長慶油田某區塊地面集輸系統結垢機理與集中成垢裝置研究

王蕊，白劍鋒，龐永莉，霍富永，李開

長慶工程設計有限公司，陜西 西安 710018

隨著油氣田開發進入中后期，采出液中含水率上升和礦化度的變高，導致油氣藏中的液體從地層采出后，由于溫度和壓力等的變化，容易引起無機鹽在地面集輸系統的結垢[1-4]，由此引起油管被堵、壓力增加和產量的下降。此外，結垢容易引起局部腐蝕[5-6]，從而導致管道發生穿孔腐蝕，引發安全事故[7-9]。

長慶油田各采油廠目前采用不同層系油藏混采混輸的油井日益增多，導致部分地面集輸系統結垢嚴重[9]、故障頻發，維護成本逐年上升[10-11]。目前主要通過物理法和化學法除垢。化學法具有針對性強和除垢效率高的特點，但是存在不具有普適性、且需要持續加藥和成本高等問題[7-8,11]。由于集輸系統的采出液中的離子組成和濃度存在多變性，因此化學法尤其是單一藥劑可能不適于集輸系統的防垢[12]。而常規的物理除垢方法如超聲波、磁場等，存在設備投入費用高、除垢效果不理想的問題[13-14]，導致現場應用的局限性。因此急需開展防垢技術研究，開發出具有普適性防垢效果的防垢技術，從而解決長慶油田集輸系統結垢嚴重的問題。

針對長慶油田某區塊結垢嚴重的地面集輸系統，通過垢樣、采出液的水質進行分析以明確垢樣成分及其成因；并選擇集輸管線結垢部位嚴重的不同流體進行成垢研究，明確影響垢體沉降速率、粒徑等的因素，以期為集輸系統的防垢工作提供理論支持。通過對自主研發的集中成垢裝置進行優化[15]，模擬垢體顆粒在裝置中的沉降分布情況，以期解決地面集輸系統的結垢問題。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

碳酸氫鈉、氯化鈉、硫酸鉀、氯化鈣、氯化鎂、氯化鋇、氯化鍶，均為分析純。TD-3700型X射線衍射儀，中國通達公司；PlasmaQuant 9100電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)，德國耶拿公司；Quanta450型環境掃描電子顯微鏡，美國FEI公司。

1.2 現場垢樣及油田采出液成分分析

1.3 流體的配伍性及結垢規律研究

根據采出液成分配制A、B兩組模擬采出水：A組模擬含有沉淀型陽離子水，B組模擬含有沉淀型陰離子水。將兩組水注入同一管道，通過流量計控制液體流量，同時用水浴對液體加熱。研究流體溫度、離子濃度和流速等條件對垢樣的粒徑、密度和沉積速度等的影響。其中流體溫度為50～90 ℃；流體流速為3.5～5 m/min。

1.4 集中成垢裝置除垢研究

對自主設計的集中成垢裝置(見圖1)進行優化[15]；模擬研究液體中的顆粒在集中成垢裝置中的沉降分布情況，明確裝置的除垢性能。

圖1 集中成垢裝置

2 結果與討論

2.1 現場垢樣分析

選取結垢現象嚴重的某區塊中A站(結垢嚴重，需每月清理總機關，即使加入120×10-6mg/L的藥劑，清垢周期也只能從30 d延長到33 d)和B站(加藥濃度60×10-6mg/L，清垢周期由30 d延長至37 d)的垢樣進行分析，結果如圖2所示。

圖2 A站和B站垢樣的SEM和EDS

從SEM照片和EDS譜圖可以看出，A站和B站的垢樣除了顆粒形貌相差較大外，其元素組成基本相同，說明這兩個集輸站采出液中的離子成分較為相似，主要含有Ca、Ba、S、Sr等元素，具體元素百分比如表1所示，除了O、Ba相差較大外，其他元素百分比相近，說明產生污垢的不溶性鹽是鋇鹽，主要為硫酸鋇鍶。對地面集輸A站的垢樣進行處理后，測得的XRD結果如圖3所示，垢樣為Ba0.75Sr0.25SO4。

表1 A站和B站垢樣的元素百分比

圖3 長慶油田某區塊A站垢樣的XRD

2.2 現場采出水成分分析

表2 長慶油田某區塊A站水樣分析

2.3 現場采出水成垢規律分析

開展油田采出水的成垢規律研究有助于揭示垢的形成機理、結晶動力學、結垢誘導期的影響因素，為采出水中沉淀型離子的除去具有理論指導意義[2,5]。主要探究了礦化度、溫度和流速對垢體的粒徑、密度和沉降速度的影響。

2.3.1 礦化度

通常情況下，礦化度越高對應的鹽含量越高。而鹽含量升高時，CaCO3、BaSO4這類不溶性垢體的溶解度會隨之增加。鹽含量相對較高時，可以生成垢的離子濃度相對減少，從而削弱了可以結合的正負離子結合能力[1]。但鹽含量的增加可能主要由能夠生成沉淀的正負離子導致，這種情況下則不會削弱正負離子的結合能力，甚至大量可形成沉淀的正負離子的存在會提高正負離子的碰撞機會，使得沉淀顆粒的粒徑增加。

研究水體溫度為50 ℃、流速為2.5 m/s、礦化度在(1～14)×104mg/L之間時，礦化度對垢體的粒徑、密度和沉降速度的影響，實驗結果如圖4所示。從圖4(a)可知，隨著溶液礦化度的增加，生成的垢體粒徑尺寸呈現出先緩慢增加后快速增加最后趨近于不變的趨勢。可能礦化度的增加，使得正負離子濃度的增加起到了主導作用。從圖4(b)可知，礦化度的增加對垢體的密度并沒有影響。可能是礦化度的增加并沒有影響到沉淀型離子的碰撞強弱程度，從而未影響到垢體的密實度[8]。由于垢體粒徑的增加，其質量隨之增加，在其質量增加的幅度大于其在液態中浮力增加的幅度條件下，引起垢體顆粒的沉降速度的增加(見圖4(c))。

圖4 礦化度對垢體的影響

2.3.2 溫度

沉淀結垢是一個吸熱反應，當溫度改變時，結晶動力學也隨之變化。設置礦化度為7×104mg/mL，流速為2.5 m/s、水體溫度(50～90)℃，研究溫度對垢體的粒徑、密度和沉降速度的影響，結果如圖5所示。

圖5 溫度對垢體的影響

根據布朗運動理論，由于液體分子的熱運動，微粒會受到來自各個方向液體分子的無序碰撞。由于這種不平衡的沖撞，微粒呈現出不規則的運動。微粒布朗運動的劇烈程度隨著流體溫度的升高而增加[16]。溫度的升高雖然加劇了布朗運動，增加了粒子的接觸機會和次數，但是劇烈的運動影響了它們的聚集成核。所以從圖5(a)看到，隨著液體溫度的升高，生成垢體的粒徑呈現出緩慢減小的趨勢。由于溫度的升高增加了垢體熱運動的無序性，導致形成垢體的密實度出現變化。因此從圖5(b)看到當溫度低于75 ℃時，垢體的密度為無序的變化；當溫度超過75 ℃時，垢體的劇烈熱運動影響到垢體的結合能力，使得垢體的密度隨著溫度的升高而持續下降。垢體的粒徑和密度的減小直接影響到單個垢體的質量，導致其沉降速度減小。因此，從圖5(c)看到，隨著液體溫度的升高，生成的垢體的沉降速度逐漸減小。

2.3.3 流速

研究礦化度7×104mg/L、溫度為50 ℃的條件下，流速對垢體的粒徑、密度和沉降速度的影響，結果如圖6所示。

圖6 流速對垢體的影響

垢體粒徑隨流速先增大后減小(見圖6(a))。在流速超過某一臨界點之前，流體流動速度的增大，加強了管道內垢體的接觸機會，提高了它們的聚集成核速率，有利于生成的沉淀顆粒成核。但當流速超過這一臨界點之后，由于管內流體存在速度梯度，剪切分散作用過大，將不利于沉淀微粒的聚集成核而生成大的顆粒，因此出現了實驗結果所呈現出的垢體粒徑隨著流體流速的增加先增加后減小的趨勢[8]。由于流速的大小只是影響到垢體顆粒的接觸機會和結合能力，而對垢體的組成和成核顆粒的密實度的影響較小，因此從實驗數據看到流速對垢體密度的影響較小(見圖6(b))。和垢體粒徑相對應的，沉降速度表現出先增加后下降的趨勢(見圖6(c))。

綜合上述研究結果，礦化度、溫度和流速均影響著垢體粒徑，最終影響到垢體的沉降速度。油田現場在集輸系統中安裝集中成垢設備，這就要求流體中的垢體在流經成垢設備前不允許沉降，集中在成垢設備中沉降，以便于集中清理污垢。

眾所周知，固體微粒在液體中的沉降需要一定的時間，是一個緩慢發生的過程。如果微粒在沉降過程中被擾動，那么其沉降速率將會發生變化，擾動越劇烈越難以發生沉降。因此流速是一個影響到垢體沉降發生結垢的主要因素。

液流中的顆粒的沉降速度如下：

在滯留區(10-4

(1)

在過渡區(1

(2)

在湍流區(103≤Re<2×105)：

(3)

式中：Re為顆粒雷諾數，1；u為顆粒相對于流體的運動速度，m/s；dp為顆粒的直徑(假設為標準圓球形)，m；ρp為顆粒的密度，kg/m3；ρ為流體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；μ為流體黏度，Pa·s。

由式(1)、(2)和(3)可知，在流體的密度、黏度確定的情況下，固體顆粒的密度和直徑越大，則其沉降速度越大，即越容易沉積在管材表面。

2.4 集中成垢裝置研究

集中成垢的原理是利用不相溶水體混合結垢，通過改變水體化學熱力學條件，人為創造結垢環境，誘導水體中的結垢因子在指定的地點結垢，避免水體在后續管線設備中結垢[10]。定點結垢裝置是實現這一目標的關鍵設備。根據前文研究的影響垢體沉降速度的因素，通過室內模擬計算和參數優化，研究了流速(處理量)和垢體粒徑對集中成垢裝置中垢體分布狀態的影響。

2.4.1 處理量

以進液含油率20%、垢體平均粒徑50 μm、平均密度3.5 g/cm3為例，模擬計算液體處理量不同時，垢體在成垢裝置中不同位置的體積分數分布，結果如圖7、8所示。

圖7 不同處理量下集中成垢裝置中垢體體積分數分布情況

從圖7可知，實驗裝置的處理量在30～50 L/h時，垢體均能有效沉積到裝置排渣口附近；液體的處理量增加，垢體沉降區有上移的趨勢。垢體體積分數隨高度變化規律如圖8所示，從圖8中可看出，裝置排渣口附近垢體體積分數趨近1，裝置頂部垢體體積分數趨近0；處理量增加，垢體分布有向裝置上部擴散的趨勢，但是可以看到，垢體都集中在裝置內部沉積，結果表明該集中成垢裝置能夠有效除去流體中的垢體。

圖8 不同處理量下集中成垢裝置中垢體體積分數隨高度變化規律

2.4.2 垢體粒徑

處理量40 L/h、進液含油率20%、垢體平均密度3.5 g/cm3，垢體粒徑不同時，裝置內不同位置垢體體積分數分布情況如圖9、10所示。

圖9 不同垢體粒徑下集中成垢裝置中垢體體積分數分布情況

如圖9所示，垢體的粒徑越大，裝置排渣口附近垢體體積百分數越高，說明越易沉降。如圖10所示，當垢體粒徑小于50 μm時，粒徑對垢體在裝置內分布區域的影響較小。因為在垢體密度相同時，垢體的粒徑越大，垢體沉降的力越大，越容易在底部沉積。因此，當垢體粒徑達到70 μm時，垢體在裝置中的分布發生了明顯的變化。但是需要注意的是，即使粒徑僅為30 μm，亦不影響垢體在成垢裝置中的有效沉積。

圖10 不同垢體粒徑下集中成垢裝置中垢體體積分數隨高度變化規律

通過上述模擬計算可知，液體處理量對垢體在集中成垢裝置中的沉降速度影響最大；垢體粒徑越大越有利于垢體的沉降。因此為了滿足成垢垢體在裝置的沉積，需要注意處理量與裝置處理能力的匹配性問題。

3 結論

1)對長慶油田某區塊的采出水的礦化度和成分分析可知，該區塊的采出水的礦化度在20 000～90 000 mg/L之間，所有井的采出水中均檢測到大量的Ca2+、Mg2+、Ba2+等可能產生沉淀的陽離子，在部分井的采出水中也發現了Sr2+。這些元素同樣在垢樣中被檢測到，說明這些離子是產生垢體的主要組成部分。

2)采出水的礦化度越高，垢體的粒徑越大，垢體的沉降速度越快；流體的溫度越高，垢體的粒徑越小，垢體的沉降速度越小；流速對垢體的粒徑和沉降速度的影響呈現出先增加后減小的趨勢。

3)垢體在成垢裝置中隨著液體處理量的增加，垢體的分布存在上移的現象；垢體粒徑越大越有利于垢體在裝置出渣口的沉積。