新疆油田注汽管網(wǎng)結(jié)垢成分分析及對(duì)策

李曉艷

新疆油田公司工程技術(shù)研究院

新疆油田稠油產(chǎn)量占原油總產(chǎn)量的40%，是油田穩(wěn)產(chǎn)的重要支撐之一。稠油采用注蒸汽開(kāi)發(fā)方式，注過(guò)熱蒸汽的油井周期產(chǎn)油量是注濕蒸汽的1.2 倍，油汽比是1.5～2.3 倍[1-2]。因高品質(zhì)過(guò)蒸汽驅(qū)油效果較好[3]，應(yīng)用過(guò)熱蒸汽鍋爐比例逐年增加。與遼河油田的過(guò)熱蒸汽鍋爐相比，新疆油田獨(dú)創(chuàng)了不排濃鹽水的直流燃?xì)膺^(guò)熱蒸汽鍋爐，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益顯著。由于新疆油田稠油采出水水質(zhì)中溶解固形物約4 000～5 500 mg/L，SiO2約180～350 mg/L，屬于高硅、高鹽采出水，處理后凈化水雖可滿足普通蒸汽鍋爐的水質(zhì)要求，但達(dá)不到過(guò)熱蒸汽鍋爐的給水水質(zhì)要求，造成注汽管網(wǎng)結(jié)垢嚴(yán)重，鍋爐注汽閥門(mén)更換頻繁，井口泵卡次數(shù)多。因此，分析了注蒸汽采油系統(tǒng)的結(jié)垢成因后，明確了鍋爐給水水質(zhì)控制關(guān)鍵指標(biāo)。采取相應(yīng)處理措施，可確保稠油凈化水滿足過(guò)熱蒸汽鍋爐給水要求，從而減少注蒸汽采油系統(tǒng)結(jié)垢，保障稠油生產(chǎn)中注汽系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

1 注汽管網(wǎng)結(jié)垢成分分析

1.1 蒸汽鍋爐給水水質(zhì)

新疆油田凈化（軟化）器出口水及各類(lèi)注汽鍋爐主要給水指標(biāo)要求見(jiàn)表1。

表1 凈化（軟化）器出口水及各類(lèi)注汽鍋爐主要給水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Purifier(softener)outletwater quality indicators and indicators of main water supply quality of various steam injection boilers

由表1 數(shù)據(jù)可知，過(guò)熱蒸汽鍋爐給水水質(zhì)要求比濕蒸汽鍋爐嚴(yán)苛，采出水處理后，除SO2含量超標(biāo)，其余水質(zhì)指標(biāo)可以滿足濕蒸汽鍋爐要求；但SiO2和溶解固形物含量達(dá)不到過(guò)熱蒸汽鍋爐給水水質(zhì)要求，所以采用清水和凈化水摻混的方式給過(guò)熱蒸汽鍋爐供水。

新疆油田典型稠油處理站A 站將采出水經(jīng)除油、除懸浮物處理后所得凈化水經(jīng)換熱，與除氧、換熱后的清水在匯管處混合后，加熱成過(guò)熱蒸汽供過(guò)熱蒸汽鍋爐使用。1#、2#過(guò)熱蒸汽鍋爐清水與凈化水按一定比例混合后的進(jìn)水及軟化器出口水質(zhì)分析見(jiàn)表2。

表2 A 站注汽鍋爐給水水質(zhì)分析結(jié)果Tab.2 Water quality analysis results of steam injection boilers in A Station

由表2 數(shù)據(jù)得出：凈化（軟化）器出口水為采出水凈化（軟化）水，其溶解固形物、SiO2含量、總硬度等都高于清水與凈化水混合水，表明一定比例的清水與采出水凈化（軟化）水混合后，其水質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于采出水凈化（軟化）水，除總堿度外，清水比例越高水質(zhì)越好。采出水凈化（軟化）水與清水混合后，Si O2含量可滿足所有過(guò)熱蒸汽鍋爐給水指標(biāo)要求，但溶解固形物含量仍不滿足過(guò)熱蒸汽鍋爐給水指標(biāo)要求。

1.2 垢樣成分

新疆油田注汽管線建設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)，使用年限最長(zhǎng)的已有17 年，管道材質(zhì)均選用20G 無(wú)縫鋼管（GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》）[6]，管道設(shè)計(jì)壓力12～16 MPa，設(shè)計(jì)溫度350 ℃。

為掌握注汽管線的結(jié)垢情況，在新疆油田某作業(yè)區(qū)伴熱注汽管線安裝結(jié)垢取樣器（圖1）。結(jié)垢取樣器的參數(shù)為：注汽壓力10 MPa，進(jìn)出口管徑DN50，取樣器進(jìn)出口的中間部分管徑為DN150（長(zhǎng)度1.8 m），取樣器流經(jīng)混合蒸汽（過(guò)熱蒸汽和常規(guī)蒸汽）。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)結(jié)垢取樣器Fig.1 Field scale sampler

從注汽管線上取出注汽運(yùn)行6 個(gè)月后的結(jié)垢取樣器，進(jìn)行結(jié)垢、結(jié)鹽成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 注汽結(jié)垢取樣器管壁上垢樣成分分析Tab.3 Analysis of scale component on the wall of seeam injection scale sampler

表3 垢樣成分分析結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)6 個(gè)月的注入蒸汽的沖蝕，在注汽管壁上結(jié)的垢主要成分包括NaCl、SiO2、SiCl4、Na2O、FeO 5 種，其 中NaCl、Na2O 占比為50.66%，SiO2、SiCl4占比為30.23%。

1.3 結(jié)垢成因分析

當(dāng)飽和蒸汽同飽和水接觸時(shí)，水中溶解的鹽有一部分溶于蒸汽。隨工作壓力的升高，蒸汽的物理性能接近于水，溶鹽的能力也增強(qiáng)。蒸汽也和水一樣，對(duì)不同鹽類(lèi)的溶解能力是不同的，蒸汽的溶鹽也是有選擇性的，并有下列特點(diǎn)：①飽和蒸汽和過(guò)熱蒸汽均可溶解鹽類(lèi)，凡能溶于飽和蒸汽的鹽也能溶于過(guò)熱蒸汽；②蒸汽的溶鹽能力隨壓力的升高而增大；③蒸汽對(duì)不同鹽類(lèi)的溶解是有選擇性的，在相同條件下不同鹽類(lèi)在蒸汽中的溶解度相差很大。

物質(zhì)溶于蒸汽的量可用分配系數(shù)α表示，α的大小同飽和汽密度ρ″ 與飽和水密度的比值ρ″/ρ′有關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，二者的關(guān)系為。

指數(shù)n決定于物質(zhì)本身的特性。圖2 給出的是不同鹽類(lèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 不同物質(zhì)的分配系數(shù)和壓力的關(guān)系Fig.2 Relationship between partition coefficient and pressure of different substances

圖2 縱坐標(biāo)為分配系數(shù)，橫坐標(biāo)有兩個(gè)，一個(gè)是ρ″/ρ′的倒數(shù)，一個(gè)是壓力，Kp是用壓強(qiáng)表示的化學(xué)平衡常數(shù)，代表分壓平衡常數(shù)；pkp代表壓力。

根據(jù)飽和蒸汽的溶鹽能力，可把爐水中常遇到的物質(zhì)分為三類(lèi)：第一類(lèi)物質(zhì)是在水溶液中不離解的弱酸。在爐水中所遇到的這類(lèi)物質(zhì)只有硅酸（H2SiO3），硅酸的分配系數(shù)最大，表4 中給出不同壓力硅酸的分配系數(shù)αH2SiO3。可以看出在壓力為10 MPa 時(shí)，αH2SiO3≈0.8，這時(shí)溶于蒸汽而被帶出的硅酸要比機(jī)械攜帶（蒸汽濕度ω=0.01%～0.1%）大30～40 倍，可見(jiàn)在高壓時(shí)蒸汽溶鹽的嚴(yán)重性。第二類(lèi)物質(zhì)為NaOH、NaCl 和CaCl2。這類(lèi)物質(zhì)在蒸汽中的溶解度比第一類(lèi)低很多。第三類(lèi)物質(zhì)為Na2SO4、Na2SiO3、Na3PO4、Ca3(PO4)2、CaSO4和Mg-SO4等。這類(lèi)物質(zhì)的溶解度很低，壓力在20 MPa 以下時(shí)，可以不考慮它們?cè)谡羝械娜芙鈫?wèn)題。

表4 不同壓力下硅酸的分配系數(shù)Tab.4 Partition coefficient of silicic acid under different pressures

注汽管網(wǎng)所注蒸汽，是由蒸汽鍋爐將鍋爐給水加熱而產(chǎn)生的，蒸汽達(dá)到所需溫度和壓力后注入管網(wǎng)，蒸汽中溶解的鹽類(lèi)將隨溫度、壓力的降低不斷析出導(dǎo)致注汽管壁結(jié)垢，而伴隨蒸汽產(chǎn)生的H2SiO3和硅酸鹽類(lèi)是最值得注意的，因?yàn)樵谙嗤瑝毫ο拢琀2SiO3和硅酸鹽類(lèi)在蒸汽中的溶解度最大。一般爐水中同時(shí)存在H2SiO3和硅酸鹽，它們?cè)陲柡驼羝械娜芙饽芰懿幌嗤Ｓ蓤D2 可知，H2SiO3按分配系數(shù)屬于第一類(lèi)物質(zhì)，在飽和蒸汽中的溶解度很大；而硅酸鹽如Na2SiO3、Na2Si2O5，則屬于第三類(lèi)物質(zhì)，很難溶于蒸汽，尤其壓力在20 MPa 以下時(shí)，可以不考慮它們?cè)谡羝械娜芙鈫?wèn)題[7]。

因此，針對(duì)新疆油田的注汽壓力10 MPa，過(guò)熱蒸汽中的主要溶解物為第一類(lèi)（H2SiO3）和第二類(lèi)（NaCl 等鹽類(lèi)）物質(zhì)。由表5 數(shù)據(jù)可知，過(guò)熱蒸汽冷凝水中SiO2及溶解固形物含量均低于濕蒸汽冷凝水，通過(guò)兩種冷凝水的水質(zhì)差異，也反映出過(guò)熱蒸汽鍋爐比普通蒸汽鍋爐結(jié)垢嚴(yán)重。

表5 不同蒸汽冷凝水的水質(zhì)情況Tab.5 Water quality of different steam condensate

注汽鍋爐汽水分離器分離的高含鹽飽和水，噴入干蒸汽中與高溫過(guò)熱蒸汽摻混，迅速轉(zhuǎn)化為低溫過(guò)熱蒸汽（過(guò)熱度5～23 ℃）時(shí)，勢(shì)必造成高含鹽飽和水中全部的礦物離子和雜質(zhì)析出，沉積在注汽管網(wǎng)管壁上。

2 注汽管網(wǎng)結(jié)垢的解決對(duì)策

為提高新疆油田稠油產(chǎn)量，大量引入過(guò)熱鍋爐，導(dǎo)致注汽系統(tǒng)結(jié)垢腐蝕日趨嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)注汽管線結(jié)垢產(chǎn)物進(jìn)行分析，得出注汽管壁上的垢樣主要成分是NaCl、Na2O、SiO2、SiCl4和少量FeO，結(jié)垢主要因素是鍋爐給水中的溶解鹽類(lèi)和SiO2所造成的。為提高鍋爐給水水質(zhì)，減輕注汽管線結(jié)垢，需要提出相應(yīng)解決對(duì)策[8-11]。

2.1 分質(zhì)分類(lèi)供水

新疆油田注汽系統(tǒng)結(jié)垢的主要因素是采出水中礦化度高及硅含量高，常規(guī)污水處理的水質(zhì)不能滿足燃煤蒸汽鍋爐、過(guò)熱蒸汽熱鍋爐的安全生產(chǎn)需求。為滿足鍋爐安全生產(chǎn)，效益最大化，為優(yōu)化稠油開(kāi)采的普通蒸汽鍋爐、過(guò)熱蒸汽鍋爐、燃煤蒸汽鍋爐供水水質(zhì)，提出進(jìn)行分質(zhì)、分類(lèi)供水，以減少清水用量。根據(jù)表1 中凈化（軟化）水及各類(lèi)注汽鍋爐主要給水水質(zhì)指標(biāo)要求，分類(lèi)、分質(zhì)供水原則為：燃煤流化床蒸汽鍋爐給水以清水水源為主，過(guò)熱蒸汽鍋爐給水水源主要是凈化水與清水的摻混水。鍋爐分類(lèi)、分質(zhì)供水可滿足鍋爐安全生產(chǎn)需要，減小污水深度處理規(guī)模，降低處理成本。

2.2 降低鍋爐給水的含鹽量

根據(jù)垢樣成分的分析，為確保經(jīng)過(guò)熱蒸汽鍋爐加熱后產(chǎn)生的蒸汽不在注汽管線中結(jié)垢，需要對(duì)鍋爐給水進(jìn)行除鹽處理。

2.2.1 高溫凈化（軟化）水除鹽技術(shù)

高溫凈化（軟化）水除鹽技術(shù)工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 過(guò)濾-軟化-反滲透流程圖Fig.3 Filtration-softening-reverse osmosis flow chart

目前新疆油田B 站建有4 臺(tái)RO（反滲透）膜設(shè)備，處理規(guī)模6 000 m3/d，實(shí)際處理量3 000 m3/d。該裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)水率≥70%，產(chǎn)水溶解固形物≤700 mg/L，產(chǎn)水與清水摻混后供4 臺(tái)燃煤鍋爐，水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表6。

表6 RO 反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.6 RO reverse osmosis system design index

工藝流程簡(jiǎn)述：凈化（軟化）水首先加入阻垢劑進(jìn)入保安過(guò)濾器，脫除部分懸浮物、油、硅化物后，通過(guò)高壓泵輸送至高溫反滲透膜除鹽裝置進(jìn)行預(yù)處理，產(chǎn)水進(jìn)入軟化水罐，最終產(chǎn)水外輸給燃煤鍋爐，反滲透濃水排進(jìn)存儲(chǔ)池或回注。

新疆油田B 站RO 裝置實(shí)際產(chǎn)水為3 000 m3/d，產(chǎn)水率為72.1%。來(lái)水溶解固形物為4 600 mg/L，產(chǎn)水溶解固形物為690 mg/L，除鹽率達(dá)到了85%，改善了燃煤鍋爐給水水質(zhì)。RO 除鹽系統(tǒng)水質(zhì)分析見(jiàn)表7。

表7 B 站凈水RO 除鹽系統(tǒng)水質(zhì)分析Tab.7 Water quality analysis of water purification RO de-salting system in B Station

2.2.2 濃鹽水深度處理技術(shù)

新疆油田在某作業(yè)區(qū)開(kāi)展了針對(duì)高溫、高含鹽污水除鹽技術(shù)攻關(guān)研究，最終確定了機(jī)械蒸汽壓縮（MVC）更適合稠油油田高溫、高含鹽水的除鹽處理，并對(duì)MVC 蒸發(fā)除鹽技術(shù)開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)。中試試驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)模為10 m3/h，采用“蒸汽機(jī)械再壓縮+強(qiáng)制循環(huán)結(jié)晶”技術(shù)，除鹽水回收率達(dá)到98%。

MVC 設(shè)備結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 MVC 設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.4 MVC device structure

試驗(yàn)工程分為機(jī)械蒸汽壓縮和強(qiáng)制循環(huán)結(jié)晶兩個(gè)流程。

（1）機(jī)械蒸汽壓縮流程。鹽水原液首先進(jìn)入原液緩沖罐，再由進(jìn)料泵提升進(jìn)入降膜蒸發(fā)器，當(dāng)達(dá)到循環(huán)水量后，降膜蒸發(fā)器的循環(huán)系統(tǒng)開(kāi)始工作；循環(huán)的鹽水原液由降膜蒸發(fā)器頂部經(jīng)布液器分布到換熱管的內(nèi)部，均勻成膜，自上而下流動(dòng)；殼程通入飽和蒸汽，加熱原液，鹽液被加熱汽化，產(chǎn)生濃縮液由底部進(jìn)入循環(huán)泵，繼續(xù)循環(huán)濃縮。蒸汽進(jìn)入分離器，汽液經(jīng)充分分離，二次蒸汽進(jìn)入蒸汽壓縮機(jī)。壓縮升溫后，對(duì)循環(huán)鹽液進(jìn)行換熱，蒸汽的冷凝液由接水盤(pán)收集回收，鹽液通過(guò)不斷的循環(huán)，達(dá)到接近飽和濃度后，進(jìn)入強(qiáng)制循環(huán)流程。

（2）強(qiáng)制循環(huán)結(jié)晶流程。機(jī)械蒸汽壓縮產(chǎn)生的接近飽和的濃液進(jìn)入強(qiáng)制循環(huán)結(jié)晶流程，飽和溶液由結(jié)晶器循環(huán)泵提升至加熱室，被殼程的蒸汽加熱汽化，不斷濃縮為超飽和溶液及結(jié)晶鹽，最終進(jìn)入離心機(jī)將鹽渣部分固化分離。

新疆油田A 站試驗(yàn)的MVC 裝置，前段機(jī)械蒸汽壓縮工藝總體運(yùn)行良好，來(lái)水含鹽濃度平均15 000 mg/L，出水含鹽濃度為40 mg/L 左右，出水水質(zhì)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)際產(chǎn)水指標(biāo)見(jiàn)表8。運(yùn)行期間產(chǎn)水率、蒸汽壓縮機(jī)前后蒸汽溫升、進(jìn)出口水質(zhì)等指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，MVC 深度除鹽技術(shù)可有效改善鍋爐給水水質(zhì)。

表8 A 站MVC 產(chǎn)水指標(biāo)完成情況Tab.8 Completion of MVC water production index of A station

2.3 降低鍋爐給水的硅含量

目前常用的除硅工藝技術(shù)有離子交換法、活性鋁吸附法、混凝吸附澄清法、化學(xué)混凝法（藥劑軟化除硅法、鎂劑除硅法）等[12]。綜合多種除硅技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)條件，新疆油田選用化學(xué)混凝法除硅，以緩解過(guò)熱蒸汽鍋爐結(jié)垢問(wèn)題。化學(xué)混凝法是一種物理化學(xué)方法，其機(jī)理是在堿性條件下，含有氫氧化物的粒子表面吸附硅酸化合物，形成難溶的硅酸鹽，在一定程度上也發(fā)生了硅酸膠體的凝聚，除硅劑在一定的投加濃度內(nèi)，能夠降低水的硬度，生成CaSiO3等物質(zhì)，再通過(guò)投加凈水劑和助凝劑對(duì)水中的膠體粒子進(jìn)行絮凝和架橋，從而達(dá)到除硅目的。

新疆油田某作業(yè)區(qū)設(shè)計(jì)除硅工藝規(guī)模30 000 m3/d，已投用2 年，采用采出水除硅與凈化工藝相結(jié)合[13]，先除硅，再凈化，利用高效除硅反應(yīng)器，提高藥劑反應(yīng)效率，除硅劑加量300 mg/L 時(shí)，采出水硅含量≤100 mg/L，現(xiàn)場(chǎng)采出水除硅前后運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。

圖5 污水除硅效果Fig.5 Sewage removal effect of silicon

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

經(jīng)過(guò)2 年的攻關(guān)研究，形成了新疆油田高溫凈化（軟化）水除鹽技術(shù)及濃鹽水深度處理技術(shù)。該技術(shù)已在新疆油田推廣應(yīng)用，其中在新疆油田A 站注采系統(tǒng)運(yùn)行情況對(duì)比見(jiàn)表9，鍋爐給水通過(guò)除鹽處理基本消除了鍋爐爐管爆管事故，大大降低了注汽閥門(mén)的更換頻率。由表9 可以看出，2014 年過(guò)熱鍋爐運(yùn)行臺(tái)數(shù)88，泵卡次數(shù)最高為1 738 次，2018年對(duì)采出水進(jìn)行除硅處理提高鍋爐給水水質(zhì)后，泵卡次數(shù)減少至268 次，降垢效果明顯。

表9 A 站注采系統(tǒng)運(yùn)行情況對(duì)比Tab.9 Comparison of the operation of injection and production system in A station

濕飽和蒸汽鍋爐是指“過(guò)熱蒸汽鍋爐按照濕蒸汽鍋爐運(yùn)行的臺(tái)數(shù)”，目的是為了將汽、水分離器中的垢沖刷掉排出去。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)元素分析法對(duì)鍋爐給水水質(zhì)分析，揭示了注汽管網(wǎng)腐蝕結(jié)垢機(jī)理。在相同壓力下，H2SiO2在蒸汽中的分配系數(shù)最大，因此在鍋爐中優(yōu)先形成硅垢，其次形成鹽垢。通過(guò)注汽管線垢樣成分分析，得出結(jié)垢主要因素是SiO2和溶解鹽類(lèi)。

（2）采取鍋爐分類(lèi)分質(zhì)供水，RO 反滲透、MVC 深度除鹽，化學(xué)除硅等措施降低鍋爐給水中硅化物和鹽的含量，提高鍋爐給水水質(zhì)，大大降低了注汽閥門(mén)的更換頻率及井口泵卡頻率，泵卡頻率由1 738 a-1少為268 a-1，保障了注汽系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。