2 典型劃痕形貌簡圖

在劃痕測量過程中，當(dāng)增加法向力時會存在不同連續(xù)的垢層變化情況。LC1指在劃痕邊緣處剛開始出現(xiàn)傾斜裂紋的臨界載荷；LC2指在裂紋擴(kuò)展過程中，垢層首次剝落，呈現(xiàn)出部分管材基底且有小碎片剝落的臨界載荷；LC3指垢層出現(xiàn)區(qū)域較大部分剝落或開始完全剝落的臨界載荷，呈現(xiàn)管材的形貌特征，且局部被少部分剝落垢層的碎屑所覆蓋[14-17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 垢沉積速度評價

渤海油田常規(guī)生產(chǎn)井井筒溫度為80 ℃。為了對比考察非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管結(jié)垢的差異，考察了非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管結(jié)垢量在不同溫度（60、70、80、85、90 ℃）時隨時間的變化，溶液離子濃度配比參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5673—2020，結(jié)果分別見表1～表5。

表1 60 ℃時非金屬管與金屬管結(jié)垢量隨時間變化

表2 70 ℃時非金屬管與金屬管結(jié)垢量隨時間變化

表3 80 ℃時非金屬管與金屬管結(jié)垢量隨時間變化

表4 85 ℃時非金屬管與金屬管結(jié)垢量隨時間變化

表5 90 ℃時非金屬管與金屬管結(jié)垢量隨時間變化

由表1～表5可知，當(dāng)溫度相同時，無論是非金屬復(fù)合連續(xù)管還是常規(guī)金屬管，兩者的結(jié)垢量均隨結(jié)垢時間的延長而增加；當(dāng)結(jié)垢時間相同時，無論是非金屬復(fù)合連續(xù)管還是常規(guī)金屬管，其結(jié)垢量隨著體系溫度的升高而增大。相同條件下，非金屬管的結(jié)垢量均低于金屬管，非金屬管占金屬管結(jié)垢量的44.4%～69.8%，這可能是由于非金屬管表面更光滑，表面能低所造成的。

溫度為70 ℃，存放5 d 非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管結(jié)垢實物圖如圖3所示。

圖3 70 ℃時非金屬管與金屬管存放5 d結(jié)垢實物圖

與常規(guī)金屬管相比，當(dāng)結(jié)垢時間與溫度相同時，非金屬復(fù)合連續(xù)管的結(jié)垢量較低，表明非金屬復(fù)合連續(xù)管的防垢性能優(yōu)于常規(guī)金屬管。

2.2 垢沉積強(qiáng)度評價

劃痕測量法是一種快速有效測定薄膜的附著力和摩擦性能的方法，一般用于表征不同材料與薄膜的結(jié)合強(qiáng)度。借用劃痕法來表征非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管兩種不同材料表面與垢的結(jié)合強(qiáng)度。非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬連續(xù)管不同實驗條件見表6。

表6 非金屬管與常規(guī)金屬管所得水垢實驗條件對應(yīng)表

2.2.1 非金屬復(fù)合連續(xù)管劃痕測試與分析

根據(jù)表6 實驗條件測得非金屬管垢，采用安東帕公司生產(chǎn)的劃痕儀對非金屬管垢樣品進(jìn)行了分析。非金屬樣品NM1～NM5 的臨界載荷重復(fù)測試5次，取平均值，結(jié)果分別見表7～表11。

表7 樣品NM1的臨界載荷 /N

表8 樣品NM2的臨界載荷 /N

表9 樣品NM3的臨界載荷 /N

表10 樣品NM4的臨界載荷 /N

表11 樣品NM5的臨界載荷 /N

表7～表11 是非金屬復(fù)合連續(xù)管NM1～NM5 在溫度60～90 ℃存放10 d結(jié)垢后所測的劃痕對應(yīng)的臨界載荷。由表7～表11可知，從非金屬復(fù)合連續(xù)管垢NM1～NM5，3 個臨界載荷值中Lc1減小，其平均值從2.187 4 N 降至1.433 0 N，而Lc2、Lc3增大，Lc2平均值從2.587 3 N 增至5.451 2 N，Lc3平均值從6.465 2 N 增至7.872 1 N，這表明隨著溫度升高，劃痕剛剛出現(xiàn)裂紋所需的載荷變小，而垢層表面劃痕裂紋擴(kuò)展且有小的碎片剝落以及垢層出現(xiàn)區(qū)域較大的剝落所需的載荷變大。分析可能是由于隨著溫度升高，非金屬復(fù)合連續(xù)管垢層增厚造成的，垢層越厚，最終剝落所需的載荷就越大。

2.2.2 常規(guī)金屬管劃痕測試與分析

根據(jù)表6 實驗條件測得金屬管垢，采用安東帕公司生產(chǎn)的劃痕儀對金屬管垢樣品進(jìn)行了分析。金屬樣品M1～M5 的臨界載荷重復(fù)測試5 次，取平均值，結(jié)果分別見表12～表16。

表12 樣品M1的臨界載荷 /N

表13 樣品M2的臨界載荷 /N

表14 樣品M3的臨界載荷 /N

表15 樣品M4的臨界載荷 /N

表16 樣品M5的臨界載荷 /N

表12～表16 是金屬復(fù)合連續(xù)管M1～M5 在溫度60～90 ℃存放10 d 結(jié)垢后所測的劃痕對應(yīng)的臨界載荷。由表12～表16可知，從金屬管垢M1～M5，3個臨界載荷值中Lc1、Lc2減小，Lc1平均值從7.901 8 N降至3.461 1 N，Lc2平均值從9.749 1 N 降至5.785 6 N，而Lc3增大，其平均值從10.749 3 N增至14.470 9 N。這表明，隨著溫度升高，劃痕剛剛出現(xiàn)裂紋及垢層表面劃痕裂紋擴(kuò)展薄膜有小的碎片剝落所需的載荷減小，而垢層出現(xiàn)區(qū)域較大的剝落所需的載荷變大。分析可能是由于隨著溫度升高，金屬管垢層增厚造成的，垢層越厚，最終剝落所需的載荷就越大。

2.2.3 非金屬管與金屬管劃痕對比分析

為了考察非金屬復(fù)合連續(xù)管與金屬管之間結(jié)垢強(qiáng)度的差異，將非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管的 臨 界 載 荷Lc1、Lc2、Lc3進(jìn) 行 對 比，NM1～NM5 與M1～M5 樣品結(jié)垢劃痕臨界載荷所得對比結(jié)果分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 非金屬管與金屬管臨界載荷Lc1對比

圖5 非金屬管與金屬管臨界載荷Lc2對比

圖6 非金屬管與金屬管臨界載荷Lc3對比

由圖4～圖6 可知，非金屬復(fù)合連續(xù)管結(jié)垢樣品NM1～NM5 與常規(guī)金屬管結(jié)垢樣品M1～M5 相比，非金屬復(fù)合連續(xù)管的3 個臨界載荷Lc1、Lc2、Lc3均低于常規(guī)金屬管，非金屬管Lc1、Lc2、Lc3占金屬管的百分比 分 別 為25.8%～41.4%、26.5%～94.2%、51.6%～60.1%。這表明在非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管表面施加相同的力，在非金屬復(fù)合連續(xù)管樣品上的劃入深度比常規(guī)金屬管深。在較小的載荷下，劃入深度較深的非金屬復(fù)合連續(xù)管的垢表面相對更容易被破壞。這可能是由于非金屬復(fù)合連續(xù)管的塑性能力較強(qiáng)，在法向力作用下，與金屬管相比更易發(fā)生塑性形變[16]。

3 結(jié)論

1）在結(jié)垢溫度60、70、80、85、90 ℃，結(jié)垢時間1～10 d實驗條件下，與常規(guī)金屬管相比，非金屬復(fù)合連續(xù)管的結(jié)垢量較低，非金屬管占金屬管結(jié)垢量的44.4%～69.8%，表明非金屬復(fù)合連續(xù)管的防垢性能優(yōu)于常規(guī)金屬管。

2）非金屬復(fù)合連續(xù)管結(jié)垢樣品NM1～NM5 與常規(guī)金屬管結(jié)垢樣品M1～M5 相比，前者臨界載荷Lc1、Lc2、Lc3均低于后者，非金屬管Lc1、Lc2、Lc3占金屬管的百分比分別為25.8%～41.4%、26.5%～94.2%、51.6%～60.1%。在非金屬復(fù)合連續(xù)管與常規(guī)金屬管表面施加相同的力，載荷作用在非金屬復(fù)合連續(xù)管樣品上的劃入深度比常規(guī)金屬管深。在較小的載荷下，劃入深度較深的非金屬復(fù)合連續(xù)管的垢表面相對更容易被破壞。