油田管道室内静态结垢模拟实验研究

彭 壮，付田田，李 丹

（1. 长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100；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 430100；3. 中石化河南石油分公司，河南 郑州 450000）



油田管道室内静态结垢模拟实验研究

彭 壮1，2，付田田1，2，李 丹3

（1. 长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100；
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 430100；3. 中石化河南石油分公司，河南 郑州 450000）

摘 要：目前油田注水设备及地面管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40 ℃和80 ℃时，垢质晶体的形成速率较慢，而在60 ℃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一定的促进作用。

关 键 词：结垢；盐类垢；实验；结垢速率；影响

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［1-4］。在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［5-7］。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Q235钢和聚乙烯管为材质，在40、60、80三种不同温度和8、24、48、72 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 实验试剂

本实验中所使用的主要试剂均依据SY/T0600-2009《油田水结垢趋势预测—石油与天然气行业标准》的规定。它们的等级、依据标准如表1所示。

表1 主要试剂Table 1 Main reagent

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Table 2 Main instruments

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50 mL，溶液配比具体所需克数，标准参见SY/T 5673-93。

（2）将所配置的以上两种溶液倒入锥形瓶中，拧紧瓶塞，混合后待反应完全，取出适量混合溶液。

（3）取Q235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，12 h后取出待用；

（4）取聚乙烯管材将其截成若干约220 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，12 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8～72 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）挂片材质为Q235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 Q235钢制挂片结垢数据表Table 3 Q235 steel hanging piece of fouling Data Sheet

表4 聚乙烯挂片结垢数据表Table 4 Polyethylene coupon scaling data sheets

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Q235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。由图可知，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，不同的静置时间下，结垢速率在40 ℃到60 ℃之间均呈现增加趋势，在60 ℃到80 ℃均呈现降低趋势，当温度为60 ℃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垢物。

图1 不同温度下结垢速率的变化Fig.1 Variation of fouling rate at different temperatures

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Fig.2 The change of fouling rate under different static time

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8～48 h时降低比较明显，在48～72h时逐渐趋于稳定；对于硫酸钡垢和硫酸锶垢的结垢速率在8～24 h时降低比较明显，在24～72 h时逐渐趋于稳定。另外，从整体上来看，温度为60 ℃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60 ℃。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。

图3 不同管材质下结垢速率的对比Fig.3 Comparison of fouling rate under different pipe materials

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Q235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Q235钢制管道，Q235钢制管道的主要成分是Fe和微量的C、Mn、Si等元素，Fe3+离子在碳酸钙溶液中与H2O反应生成不溶于水的红褐色Fe2O3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（40、60、80 ℃）、不同静置时间（8、24、48、72 h）条件下的前后结垢变化以及不同材质（Q235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60 ℃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。

参考文献：

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［4］吕汉迎.超声波防垢仪在浊水冷却循环系统中的应用［J］.工艺与装备，2007，22（3）：53-54.

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［7］涂乙，汪伟英，吴萌.注水开发油田结垢影响因素分析［J］.油气储运，2010，29（2）：97-99.

Indoor Simulation Experiment Research on Oil Field Pipeline Fouling

PENG Zhuang1， 2， FU Tian-tian1， 2， LI Dan3
（1. College of Petroleum Engineering ，Yangtze University， Hubei Wuhan 430100，China；2. The Branch of Key Laboratory of CNPC for Oil and Gas Production， Yangtze University， Hubei Wuhan 430100，China；3. Sinopec Henan Petroleum Company， Henan Zhengzhou 450000，China）

Abstract:At present， the scale of water injection equipments and the pipelines in the oil field has already affected the normal production and operation. The common scaling in the oilfield is the calcium carbonate， calcium sulfate and other salt scale. Therefore， it is necessary to analyze the formation and influencing factors of salt scaling in oil field pipeline. The indoor static fouling experiments were carried out on 4 kinds of common salt scales. The effect of temperature， time and the effect of pipeline material on fouling rate were studied. The experimental results show that the formation rate of the scale crystals is slower at 40 ℃ and 80 ℃， while the rate of the scale crystals is fast at 60 ℃； and the fouling rate of different crystal types is different under the same temperature； The fouling rate of different salts in 8 h is the largest， and the scaling rate decreases with the prolonging of the time； The fouling rate of the steel plate is obviously higher than that of the polyethylene pipe， which shows that the oxidation reaction of the steel plate and the medium has a certain effect on the formation of the scale.

Key words:Scaling； Salt scaling； Experiment； Fouling rate； Influence

中图分类号：TE 357

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）02-0247-03

基金项目：国家大学生创新性实验计划项目，项目号：2014042。

收稿日期：2015-11-28

作者简介：彭壮（1990-），男，湖北武汉人，硕士研究生，2014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-mail：pengzh1230@163.com。