空穴射流技术在橇装增压装置清垢中的应用

熊小伟，王 军，崔雪琳，崔文喆，侯艳红

（1.中国石油长庆油田分公司第三采油厂，宁夏银川 750001；2.中国石油长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古鄂尔多斯 017399；3.中国石油长庆油田分公司第八采油厂，陕西延安 717600）

空穴射流技术在橇装增压装置清垢中的应用

熊小伟1，王 军1，崔雪琳2，崔文喆3，侯艳红1

（1.中国石油长庆油田分公司第三采油厂，宁夏银川 750001；2.中国石油长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古鄂尔多斯 017399；3.中国石油长庆油田分公司第八采油厂，陕西延安 717600）

因集成了常规增压站点油气分离、缓冲、加温、增压等功能，橇装增压集成装置内管线密度高，弯头使用数量多，导致盘管内壁易沉积垢质。装置内盘管结垢后将影响原油的正常流动、加温和增压外输，结垢严重时会导致装置管线堵塞，站点功能无法发挥正常。利用水力空穴射流技术能彻底清除附着在橇装增压集成装置盘管内壁的坚硬、难溶的硫酸钡锶垢，且施工时间短、效率高、无环境污染。从姬源油田H区现场应用效果来看，增压装置清垢后能较大幅度提高盘管换热效率，降低装置系统压力，延长盘管使用寿命，降低生产成本，具有一定的推广应用前景。

橇装增压装置；空穴射流；物理清垢

数字化橇装增压集成装置将加热、分离缓冲、油气分离、油气混输等功能集于一体，有效解决了姬源油田H区块因区块管辖范围大、油井分散，建增压站点征地难度大、工程投资费用高、建设周期长等问题。但因其采用橇装紧凑化设计，装置内部集输管径小、弯头使用数量多，在生产运行过程中极易引起管线结垢等问题，既造成了能源浪费又影响了原油加温外输及正常生产。

1 结垢情况

H区块内各橇装增压站点均接收长8、长9等油层产出液体，由于地层不同，原油成分不同，流体配伍性差且含水高。混合后站内设备结垢严重。流体进入站内阀组总机关后混合，阀组下游的管线几乎全部存在结垢现象，从阀组出口的观察短节看，结垢速度约为15 mm/a，部分设备甚至在2个月后就出现了被完全垢堵死的现象。

1.1 结垢机理

当成垢离子含量超过溶度积时，在一定的温度、pH值条件下，就会有垢生成。如随着硫酸根、碳酸氢根、镁离子、钙离子、钡离子、锶离子等结垢离子含量的增加，结垢程度会增大；但随着钾、钠离子等非结垢离子含量的增加，结垢程度会有所减小。在一般情况下，随着温度的升高、pH值增高，结垢量会增加。

垢的形成较为复杂，过程通常如下：水中成垢离子结合形成溶解度很小的盐类分子，分子结合后排列形成微晶体，大量晶体堆积长大，在不同条件下，会形成不同形状的垢。

1.2 离子分析

H区长8、长9地层水型均为CaCl2型，但长8地层中Ca2+含量高达7 944 mg/L，在与长9地层水在不同比例下混合时，会与其SO42-结合生成CaSO4的沉淀。同时，在一定的条件下，SO42-还会与混合的地层水中的Ba2+、Sr2+，有机物，细菌以及泥沙相互组合，最终形成各种化合物并析出粘附于管壁上。化合物在高温高压的条件下会发生物理化学变化，如形成结构非常致密、硬度较高的BaSO4，SrSO4的无机垢质及有机沥青胶质（见表1）。

表1 H区块地层水质监测数据

如H区块内某增压站点结垢管线内垢样组成为：含硫酸钡61.6%、硫酸锶19.2%、硫酸钙5.2%，属典型的硫酸钡、锶混合型酸不溶垢。

2 清垢技术现状

若装置内盘管结垢，管线阻力增加，装置系统运行压力增高，原油外输也会受影响；另一方面，为了保证原油出口温度，需要提升加热炉炉腔内温度，又会减少加热炉火管及烟管的使用寿命。当橇装增压集成装置系统压力增高，换热效率降低时，可能导致装置加热功能停用，因此需要及时对其内部管线、盘管进行清垢。

2.1 化学清垢

橇装增压集成装置内部管线、盘管清垢曾经采用化学方法，即利用酸液配方与盘管内的无机、有机垢发生化学反应。当反应完成后，垢质脱落、溶解于酸液中。再通过加入适量碱液中和后，用清水反复冲洗管线。化学清垢方法虽然操作容易，但施工过程中酸液会腐蚀损坏管线、还可能会产生有毒、有害的H2S气体，造成空气污染及施工人员中毒事故，而且化学清垢还存在施工周期长、效率低等问题。

2.2 高压水射流清垢

该技术基本原理是利用高压柱塞泵将普通清水加压到15 MPa～150 MPa，然后通过1 mm～2 mm喷嘴的孔径，产生200 m/s～500 m/s高速水射流。能量高度集中的高压水射流连续不断地作用在被清洗的管道内壁产生巨大冲刷力（拉伸力）和磨削（切向力），引起管线内的垢质从其裂缝及孔隙处开始破碎、脱落，最终随水流排出。该技术具有成本低、效率高、无污染、不损坏管线、设备等优点。但只有当高压水射流的压力大于垢质本身的耐压强度时，垢质才会产生破裂、脱落。

2.3 水力空穴射流清垢

该技术采用流体力学领域中的“空穴效应”原理，利用在堵塞管线中放入的特制清垢器，水流在通过交错叠加的韧性叶片间隙时流速升高，压力降低，产生空化气泡，引发空穴效应。而空化气泡溃裂的瞬间，径向上内流会产生极高的微射流，无数的微射流汇聚成冲击波，形成对固体边界的高速冲击，从而破坏管壁上沉积物与垢质。同时在水流的推动作用下，清垢器周围一直会形成空化气泡，达到了垢质被连续剥离，最终达到管线清垢的目的，且清垢器尺寸较小，弹性压缩形变大，通过能力强，适用范围广[1，2]。

3 现场应用与效果分析

由于H区各站点橇装增压集成装置内管线垢样为不溶于强酸、强碱的硫酸盐垢，且垢质坚硬，采用传统的化学清垢及高压水射流清垢难以凑效，所以计划在z1等6个橇装增压站点试验水力空穴射流清垢。

3.1 施工工序

水力空穴射流物理清垢时需要配套水泥泵车、罐车等特种车辆。水泥车上三缸柱塞泵额定压力为15 MPa，额定排量为30 L/min，使用清垢工作液为清水。清垢时，实际工作压力可根据需要进行调节。

清水由水箱经柱塞泵加压变成高压水，再通过高压软管到达清垢器。高压低流速水流在通过交错叠加的韧性叶片后引发空穴效应，从而剥离、去除管壁上的垢质。清垢器依靠水流的推进作用在管道内自动向前移动[3-6]。管壁清除下来的部分污质也随水流清出管外，其主要施工过程如下：

（1）组织施工人员（包括水泥车、罐车司机、现场施工人员等），进行全过程安全风险识别教育，以保证施工过程中不发生中毒窒息或人员伤害事故；

（2）现场检查确认无误并确认已具备施工条件后开始施工作业；

（3）先停止装置运行，打开旁通，确保进液、外输流程断开后再将橇装增压集成装置进油盘管泄压放空；

（4）水泥泵车入口管线与备水罐车出口相连接，同时将盘管进口与水泥泵车出口管线相连接、盘管出口与空罐车上排污管线入口相连接；

（5）启动水泥车，用水清扫盘管。清扫时观察压力变化，并判断盘管是否有破损；

（6）在橇装增压集成装置盘管进口安装清垢装置、排污管线末端安装接收装置；

（7）启动水泥车，推动盘管中的清垢装置至接收装置，运行压力控制在2 MPa以内，超此压力应停止清垢作业；

（8）每次清垢完成后，注意观察盘管进出口断面垢质残余量和盘管出口流体内垢质含量；

（9）依据现场盘管内结垢程度及出口流体内垢质含量，多次重复清垢；

（10）在管线清垢完毕后，恢复流程，在管线不渗不漏后，恢复设备运行。

3.2 效果分析

H区z1站内橇装增压集成装置内管线结垢平均厚度达20 mm且较致密，导致管径变细、系统压力升高（0.5 MPa至1.1 MPa），换热效果差（来液进口温度18℃，出口35℃），集输系统运行困难。

在实施空穴射流物理清垢时，清出垢量先为沥表蜡质有机垢，后为硬质无机垢。清垢完成后，管线进出口均无垢质，橇装增压集成装置进出口管线内径恢复率达95%以上，且设备运行压力降低至0.5 MPa，来液出口温度上升至45℃，其加热炉的换热效率有较大幅度提升（见表 2，图 1）。

表2 清垢效果统计表

图1 z1站橇装增压集成装置清垢效果对比图

4 经济评价

H区采出层位多，流体配伍性差，结垢速度较快，站内橇装增压集成装置管线与盘管结垢非常严重，新换盘管少则3个月多则半年，就形成厚达10 mm～20 mm的垢层。站内虽采用添加阻垢剂、配套地面电磁防垢器等措施，但效果并不明显，只是在一定程度上延缓了结垢速度，最终只能靠更换盘管来维持运行，成本投入较高。

若未使用水力空穴射流技术清垢前，装置内盘管每年更换1次、预计每台次费用在8万元/年；而使用该技术后，每台次费用仅为2万元/年，每台就可节约成本6万元/年。清垢后，设备立即投入运行，既缩短了工期、又节约了资金，取得了很好的经济效益。

5 改进建议

采用水力空穴射流技术对橇装增压集成装置内管线、盘管进行清洗除垢时，在施工前必须弄清垢质类型、管径等详细情况，优选清垢装置尺寸及参数，充分考虑施工过程中的不确定因素，保证施工的正常进行，尽量减少对生产的影响。

（1）经过对几种清垢方式比较发现，各种除垢方式均有一定的适用范围。后期可针对垢质类型，采用一种或多种工艺，以达到最佳的防垢效果：如针对硫酸钡锶垢等类型，可以试验化学清垢与物理清垢相结合的方法，提高清垢成功率。

（2）因装置内管线、盘管的形状较为复杂，转角较大（U形管或螺旋管），在设计水力空穴射流清垢装置时应选用内径合理、弹性较大、收缩性较好、耐冲蚀的柔性叶片，以提高其通过能力，减少施工周期，保证清垢效率。

6 结语

H区块多层系复合开发中导致设备结垢严重，水力空穴射流清垢技术克服了传统化学清垢带来的管线腐蚀及环境污染问题，高效地解决了装置盘管结垢，设备运行压力上升，造成站点运行困难等问题。该技术不仅大大降低生产设备内盘管的更新维护费用，延长了设备的使用寿命，同时可为油田生产系统节能降耗提供有力保障，对于降低油田改造投资、保证安全生产具有重要的意义。

（1）空穴射流清垢技术具有清洗速度快，安全可靠、清垢彻底（对于较软垢质，除垢率可达95%以上）的特点，装置在清垢完成后，换热效率显著提高，具有较高的推广价值。

（2）对于垢质硬度大，水力空穴射流清垢效果并不理想时，应考虑化学溶垢与物理清垢相结合的方法。

（3）站点应依据结垢情况，优选防垢、除垢相结合的工艺体系，延长站内设备管线结垢的周期，降低站点维护运行成本。

［1］王振东，张伟哲.空穴射流清洗技术在加热炉上的应用［J］.油气田地面工程，2011，30（12）：80-81.

［2］刘力，张伟亚.空穴射流清垢技术在靖安油田的应用及效果［J］.中国新技术新产品，2012，（23）：117-118.

［3］谭波，丁燕.改善真空炉结垢现状工艺研究［J］.石油化工应用，2012，31（7）：96-98.

［4］周建新.水套加热炉盘管结垢解析［J］.内蒙古石油化工，2012，（23）：22-24.

［5］李世荥，王宏伟，岳潘东．油水井清防垢工艺技术研究［J］.油气田地面工程，2008，27（11）：32-33．

［6］余兰，高英杰，余宏伟，等．超声波防垢措施及效果分析［J］.油气田地面工程，2009，28（10）：16-17．

Application of hydraulic hole jet technology in skid mounted supercharging equipment descaling

XIONG Xiaowei1，WANG Jun1，CUI Xuelin2，CUI Wenzhe3，HOU Yanhong1
（1.Oil Production Plant 3 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yinchuan Ningxia 750001，China；2.Gas Production Plant 3 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Erdos Innermongolia 017399，China；3.Oil Production Plant 8 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yan'an Shanxi 717600，China）

Skid mounted supercharging equipment integrates oil gas separation,buffer tank,heating,pressurized functions of traditional station,therefore it has a high pipeline density and tube bending use,leading to serious scaling trend in gathering pipelines.And serious scaling will cause pipe blockage,even lose the normal function.Hydraulic hole jet technology can apply to remove hard acid-insoluble barium strontium sulfate scale on the pipeline wall of skid mounted supercharging equipment.The descaling process has many characteristics including shortly time,safe,complete thoroughly,efficiently,and pollution-free.After descaling,the heat changing efficiency between crude oil and pipelines improving,and the equipment operating system pressure reducing.This could result in prolonging the life of equipment and cutting the cost of production down,and valuable for spread.

skid mounted supercharging equipment；hydraulic hole jet；physical descaling

TE358.5

A

1673-5285（2017）10-0086-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.022

2017－09-29

熊小伟（1985-），2011年毕业于西南石油大学油气田开发工程专业，现为采油三厂采油工艺研究所注水室工程师，主要从事油田开发工作。