港西油田氣脈沖清洗技術應用實踐

中國石油大港油田第五采油廠

港西油田1964 年投入開發，1972 年開始注水開發，已歷時48 年的注水歷程，截至到2020 年3月底，平均日注水量1.692 2×104m3，年累計注水量626.574 4×104m3。注水管網能否正常運行直接影響水驅開發效果、原油產量以及油田的后續開發。

由于長期注水開發，注水管道輸送介質礦化度高，管道內壁鈣鎂離子結垢、膠質泥砂附著現象日益嚴重。注水管網結垢不僅導致注水管道運行壓損增大，而且管道內壁的積垢夾帶著污油、泥砂等雜質，為硫酸還原菌、鐵細菌等菌類的繁殖提供了場所，造成回注水二次污染、注水管道腐蝕加劇頻繁穿孔[1]等問題。因此，需要定期對注水管網進行清洗除垢。港西油田曾先后采用液壓清管器清洗、化學清洗技術對管道進行除垢，但對管道都有傷害，因此采用物理清垢技術成為解決管道結垢途徑的首選。氣脈沖清洗為物理清洗技術，具有施工簡單，對管道無傷害、對環境無污染、清洗徹底、清洗時間短等特點。為此，應用氣脈沖清洗技術對注水管網進行清洗，通過清洗達到降低注水能耗、提高三級水質達標率，滿足了邊緣注水井注水壓力的需求[2]。

1 清洗技術選擇

根據管道和結垢的具體情況，港西油田應用過的管道除垢方式有液壓清管器清垢、化學清垢，但其技術特點不適用于注水管道清洗除垢。為有效解決注水管道清垢問題，通過對管道結垢情況及清洗適用性的研究分析，引進應用了氣脈沖清洗技術，對注水管道實施清洗。

1.1 液壓清管器清洗技術

液壓清管器清洗其原理是利用“液壓流體力學”，清管器在壓力水流的推動下，形成無數的微射流，粉碎管壁的油垢，清管器對管道內壁垢進行刮削，達到清垢的目的。

清管器除垢屬于物理機械清垢，主要使用在無“T”接、結垢不嚴重的管道，用于清除軟質垢，對于硬質垢清除效果差[3]。其優點是技術成熟，耗費工時短，影響水量小，清洗費用低。缺點是只能用于單井或無“T”接的管道，清洗過程中容易出現卡球情況，清洗效果差。由于制約因素較多，港西油田目前多用于結垢不嚴重，需要周期性清垢的管道，不適用于注水管網清洗。

1.2 化學清洗技術

化學清洗技術是將藥液(包含鹽酸、緩蝕劑、除硫劑）打入管道，利用脫脂、緩蝕、酸洗等技術手段清除管道內污垢。

該技術通過化學藥劑與積垢的化學反應實現除垢目的，由于所用化學藥劑具有腐蝕性，易對金屬管道造成傷害，同時化學反應產生的有害氣體存在安全風險，清洗排出液的處理比較困難，容易造成環境污染[4]。其優點是不受“T”接等管網情況限制，可以應用于管網情況復雜的干線，可清除硬質垢，清洗效果好。缺點是需藥液浸泡4 h 以上，才能達到清洗效果，工時耗費較長，影響水量大，增加生產調節難度，存在安全、環保隱患。其主要應用于清洗結垢嚴重、工藝復雜、長度大的注水管網。考慮安全、環保因素風險，目前已不再采用該方式。

1.3 氣脈沖清洗技術

氣脈沖清洗技術是將壓縮氣體和水送入脈沖振蕩發生器，在振腔中產生共振后，水氣流通過出口，以脈沖方式噴入充滿水流的管道中，隨著壓縮氣體的急速膨脹和氣泡的爆裂，利用脈沖集中釋放的能量，管道中的水流陡然加速，猛烈地沖刷管道內壁，在強勁剪切力和沖擊力的作用下[5]，管道內壁垢層疲勞、松動、脫落，并隨水流一起排出管道（圖1）。

圖1 氣脈沖清洗示意圖Fig.1 Schematic diagram of air pulse washing

氣脈沖清洗屬于純物理清洗，過程中不添加化學藥劑，清洗介質為水和壓縮氣，不會發生管道卡堵。優點是無化學污染和安全風險，不會造成環境污染，對注水管道不會造成傷害[6]，清洗效果好，操作壓力低、安全系數高，無操作風險。缺點是施工較復雜、影響水量大，需要進行生產調節，清洗費用較高。氣脈沖清洗適用于各類型復雜管道，對于非堅硬垢、漏失敏感管道有較強適應性[7]。

2 氣脈沖清洗的現場應用

2.1 管道的選擇

工藝研究所與采油作業區結合，根據管道壓損、回注水二次污染情況[8]等確定了需要清洗的管道，2019 年對港西油田44 條注水管道實施了氣脈沖物理清洗除垢，其中支干線管道9 條、單井管道35 條，管道規格分別有Φ 159 mm×12 mm、Φ 114 mm×9 mm、Φ 76 mm×6 mm、Φ 60 mm×5 mm，共計清洗長度34.56 km。

2.2 施工過程

在清洗前根據所需清洗管道的工藝現狀及生產情況，制定了清洗計劃和施工方案。

在清洗過程中，采取對清洗現場管道排出液觀察和取樣對比的方式來逐一核實清洗情況，每半小時取樣一次觀察水質變化。清洗初期排出液為黑色黏稠流體混合物，隨著清洗的進行，排出液逐漸呈現半透明狀，液體中混合著許多細小的垢片[9]，根據管道長度和積垢狀況不同，一般2～4 h 后排出液清澈，肉眼看不到機機械雜質后完成清洗，對現場工藝設施及場地進行恢復（圖2）。

圖2 清洗過程取樣與清洗前后管道排出液對比Fig.2 Samples taken during cleaning process and comparison of pipeline drainage liquid before and after cleaning

針對清洗后的注水管道，對其進行跟蹤檢查。一是查驗現場工藝是否按要求進行恢復；二是跟蹤清洗后水質化驗情況，根據清洗后管道首末端水質情況，核實清洗效果；三是錄取清洗后管道首末端壓力數據，核實清洗后壓損情況。

2.3 應用效果

港西油田于2019 年對注水管道實施氣脈沖清洗后，現場檢查管道內壁無明顯結垢遺留[10]（圖3）。通過跟蹤水質和壓力監測情況顯示，清洗管道壓損由原來的2.5 MPa 降低至1.5 MPa，增加注水量350 m3/d，末端注水壓力上升，解決末端5 口欠注井欠注問題，在經濟流速下，運行壓損均不大于理論壓損的1.2 倍；干線所帶水井井口水質的含油濃度由清洗前86 mg/L 降到清洗后28 mg/L，回注水二次污染嚴重問題得到有效改善，滿足了技術指標要求，提高了三級水質達標率。

圖3 管道清洗前后對比Fig.3 Comparison before and after pipeline cleaning

管線清洗后，注水系統單耗由5.38 kWh/m3降至5.1 kWh/m3，降低了0.28 kWh/m3，系統效率提高了2.5%，年節約電費49 萬元，達到了提升系統效率的目的，為油田注水開發實現注好水、精細注水夯實了基礎。

3 結論

（1）通過分析注水管網末端、首端結垢情況，制定出合理的管網清洗周期。

（2）氣脈沖清洗技術適用范圍廣，現場操作簡單，通過水氣混合調節裝置對水量、氣量、壓力、排量進行調節，可適應各種復雜管道工況。

（3）氣脈沖清洗技術除垢效果顯著，軟質垢、硬質垢均可有效清除，清洗水量小，效果較好，除垢率可達85%以上。且可通過觀察排污量對清洗效果進行檢驗。

（4）氣脈沖清洗用水應為清水，否則對清洗效果有一定影響。

（5）對于管道清垢周期兩年以上、結垢不是很堅硬、漏失敏感的管道有較強適應性，在注水管網清垢中具有推廣價值。