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1、第 4 5 卷第2期 2 0 1 6 年 2月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V 0 4 5 N o 2 F e b r u a r y，2 0 1 6 油田管道室内静态结垢模拟实验研究 彭 壮 L ，付 田田 1 ,2 ，李 丹 。 ( 1 长江大学 石油工程学院 ，湖北 武汉 4 3 0 1 0 0 ； 2 中国石油天然气集团公司 采油采气重点实验室长江大学分室，湖北 武汉 4 3 0 1 0 0 3 中石化河南石油分公司，河南 郑州 4 5 0 0 0 0 ) 摘 要： 目前油田注水设备及地面管
2、线严重的结垢现象已经影响到油田正常的生产运行， 而油田常见的结垢 物主要为碳酸钙、硫酸钙等盐类垢，因此有必要对油田管道盐类垢的形成及影响因素进行分析。对 4种常见的 盐类垢进行了室内静态结垢实验，重点研究了结垢温度 、作用时间以及管道材质对结垢速率的影响。实验结果 表明：在 4 O和 8 0时 ， 垢质晶体的形成速率较慢 ， 而在 印 时， 垢质晶体的形成速率较快， 相同温度下， 不同晶体类型的结垢速率也存在较大的差异；不同盐类垢均在 8 h内的结垢速率最大，随着静置时间的延长结 垢速率逐渐减小；钢制挂片表面的结垢量明显大于聚乙烯管道的结垢量，说明钢制挂片与介质发生的氧化反应 对垢质的形成具有
3、一定的促进作用。 关键词：结垢；盐类垢；实验；结垢速率 ；影响 中图分类号 ：T E 3 5 7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 6 )0 2 0 2 4 7 0 3 I n d o o r S i mu l a t i o n Ex p e r i me n t Re s e a r c h o n Oi l F i e l d P i p e l i n e Fo u l i n g PENG Zhu a n g 一， FU T i a n t i a n 一， L IDa n ( 1 Co l l e g e o f P e t r o l
4、 e u m E n g i n e e rin g， Ya n g t z e Un i v e r s i t y , Hu b e i Wu h a n 4 3 0 1 0 0，Ch i n a ； 2 Th eBr a n c ho f Ke yLa b o r a t o r yo f CNP C f o r Oi l a n dGa s P r o d u c t i o n， Ya n g t z eUn i v e r s i t y , Hu b e i Wu h a n4 3 01 0 0，C h i n a ； 3 S i n o p e c He n a n P e t
5、r o l e u m C o mp a n y , He n a n Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： At p r e s e n t t h e s c a l e o f w a t e r i n j e c t i o n e q u i p me n t s a n d the P i p e l i n e s i n t h e o i l fi e l d h a s a l r e a d y a f f e c t e d t h e n o r ma l p r o d u c t
6、i o n a n d o p e r a t i o n T h e c o mmo n s c a l i n g i n t h e o i l fie l d i s t h e c a l c i u m c a r b o n a t e c a l c i u m s u l f a t e an d o t h e r s a l t s c a l e T h e r e f o r e i t i s n e c e s s a r y t o an a l y z e t h e for ma t i o n an d i n fl u e n c i n g f a c
7、 t o r s o f s a l t s c a l i n g i n o i 1 fie l d p i p e l i n e T h e i n d o o r s t a t i c f o u l i n g e x p e rime n t s we r e c a r r i e d o u t o n 4 k i n d s o f c o mmo n s a l t s c a l e s T h e e f r e c t O f t e mp e r a t u r e t i me an d t h e e f r e c t o f p i p e l ine
8、ma t e r i a l o n f o u l i n g r a t e we r e s tu d i e d T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e f o rm a t i o n r a t e o ft h e s c a l e c r y s t a l s i s s l o we r a t 4 0 a n d 8 0 wh i l e t h e r a t e o fthe s c a l e c rys t a l s i s f a s t a t 6 0 ：an d t
9、 h e f o u l i n g r a t e o f d i ffe r e n t c ry s t a l t y p e s i s d i ffe r e n t u n d e r t h e s a me t e mp e r a t u r e ；T h e f o u l i n g r a t e o f d i ffe r e n t s a l t s i n 8 h i s the l a r g e s t a n d the s c a l i n g r a t e d e c r e a s e s wi t h t h e p r o l o n g
10、i n g o f t h e t i me ； Th e f o u l i n g r a t e o f t h e s t e e l p l a t e i s o b v i o u s l y h i g h e r than t h a t o f the p o l y e t h y l e n e p i p e ， wh i c h s h o ws t h a t the o x i d a t i o n r e a c t i o n o f t h e s t e e l p l a t e and t h e me d i u m h a s a c e r
11、t a i n e rie c t o n the for ma t i o n o f t h e s c a l e Ke y wo r d s ： S c a l i n g ； S a l t s c a l i n g ； E x p e rime n t ； F o u l i n g r a t e ； I n fl u e n c e 油田结垢现象就是在油田生产过程中，在地下 储层 ，采油井筒 、套管、生产油管 、井下完井设备 及地面集输管线内由于流体的不配伍而形成的一层 沉积物质，它会造成管线阻塞，导致地层渗透率下 降，从而阻碍流体的流动，严重影响油田的正常生 产活动” 。在
12、我国新疆克拉玛依的百口泉油田、胜 利油田以及渤海湾的海上油田等由于井筒、地面管 线和设备的结垢，都不同程度的影响了正常生产。 油 田最为普遍的结垢物主要有碳酸钙 、硫酸钙和硫 酸钡等盐类垢 一 ” 。因此， 本文针对以上几种油田常 见的盐类垢 ， 设计了室内静态结垢模拟实验 ， 分别 以 Q 2 3 5钢和聚 乙烯管为材质 ，在 4 0 、6 0 、8 0三种 不同温度和 8 、2 4 、4 8 、7 2 h的不同作用时间下 ， 通过观察前后结垢量的变化 ，来研究结垢温度 、作 用时间以及不同材质对管道结垢的影响，以期为今 后油田防垢和除垢工作提供一定的理论依据。 1 实验部分 1 1 实验试
13、剂 本 实 验 中 所 使 用 的 主 要 试 剂 均 依 据 S Y T 0 6 0 0 2 0 0 9 油田水结垢趋势预测一石油与天 然气行业标准的规定。它们的等级 、 依据标准如 基金项 目：国家大学生创新性实验计划项 目，项 目号：2 0 1 4 0 4 2 。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 -i I - 2 8 作者简介 ：彭壮 ( 1 9 9 0 一) ，男，湖北武汉人 ，硕 士研究生，2 0 1 4年毕业于长江大学油气储运工程，研究方向：从事管道安全的研究。E - m a i l p e n g z h l 2 3 0 1 6 3 c o m。 2 4 8 当 代 化 工 表
14、1 所示 。 表 1 主要试剂 Tabl e 1 M a i n r e a ge n t 1 2 实验仪器 本实验所用的主要仪器如表 2 所示。 表 2 主 要仪器 Ta bl e 2 M a i n i ns t r ume nt s 1 3 实验步骤 本实验对碳酸钙 、硫酸钙 、硫酸钡和硫酸锶这 四种常见的盐类垢进行 了室内静态结垢模拟 ，这里 以碳酸钙结垢实验为例，其具体实验步骤如下： ( 1 ) 分别配置含有 和 离子的溶液各 5 0 mL ， 溶液配比具体所需克数， 标准参见 s Y 1 5 6 7 3 9 3 。 ( 2) 将所配置的以上两种溶液倒人锥形瓶 中， 拧紧瓶塞， 混合
15、后待反应完全， 取出适量混合溶液。 ( 3 ) 取 Q 2 3 5 钢制挂片若干块采用砂纸打磨除 锈后 ，采用蒸馏水冲洗 ，并放入恒温干燥箱 ，1 2 h 后取 出待用； ( 4 ) 取聚乙烯管材将其截成若干约2 2 0 g 的小 段，将边缘打磨光滑，用蒸馏水冲洗后，放入恒温 干燥箱 ，1 2 h 后取出待用。 ( 5 ) 将钢制挂片和聚 乙烯管分别称重后 ， 放入 混合溶液中，并在不同温度下的水浴锅 中分别静置 87 2 h 后 ，称其重量。 ( 6 ) 计算结垢重量和单位面积上的结垢速率。 2 实验结果 碳酸钙垢是管道中垢的主要组成成分，以碳酸 钙结垢实验为例，实验结果如下。 ( 1 )挂
16、片材质为 Q 2 3 5钢时的结垢实验数据 ， 如表 3 所示。 ( 2)挂片材质为聚乙烯时的结垢实验数据 ， 如表 4所示 。 表 3 Q2 3 5钢制挂片结垢数据表 T a b l e 3 Q2 3 5 s t e e l h a n g i n g p i e c e o f f o u l i n g Da t a S h e e t 表 4 聚乙烯挂片结垢数据表 Ta bl e 4 Pol ye t h yl e ne co upon s c a l i ng da t a s he e t s 3 结垢影响因素分析 3 1 温度对结垢的影响 在研究温度对结垢速率的影响时，选取 Q
17、2 3 5 钢制挂片，将不同静置时间下 四种盐类垢 的结垢速 率随温度变化 的关系绘制成如下图 1 所示。 图 1 为不同温度下的结垢速率变化关系图。南 图可知 ，对于碳酸钙 、硫酸钙 、硫酸钡 以及硫酸锶 这 4种盐类垢 ，温度的变化对于垢质的形成均有较 大影 响。其 中 ，不 同的静置时 问下 ，结垢速率在 4 0到 6 0 之间均呈现增加趋势 ，在 6 0 到 8 0均呈现降低趋势，当温度为 6 0 时的结垢速 率均达到最大值 。这一现象主要是由于温度在一定 范围内能够影响水垢热阻，即流体温度越高 ，溶液 的稳定时间越短 ，结垢物质如 在水 中的溶解度降 低 ，从而在容器表面形成附着的结
18、垢物。 第 4 5 卷第 2期 彭 壮，等：油田管道室内静态结垢模拟实验研究 2 4 9 结垢 温 度(。 ) 图 1 不同温度下结垢速率的变化 F i g 1 Va r i a t i o n o f f o u l i n g r a t e a t d i f f e r e n t t e mp e r a t u r e s 另外， 温度的升高还会促使其他物质分解而生成 碳酸钙垢 ， 从曲线图上也可以反映这一点 ， 同一温度 下不同晶体类型的结垢速率也存在较大差别， 碳酸钙 垢和硫酸钙垢的结垢速率整体上均大于硫酸钡垢和 硫酸锶垢。因此， 为了节约成本， 在不影响集输的前 提下， 油田
19、在除垢的过程中可以采取适当降低集输温 度的方式来减少管道内结垢物质的产生。 3 2 静置时间对结垢 的影响 图2 为不同静置时间下结垢速率的变化关系图。 图 2 不 同静置 时间下的结垢速率的变化 F i g 2 Th e c h a n g e o f f o u l i n g r a t e u nd e r d i f f e r e n t s t a t i c t i me 由图 2可知 ，在静置 8 h 后 ，所有的盐类垢 的 结垢速率均达到最大值，之后随静置时间的延长均 呈现减小的趋势。其中，对于碳酸钙垢和硫酸钙垢 的结垢速率在 8 4 8 h 时降低比较明显， 在4 8 7
20、 2 h 时逐渐趋于稳定 ；对于硫酸钡垢和硫酸锶垢 的结垢 速率在 8 2 4 h时降低比较明显，在 2 4 7 2 h时逐 渐趋于稳定。另外，从整体上来看，温度为 6 0 下的结垢速率在不同的作用时间内均保持在较高的 水平 ，这也从 另一个角度应证了盐类垢的较适宜形 成温度为 6 0 。碳酸钙垢和硫酸钙垢 的结垢量总 体上大于硫酸钡垢和硫酸锶垢，这也说明在实验条 件下，碳酸钙垢与硫酸钙垢更易形成。 3 3 不同管道材质对结垢的影响 图 3为不同材质下结垢速率 的对比关系 图。 结 垢 时 I fi h 图 3 不同管材质下结垢速率的对比 Fi g 3 Co mpa r i s o n o f
21、 f o u l i n g r a t e u n d e r d i f f e r e n t p i p e ma t e r i a l s 从图 3 可以看出，在相同的混合溶液中，同一 温度下、同一静置时间内 Q 2 3 5钢制挂片表面的结 垢速率明显大于聚乙烯管道表面的结垢速率。本实 验中采用 的金属管材是 Q 2 3 5 钢制管道 ，Q 2 3 5钢制 管道 的主要成分是 F e 和微量的 c、Mn 、S i 等元素 ， F e 离子在碳酸钙溶液中与 H z O反应生成不溶于水 的红褐色 F e ： O 。 氧化膜， 使管材表面发生氧化作用， 加快了垢质的生成 ，同时也大幅度增
22、加了结垢量。 4 结 论 通过进行室内静态结垢实验，分别对碳酸钙、 硫酸钙等四种油田常见结垢物质在不同温度 ( 4 0 、 6 0 、8 O oC) 、 不同静置时问 ( 8 、2 4 、 4 8 、7 2 h ) 条 件下的前后结垢变化 以及不同材质 ( Q 2 3 5 钢 、 聚 乙 烯管 )表面的结垢变化进行了研究分析 ，得到了以 下结论 ： ( 1 ) 温度对不同盐类垢的结垢过程均有较大的 影响。不同盐类垢的结垢速率随温度均呈现先增加 后减小的趋势 ，在温度为 6 0 达到最大的结垢速 率。同一温度下不同晶体类型的结构效果也存在较 大差异。在油田的防除垢工作中通过控制管线温度 可以有效
23、起到减小结垢物质生成的作用 。 ( 2 ) 整体来看， 不同温度、 不同结垢物质的结 垢速率随静置时间的延长均表现出减小直至趋于稳 定的特点。其中碳酸钙垢和硫酸钙垢的结垢速率减 小 比硫酸钡垢和硫酸锶垢要缓慢。 ( 3 ) 钢制管道对结垢晶体的形成有促进作用， 聚乙烯管道的对结垢晶体无影响。通过实验发现， 钢制管道的结垢速率较大，结垢量也 比较多，主要 是 由于钢制管道与溶液接触 ，形成一层氧化膜 ，这 层氧化膜与所结 的垢质胶结在一起 ，导致结垢量的 增加。而聚乙烯管道则没有此类现象，聚乙烯管道 的防腐功能较强 ，内壁粗糙度小于钢制管道。 ( 下转第 2 5 2页 ) ( _ _ l 】 _
24、7 捂 恒 哥 一 J。 g 删 恒晕井 2 5 2 当 代 三 兰 P V A 一 1的 T G A 曲线趋势大致相 同， 差异在于重量激 烈减少的起始点为 3 3 4 5，照比P V A 一 1 提高较为 明显，着说明 P V A g P A A m 的热稳定性的提高与 接枝度的提高有关。 现； C O伸缩振动吸收峰在 1 5 7 0 c m 处出现 一 C H ： 一 伸缩振动吸收峰在 1 4 4 8 c m 处出现； 如图2( a ) 所 示， 在 1 6 6 2 c m 处出现的吸收峰很强烈， 对应于 N H 键的弯曲振动， 这说明接枝反应在此发生： 如图 2 ( a ) 所示在 1
25、 1 4 0 c m 处出现c N键伸缩振动特征 吸收峰， 这也说明了接枝反应的进一步发生。 2 2 T GA表征 如 图 3 所示的是 P V A、 P V A 一 1 和 P V A 一 2的T G A 曲线 妊 0 1 00 2 0 0 3 0 0 40 0 5 0 0 6 0 0 7 00 8 0 0 温 度 图 3 P V A、P V A 一 1和 P V A 一 2的热重 曲线 Fi g 3 TG c u r v e o f PV A， P VA一 1 a nd PHA- 2 如 图 3所示 ， 在 2 51 0 0 时， 3种聚合物的重 量都有所下降，这是由于有少量 的水存于样品
26、中。 随着温度的升高 P V A 的重量在下降，在温度为 2 1 63 0 2时 ， P V A重量明显减少 ， 大致减少 5 0 ， 温程不宽， 通过这一现象我们可以看出P V A开始分 解 ，且具有较快的分解速度。而在 2 5 3 3 2 1范 围内，P V A 一 1的重量稍有下降，之后温度在 3 2 1 5 0 0 c 【 = 内，重量下降激烈。较 比 P V A ， 其质量激烈减 少的起始点较大， 且温程较宽， 说明通过接枝 A A m ， 热稳定性对于改性过的 P V A有所提高。P V A 一 2与 3 结 论 ( 1) 浸涂法制备的渗透汽化复合膜是两种接 枝度 的 P V A
27、g P A A m O L 型，主要投入到 D MF H O 混合体系的分离工作 。 ( 2)料液 中 D MF质量分数 的增加， 使下列三 种膜的渗透通量有所下降 ，它们分别是 P V A 仅 一A 1 2 0 3 、P V A 一 1 0 【 和 P V A 一 2 ， 其 中通量最大的是 P V A一 2 ， 在 0 40 8 k g ( m 2 h ) 之问； 其次是 P V A O L ， 在 0 2 30 6 4 k g ( m 2 h ) 之间；最小 的是 P V A l 仪， 在 0 2 20 5 6 k g ( m h ) 之间。先大而小是分离因子 的规律 ，最大 D MF质
28、量分数是 3 0 ，分别为 1 1 ， 1 7 和 2 5 。 ( 3) 当温度 由 2 8 c C 升高至 4 8时， 以上三种 膜的渗透通量有上扬趋势，而分离因子有所下降。 参考文献 ： 1 刘兴泉， 唐毅， 戴汉松， 等 N ， N 一 二甲基甲酰胺 的生产和应用l J I 化 工科技， 2 0 0 2 ， 1 O f 1 ) ： 4 6 4 9 2 杨德明， 郭新连 多效精馏回收 D M F工艺的研究l J 1 计算机 与应用 化学， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 1 o ： 1 2 0 2 1 2 0 6 3 李五元， 张少华， 滕冬成， 等以分子筛为脱水剂精制 D MF J 广
29、东化工， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 1 5 1 6 4 胡湖生，杨明德， 叶血清，等 萃取一 吸附法处理二甲基 甲酰胺( D M F ) 废水的实验研究 J 】 环境科学研究， 2 0 0 4 ，l 7 ( 4 ) ： 4 0 4 3 5 王毅军， 张振家 E G S B工艺处理 D MF废水的实验研究 工业水 处理， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 7 1 ： 3 0 3 2 ( 上接 第 2 4 9页 ) 参考文献 ： 1 王亚鹏l 力 口 热炉应用超声波除垢防垢技术效果分析 J 】 _油气田地面 T程，2 0 1 3 ，2 3 ( 1 1 ) ： 2 3 2 5 2 李澍 ，田继军
30、 青海越进油田集输管道结垢的综合治理l J l_油气田 地面工程 ，2 0 1 4 ， 3 3 ( 1 1 ) ：9 7 9 8 3 马志梅超声波阻垢与除垢技术研究进展叫l 中外能源，2 0 0 8 ， l 3 ( 2 ) ： 9 2 9 3 4 吕汉迎 超声波防垢仪在浊水冷却循环系统中的应用 J 】 l工艺与装 备，2 0 0 7 ， 2 2 ( 3 ) ：5 3 5 4 5 李英， 赵德志， 袁秋菊 超声波在石油化 l 中的研究与进展_J J 石油 化工，2 0 0 5 ，3 4( 0 2 )： 1 7 6 1 7 7 6 曾文平油 田结垢及影响因素【 j l l石油钻采工艺 ，1 9 8 6 ， 3 1( 0 5 ) ： 7 4- 8 0 7 涂乙，汪伟英 ，吴萌注水开发油 田结垢影响因素分析_ J 1_ 油气 储运，2 0 1 0 ，2 9( 2) ： 9 7 9 9 舳 加 如 如 加 m 0