海上聚驱油田超声波螺旋扁管换热器工艺设计及现场试验

王继良，王晓飞，赵立全，宫承君

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）

海上聚驱油田超声波螺旋扁管换热器工艺设计及现场试验

王继良，王晓飞，赵立全，宫承君

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）

针对海上注聚油田，如SZ36-1油田、LD5-2油田、LD10-1油田，原油系统换热器堵塞严重，引起换热器换热周期缩短，换热器清洗频繁的问题，研发了超声波螺旋扁管换热器工艺，并在绥中陆地终端进行了现场试验。该工艺集超声波的空化作用、振动作用、热作用以及螺旋扁管的强化传热、防垢除垢作用于一体，使得超声波螺旋扁管换热器在对含聚原油加热过程中，能够避免目前换热器出现的问题。现场试验表明，超声波螺旋扁管换热器工艺对提升含聚原油温度的效果十分明显，且没有结垢堵塞现象。

超声波防垢；螺旋扁管换热器；焦结堵塞

海上聚驱油田采出液处理中，各种垢的积累以及胶质、沥青质的聚结粘附造成换热器内部堵塞，而聚合物的存在，又加剧了胶质、沥青质的聚结，在高温的作用下，发生焦结，导致换热器的堵塞问题更加严重。本文通过对超声波技术和螺旋扁管换热技术的研究，探索含聚原油的加热工艺，为海上含聚产出液的处理提供技术支持。

1 超声波技术

超声波属于机械波，是机械振动在弹性媒质中的传播[1]。超声波在介质中传播时，会使媒质产生受迫振动，使粒子间产生相互作用。当超声波的机械能振动使媒质中的粒子加速度达到一定数值时，就会在媒质中产生一系列的物理和化学效应[2]。

超声波在换热界面间产生的效应主要有：空化效应[3-6]、活化效应[7]、振荡涡旋效应[8]、剪切效应[9]。

（1）空化效应

超声波的辐射能使被处理液体介质产生大量的空穴和气泡，当这些空穴和气泡破裂或互相挤压时，能使成垢物质粉碎悬浮于液体介质中，并使已生成的垢层破碎导致其易于脱落。超声波的空化效应还有降低原油粘度的作用。

（2）活化效应

超声波在液体介质中通过空化效应，可以使水分子裂解为H+和HO-，从而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相对提高。

（3）振荡涡旋效应

当超声波在金属管中传播时，会在金属管壁产生高加速度震荡波，使与该界面接触的液体产生高速微涡，可起到防垢与除垢的作用。

（4）剪切效应

水分子因空化效应裂解产生的活性H+的寿命比较长，它与管道内的流体相互作用，可以使生成的积垢剥落下来。

2 螺旋扁管换热技术

螺旋扁管换热器的传热元件——螺旋扁管，它以圆管为基管，经压扁后扭曲成型，其横截面为长圆形。管内外流道因管子扭曲呈螺旋状，如图1所示。

图1 螺旋扁管内外流体流动示意图

螺旋扁管换热器具有以下优点：

（1）管内外流体的螺旋流动强化了管内传热；

（2）介质的螺旋流动，增加了湍流效果；

（3）壳程没有折流板，可以降低流体在壳程中的压降。

3 超声波螺旋扁管换热器工艺设计

根据超声波与螺旋扁换热器管的特性，设计一个全新的工艺，该工艺综合了这两项技术在降粘和防垢除垢方面的优点，可以实现超声波的作用方向沿着换热管的径向传播，并使超声波与换热管的作用距离尽可能的近，衰减程度最低，见图2.

图2 超声波作用于换热器示意图

本工艺系统由两部分组成，即超声波设备和超声波螺旋扁管换热器设备，见图3.

图3 超声波螺旋扁管换热器工艺示意图

超声波设备由罐体和超声波发生装置组成，罐体容积3 m3，超声波发生装置总功率为4 kW.该设备的作用是利用超声波的降粘作用，降低原油的粘度，减小原油在换热管中的附着作用。

超声波螺旋扁管换热器设备是超声波发生装置与螺旋扁管换热器组成，该设备占地面积4 m2.超声波发生装置总功率为6 kW，它的作用是利用超声波的防垢除垢作用，防止换热器结垢堵塞。螺旋扁管换热器中，原油走管程，热油走壳程。

超声波设备直接作用于原油，若管程中的原油温度过高将会影响超声波设备的正常运行，故设计时要求原油处理后的温度原则上不能大于120℃.因为该工艺是针对海上含聚油田原油处理，所以原油进口设计温度为60～90℃，热油进口温度设计为120～150℃.

流体介质在螺旋扁管内是螺旋流动，介质速度越快，其螺旋冲刷时的剪切力越大，即越不容易沉降结垢，故在设计时要求换热流速不能小于0.2 m/s.

4 超声波螺旋扁管换热器现场试验效果

因为换热器焦结堵塞的问题主要出现在海上注聚油田，所以该项技术的现场试验场地选择在辽东作业区绥中陆地终端。由于原油中含有聚合物，陆地终端的换热器一般运行三个月之后就产生焦结堵塞。

4.1 试验流程

现场试验流程选择和现场原有设备并联，试验流程见图4.原油先进入超声波撬，经过超声波降粘处理后，进入超声波螺旋扁管换热器设备，进行加热处理，处理之后的原油回到终端流程。热油直接进入超声波螺旋扁管换热器对原油进行加热，然后回到终端流程。

图4 螺旋扁管换热器试验流程

试验流程参数如下：

入口原油温度：75～80℃；入口热油温度：120～130℃

原油处理量：20 m3/h；热油处理量：20 m3/h.

4.2 试验数据分析

换热器堵塞在试验数据方面的表征，表现在两个方面。首先，换热器焦结堵塞后，换热效率降低，导致换热器原油进出口温差变小；其次，换热器焦结堵塞后，换热管内流体流动不畅，流动阻力变大，导致原油进出口压差变大。所以重点关注试验流程的温差以及压差数据的变化。

图5中所示是超声波螺旋扁管换热器在现场运行三个月内的温差及压差数据。

图5 现场试验数据分析图

随着试验的进行，温差稳定在一个区间内，并且后期的温差比前期有所变大，即换热效率有所提高；图中压差也稳定在一个范围内，并且随着温差的变大，压差有所减小，即在试验进行三个月之后，换热器没有结垢堵塞。

4.3 开罐检查结果

为了更直观地了解换热器的结构状况，在试验三个月之后，拆开换热器封头，观察换热管的结垢堵塞情况。

图6为试验前后换热管对比图。由图6可以看出，试验前换热管表面粗糙、有锈蚀，试验后的换热管，表面光滑，并露出金属材质光泽。这充分说明了超声波对清除管道表面污垢的作用十分明显，也正是因为对换热管上附着的锈蚀清除掉，使换热器的换热效率有所提升、换热管内原油流动更通畅，表现出来的结果就是试验后期的试验温差大于试验前期的温差、试验后期的压差小于试验后期的压差。

图6试验前后换热管对比图

图7 为试验后的换热管图片，表面有少许浮油渣，用抹布很容易就擦去浮油渣，露出换热管的本来颜色，且换热管上没有结垢及污油泥附着。这说明在超声波的作用下，螺旋扁管中的含聚原油的粘度降低，原油中

图7 试验后换热管图片

5 结束语

利用超声波来进行防垢除垢，目前还没有广泛应用于海上平台，而螺旋扁管换热器作为一种新的换热设备，也还没有应用于油田石油行业。通过对超声波螺旋扁管换热器工艺的研究，探索了利用超声波和螺旋扁管换热器的结合来拟解决海上平台换热器的结垢堵塞问题的可能性。

现场试验表明，超声波螺旋扁管换热器工艺对提升含聚原油温度的效果十分明显，且没有结垢堵塞。超声波技术与螺旋扁管技术相结合，可以有效解决现场应用中换热器的焦结堵塞问题。

[1]王方.超声波降低原油粘度的室内试验研究[D].东营：中国石油大学（华东），2010.

[2]应崇福.超声学[M].北京：科学出版社，1990：513－522.

[3]李晓东，刘传绍.超声波清洗技术的研究与应用现状[J].清洗世界，2009，25（1）：28-31.

[4]郭洪光，高乃云，姚娟娟，等.超声波技术在水处理中的应用研究进展[J].工业用水与废水，2010，41（3）：1-4.

[5]刘春阳，刘柳.超声波技术在废水处理中的应用研究[J].污染防治技术，2009，22（6）：62-66.

[6]谢学群.超声在污水处理中的应用[J].污染防治技术，1998，11（3）：11-12.

[7]薛大伟.超声波管道防垢[J].油气田地面工程，2013，32（9）：146.

[8]郎东磊，王峰，吴婷婷.超声波在线除垢技术在催化裂化装置油浆系统中的应用[J].石油炼制与化工，2011，42（12）：23.

[9]车春媚，王浩，王辉.超声波在线防垢除垢技术在换热设备上的应用[J].化工设备与管道，2016，53（1）：35-38.

Process Design and Application Tests of the Ultrasonic Spiral Tube Heat Exchanger in Offshore Polymer Flooding Oilfields

WANG Ji-liang，WANG Xiao-fei，ZHAO Li-quan，GONG Chen-jun
（CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

In the offshore polymer flooding oilfields，such as SZ36-1 oilfield，LD5-2 oilfield and LD10-1oilfield，the heat exchanger of crude oil system is blocked seriously，which results in short heat exchange cycleand frequent heat exchanger cleaning.In view of the above problems，the ultrasonic spiral tube heat exchangertechnology was developed and field test was carried out in SZ oilfield land terminal.The process integrates thecavitation effect，vibration effect，and thermal effect of ultrasonic wave and the heat enhancement transfer and anti fouling effect of the spiral flat tube，which avoids all the problems of the existing heat exchangers，in the heating process of crude oil containing polymer by the ultrasonic spiral flat tube heat exchanger.Field test results showthat the ultrasonic spiral tube heat exchanger technology is especially effective to enhance the temperature of crude oil containing polymer，with no scaling plug.

ultrasonic anti-scaling；spiral flat tube heat exchanger；coke blockage

TE965

A

1672-545X（2017）03-0083-04

2016-12-15

王继良（1981-），男，天津蓟州人，本科，工程师，主要从事油田增产增注措施和三次采油技术研究和现场应用等工作。