防垢技术应用论文（共8篇）
防垢技术应用论文 篇1
0 引言
纯梁油田主要以低渗透油藏为主, 低渗透油藏探明石油地质储量1.3947×108吨, 占采油厂已探明储量的63.2%。面对储层物性差的低渗透油藏, 结垢更是对纯梁油田的开发造成严重的影响。主要表现在:一是油井管柱结垢严重, 造成作业工作量和作业费用增加;二是储层结垢日益严重, 影响油井的生产和注水井的注水。纯梁采油厂油井每年因结构检泵作业520井次左右, 相应造成的更换油管数量达1.4万多根, 更换抽油杆约1.3万根以上, 造成的直接经济损失约1 300多万元。水井作业转大修中60%是由于腐蚀结垢造成套破或拔不动管柱引起, 增加作业维护费用亦在1 000多万元。
因而除垢工艺显得尤为重要。作业过程中发现, 井筒下部结垢较上部明显, 垢物沉积呈倒梯形分布, 特别是炮眼部位结垢尤为严重。从垢样分析统计来看, 碳酸盐垢占到近50%, 是主要的垢型;从区块结垢油井的生产情况来看, 当油井综合含水上升到近40%或以上时, 结垢非常明显, 表现为:油井液量下降、作业时下探管柱遇阻、磨铣后冲出大量垢, 酸洗后增液明显。
1 酸洗除垢有效期短
对于结垢严重的井, 酸洗除垢存在着有效期短, 结垢周期短的问题。以樊41块为例, 该块垢型为CaCO3垢, 7口油井中, 有2口井 (樊41-3、樊41-16) 结垢严重, 1年左右的时间实施了3次酸洗, 但酸洗有效期仅为3~7个月。
2 除垢防垢一体化工艺
针对结垢严重井, 酸洗有效期短的难题, 通过广泛调研以及与大学院校的合作, 探索应用了新的防垢方式, 即挤注法防垢, 并且配套形成了除垢防垢一体工艺, 该工艺的具体工序流程为:井筒磨铣处理垢→酸洗清除地层垢, 使地层充分裸露→排残酸→挤注防垢剂→挤顶替液→关井48~72小时, 使防垢剂充分吸咐于地层→下泵完井。
除垢防垢一体化工艺最关键的优先高效的防垢剂, 应用的防垢剂是有机膦酸盐, 通过大分子中的П键和带负电的地层相互吸引, 吸附在地层表面, 随着采出液缓慢释放出来, 抑制地层水中的钙离子生成沉淀, 达到长效防垢的目的, 延长油井生产周期, 增加产量。
2.1 该工艺实现了两个技术创新
1) 变“只除垢, 不防垢”为“防治结合”的垢处理模式:在提高油井产量的同时, 延缓油层、井筒结垢速度, 延长油水井的作业周期;
2) 变“井筒加药防垢”为“油层挤注防垢”:可以长效抑制地层与井筒内碳酸盐垢的形成, 提高了防垢剂的利用率, 延长了防垢的有效时间, 同时避免了井筒加药中人为因素的影响。
2.2 典型井例:樊41斜1井
F41X1实施效果分析2008年11月份, 该井累增油5 531t。
从防垢剂返排曲线来看, F41x1井效果较好, 返排的防垢剂能在较长时间内保持较高浓度, 240天后还能保持50 mg/l左右, 大大延长了结垢周期。
从该井2006.08~2008.03的生产曲线来看, 挤防垢剂后生产一直很稳定, 虽然该井2006.9.17~19日检泵一次, 但产量并没有下降, 也就是说并不是因为结垢引起产量下降而检泵的, 这也说明了该井地层挤入防垢剂后防垢效果很好。
2.3 应用情况
除垢防垢一体化工艺在樊41块实施取得了较好的增油阻垢效果, 从2008年开始, 该工艺相继在樊108块、纯69块、纯32块等结垢严重的区块推广应用20井次, 实施该工艺后, 结垢周期由原来的3~7个月延长至6~12个月以上, 累计增油7 986t。
3 认识及建议
1) 通过对应用该模式治理井生产情况和阻垢剂返排情况的跟踪观察, 该块治理井都见到了较好治理效果, 挤入防垢剂后酸洗有效期明显延长。
2) 磨铣、酸洗除垢、挤入阻垢剂防垢的防治一体化模式适用于碳酸盐垢区块的结垢治理, 具有推广应用的价值。
参考文献
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[3]陈月明主编, 油藏工程研究进展[M].石油大学出版社, 2000.
防垢技术应用论文 篇2
关键词： 方波； 变频； 电磁场； AVR单片机
中图分类号： TN 712文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.016
An electromagnetic device with frequency conversion for
fouling control and removal
HOU Honglu， QI Jingjing， HUANG Dingjin
（School of Optoelectronic Engineering， Xi’an Technological University， Xi’an 710021， China）
Abstract： A kind of circuit based on square wave is designed to solve the problem of equipment corrosion caused by fouling in the pipeline. The square wave with variable frequencies is generated by AVR micro controller unit. After being processed through the driving circuit， the electricity signal driving the coil produces a magnetic field. Under the effect of electromagnetic， dirt ion is removed from the pipe wall. Experimental results demonstrate the square wave with the frequency conversion from 0 Hz to 6 MHz. The duty ratio is fifty percent and the driving power is 72 W. The equipment has high efficiency and wide applications and is easy to installation. Besides， the power consumption is low.
Keywords： square wave； frequency conversion； electromagnetic field； AVR micro controller unit
引言日常生活和工业生产中水垢现象非常普遍，如不加以预防处理，危害极大。传统的化学除垢方法虽效果明显，但由于引入了其他有害杂质，且化学药剂本身存在着安全隐患，因而，不适合于人类日常生活中管道的防垢与除垢。物理除垢是用声、光、电、磁等技术及其相应设备来改变水中各种离子和分子的运动状况，实现除垢、防垢的目的，由于其具有节能环保的优势因而引起了人们的广泛关注[1]。目前，常用的物理防垢除垢方法有超声波处理法，磁化处理法，静电场处理法以及电磁场除垢法[2]。超声波防垢除垢需要复杂的超声波发生装置，磁化处理法的磁场稳定性差，静电场处理法需要额外电能产生电场，而电磁场除能够有效除垢防垢外，还能对水质起到杀菌、灭藻的作用。本文基于电磁场除垢机理，将频率连续变化的电信号送入缠绕在管道上的漆包线圈，产生变化的电磁场。在电磁场作用下，污垢离子脱离管道壁，实现防垢除垢目的。1变频电磁防垢除垢机理水垢的主要成分为碳酸钙和碳酸镁。水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成，通常80%的水分子以氢键缔合成水分子团的形式存在，这种水分子团对碳酸钙的溶解度较低，使水垢很容易析出，并附着在管道内壁。当电磁场振动频率同水分子自然频率相同时将产生共振现象，使氢键断裂，水分子变成单个极性水分子。该微小水分子可渗透、包围、溶解水系统中形成的垢层，同时使悬浮在水中的钙离子和镁离子形成特殊的文石碳酸钙晶体，其表面无电荷，无法在管道上吸附[35]。不同环境下水温、硬度、黏度、pH不同，其共振频率也不相同。变频电磁防垢除垢系统可产生频率不断变化的电磁场，不同条件下的水分子与频率不断变化的电磁场产生共振，达到防垢除垢的目的。光学仪器第37卷
第2期侯宏录，等：一种防垢除垢的变频电磁场发生装置
2变频电磁防垢除垢系统方案理论分析与实验结果表明，方波信号的防垢除垢效果较之其他信号更为明显。原因在于：首先，方波的变化更为剧烈，所产生的电磁场能对水中的离子和分子产生较大的扰动；其次，方波信号含有丰富的谐波成分，使水分子团与外加电磁场实现共振的机率更大[4]。因此本系统选用30 min内频率从0 Hz～6 MHz连续变化的方波作为驱动信号，系统以72 W的输出功率驱动线圈产生变化的电磁场。系统原理框图如图1所示，主要由AVR单片机ATmega16、按键控制模块、串口通信模块、光耦隔离电路、驱动电路及线圈组成。按键开启后系统上电，AVR单片机产生两路PWM波信号[67]，由于AVR
图1电磁除垢防垢系统原理框图
Fig.1The diagram of electromagnetic prevention and
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foulingremoval system
图2电源模块原理图
Fig.2The diagram of power module
单片机产生的方波信号其负载能力低，不能直接驱动负载线圈，需要利用驱动电路对AVR单片机产生的信号加以放大。为了提高系统稳定性和可靠性，AVR单片机和驱动电路之间设计光耦隔离电路实现信号隔离[89]。驱动电路对信号放大并传输至线圈产生电磁场。串口通信模块将AVR单片机PWM波信号参数发送给上位机，供工作人员配置波形参量。3变频电磁防垢除垢系统电路设计
3.1电源模块整个系统外部输入36 V直流作为电机驱动电源，采用LM2576电源芯片将其转换为5 V直流后为AVR单片机、串口通信电路、ISP下载电路、光耦隔离电路供电。图2为电源模块原理图。输入端旁路电容C1选择470 μF的铝电解电容防止出现大的瞬间电压。输出端续流二极管选择开关速度快、正向压降低、反向恢复时间短的肖特基二极管，储能电感有高的通流量，C2选择470 μF钽电容用于输出滤波以及提高环路的稳定性。
3.2基于AVR单片机的控制电路设计图3为ATmega16单片机工作最小系统，通过配置代码，单片机输出端口PD4、PD5产生两路相位相反的PWM波[6]。
图3单片机工作最小系统
Fig.3Micro controller unit system
ATmega16作为主控芯片，其外围电路包括晶振、复位电路、ISP下载电路、串口通信电路。选用12 MHz晶振为单片机提供工作时钟。单片机程序运行发生错误时，可由复位电路恢复处理器至初始工作状态。ISP下载电路实现单片机的程序烧写。对于AVR单片机，当RESET为低电平时，可以通过串行SPI接口对其片内的Flash程序存储器进行在线编程。配置代码时，PC机与AVR单片机属于主从关系，PC机为主机，单片机为从机。主机发出的串行数据经MOSI引脚传入从机，由从机返回的数据经MISO引脚传向主机。SCK为串行时钟脉冲，由主机发往从机，主机通过SCK脉冲控制与从机传输数据。AVR单片机产生的方波信号通过串口通信模块发送给上位机，检测人员判断方波信号的频率、占空比及高低脉冲宽度是否符合要求。单片机输出为TTL/COMS电平，该电平规定逻辑0电平为0 V，逻辑1电平为5 V，计算机采用负逻辑的RS232电平，规定逻辑0电平为3～15 V，逻辑1为-15～-3 V，所以计算机与单片机之间通讯时需加MAX232电平转换芯片。
图4光耦隔离电路
Fig.4Opticalcoupling isolation circuit3.3光耦隔离电路光耦隔离电路选用单通道高速光耦合器6N137，其电路原理如图4所示。信号从引脚2和3输入，输入端有两种接法，分别得到反相或同相逻辑传输。本系统采用同相逻辑传输，引脚3接输入信号，引脚2接高电平。单片机输出两路PWM波通过两路光耦隔离电路，方波信号由引脚3输入，输出为Port2。
3.4驱动电路单片机产生的电流无法满足线圈产生电磁场的要求，设计驱动电路对线圈前端信号进行放大，可提供给负载的最大电流为2 A，电压为36 V。本系统选用步进电机专用控制器L298作为驱动电路主芯片，图5为驱动电路原理图。使能输入端ENA接AVR单片机PD3口，当PD3口为高电平时芯片使能，引脚5和7为输入端，分别接两路方波信号，引脚2和3为输出端用来连接负载线圈。当L298从工作状态转换到停止状态时会形成反向电流，电路中的4个二极管起到保护芯片的作用。
3.5电磁转换电感线圈将驱动电路输出的电信号转换为对应的幅值调制磁信号。本系统中的电感线圈是由直径为1.5 mm的漆包线在直径40 mm的铜质管道上单层绕制500匝。通电线圈内的方波电流在管道内部产生变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场产生变化的电场，在管道内形成变频电磁场。图5驱动电路
Fig.5Driving circuit
图6电磁防垢除垢电路实物
Fig.6The photo of electromagnetic prevention
and foulingremoval system
图7电磁防垢除垢电路程序流程图
Fig.7The flow chart of the program for electromagnetic
prevention and foulingremoval circuit
4系统电路板级实现
4.1电路布局布线电磁防垢除垢电路电源线和地线形成电流回路驱动整个电路系统，流经电流较大，应尽量减小导线的分布电阻，同时为了得到较为平坦的零电势点，增大电源线和地线宽度为0.75 mm。在元器件布局过程中考虑到LM2576电源芯片工作时发热量高，放置该芯片于PCB板靠近边缘处，且在LM2576芯片的下方添加焊盘加快散热速度。考虑到电磁兼容性及电路内部模块之间相互干扰，在便于信号流通的前提下，将各信号处理芯片分散排布于整块PCB板上。为了减少外界噪声干扰，PCB板上滤波电容放置于距离芯片信号输入管脚处，对PCB电路板进行覆铜，外加屏蔽壳处理。图6为电磁防垢除垢电路实物图。
4.2代码设计电磁防垢除垢电路程序流程图如图7所示。本系统选用16位定时器/计数器，工作模式为占空比和频率均可调的相位修正PWM，该模式下的PWM频率f可由如下公式获得，即f=fclk2·N·TOP式中：fclk为时钟频率；N为预分频因子（18、64、256或1 024）；TOP为计数器计数序列的最大值，其值可以为固定值0x00FF、0x01FF、0x03FF，或是存储于寄存器OCR1A或ICR1里的数值。5系统性能测试及分析
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5.1变频信号特征检测用示波器跟踪检测，得到占空比为50%，频率在0 Hz～6 MHz随时间变化而变化的方波信号。图8和图9是利用示波器检测到电磁信号发生装置在30 min内两个时间点的波形图。两幅图中的信号均为方波信号，时间差为12 min，频率由174.062 kHz变成2.515 MHz，满足变频特性。
图8频率为174.062 kHz信号波形
Fig.8The waveform of the signal with
174.062 kHz frequency图9频率为2.515 MHz信号波形
Fig.9The waveform of the signal with
2.515 MHz frequency
5.2电磁场特性检测图10为方波信号从0 Hz～6 MHz变化过程中，利用高斯计对管道中心位置的磁场强度进行测量的结果。由图10可知，方波频率在500 kHz以内时，磁感应强度随着方波频率的增大而增大；当方波频率大于500 kHz时，磁感应强度在0.8～1.2 mT范围内波动。说明通电后的电感线圈产生了电磁场，且达到稳定后电磁场强度维持在一定范围内。
5.3除垢防垢特性检测选用铜管作为水流管道，试验前标记水管质量。使含有碳酸钙和碳酸镁的溶液流过水管并形成水垢[10]，再次记录水管质量并计算结垢量为2.5 g。将变频电磁场发生装置安装在测试水管上，每隔3 h测量一次水管质量。得到除垢量与时间的关系如图11所示。从图11可以看出，该装置连续除垢接近20 h时，除垢量约为2.5 g且水管内部无新的水垢产生，达到了除垢防垢的目的。
图10方波信号频率与磁感应强度关系
Fig.10The relationship between the frequency of
the square wave signal and the magnetic induction图11除垢量与时间的关系
Fig.11The relationship between foulingremoval
amount and time
6结论
本文设计了一种基于AVR单片机的变频电磁信号发生电路，该装置克服了传统防垢除垢装置系
统复杂、效率低等除垢防垢效果不理想的弊端，解决了单一频率电磁信号无法实现变频共振从而引起除垢低效或除垢失败的问题。理论分析和实验结果均验证了防垢除垢系统方案的可行性，整个电路系统结构紧凑、功耗低、便于操作，仅需36 V直流电源即可正常工作。参考文献：
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（编辑：程爱婕）
油气田作业中化学防垢技术的应用 篇3
一、采气作业中的防垢
采气中后期, 伴随气藏水侵越来越严重, 采气作业必然是气水混采或气水同采, 这样井筒周围地层孔隙喉道及油管壁、地面储运设备内都存在结垢的可能。此时现场常采用的防垢方法有: (1) 控制合理的生产压差, 这势必要降低产量, 造成一定的经济损失; (2) 通过物理法或者化学法进行防垢。由于物理防垢工艺操作起来比较复杂且费用比较昂贵, 目前多采用的是由地面向井筒内注入防垢剂的化学防垢工艺。
二、防垢剂挤注技术
井下挤注技术是近十几年来发展起来的一项防垢技术, 最初主要是用来防钡锶垢, 后来逐渐扩展应用到防碳酸钙垢。下面详细介绍了井下防垢剂挤注技术。
1. 井下挤注技术的基本原理
井下挤注技术的基本原理是利用地面高压泵将防垢剂挤进目的层位一定深度, 在这之后最好能有段关井反应过程, 促使防垢剂能浸入地层更深地带, 开采过程中, 吸附在岩石表面或滞留于近井地层内防垢剂将缓慢释放并溶于地层流体, 从而达到防垢的目的。
2. 井下挤注用防垢剂的选择与评价
井下挤注技术对化学防垢剂的要求包括以下几方面:
(1) 与地层流体配伍性良好, 不与地层流体反应生成新的沉淀物。
(2) 在地层条件下稳定性良好, 并且容易进行微量检测。
(3) 防垢剂容易且能很好地吸附在地层内, 并能够缓慢解吸释放, 有效期限长。
(4) 防垢效率高。
(5) 从经济和环境角度考虑, 防垢剂的最低有效浓度还应尽可能低 (低限效应) , 且无毒、无污染。
3. 防垢剂的常规室内评价实验
(1) 与地层水匹配性实验
通过静态试管实验来研究防垢剂与地层水中离子和其他化学剂的配伍性。
(2) 防垢效率及最低有效浓度MIC实验。
测量最低有效浓度的常用方法主要有三种:静态瓶试验、电化学石英晶体微平衡法和动态管堵塞法。前两种方法测量简单, 但是结果不够精确, 推荐使用动态管堵塞法。
(3) 防垢剂寿命及热稳定性实验。
这里采用岩心驱替实验得出防垢剂返排速度与累积排液量之间的关系曲线, 根据曲线预测防垢剂现场使用寿命。
根据以上相关实验来确定挤注参数、工艺设计及现场使用。
4. 影响挤注处理效果的有关因素
影响挤注处理效果的有关因素包括以下几个方面:
1.注入的排量以及防垢剂的用量。
2.地层参数。包括产液量、含水量、水组分、地层复杂性及地层特性。
3.防垢剂吸附特性。
操作参数可以根据需要调整, 使挤注工艺达到最佳状态;地层参数是操作人员无法控制的;吸附特性是防垢剂和岩石体系固有的, 是特殊地层和防垢剂体系的内在特性。除非防垢剂本身改变, 否则作业者不能再改变这些特性。
5. 实例分析
防垢剂挤注技术在国内外已经逐步推广使用, 现以松南气田应用情况为例简单介绍下, 松南气田地层水属于Ca Cl2水型, 随着开采期不断延长, 地层水原始饱和状态被打破以后, 该区块碳酸钙结垢趋势日趋严重, 多口井短期内多轮次作业甚至被迫停产。后来我们结合大量室内试验, 经过反复摸索, 终于有了一套行之有效的防垢措施。目前, 我们采用的是SM608防垢剂, 该药剂是多种有机磷酸混合而成的复合酸, 具有很好的防垢效果, 投用初期挤注浓度为120mg/L, 挤注周期为一周, 在后续的摸索中, 我们将挤注浓度调为95mg/L, 挤注周期延长为15天, 依然能够满足正常生产。
结论
1.防垢剂挤注技术针对性以及可操作性都很强, 不同的油田根据自身的特点, 可以灵活掌控, 因而被国内外油田普遍采用。近年来, 国内外主要采用的是有机膦酸和聚合物羧酸混合而成的复合型防垢剂。
2.防垢剂挤注技术具有操作过程简单、可预防从地层至地面集输管线结垢、自动连续释放等优点。但是不能控制防垢剂在盐水回流中的浓度, 并且一旦挤注开始就不可改变浓度或化学剂。
3.防垢剂挤注技术需要配置与地层水配伍的前置液, 降低对地层的伤害, 可与其他作业工艺比如堵水等等同时进行, 共同发生协同作用。
参考文献
[1]朱义吾, 赵作滋等, 油田开发中的结垢机理及其防治技术[M], 陕西科学技术出版社, 1995.
[2]窦照英等, 实用无污染防垢技术[M], 化学工业出版社, 1999.
油管杆防腐防垢的研究与应用 篇4
1 油管杆腐蚀的因素
1.1 油管材质影响
通过油井油管油杆腐蚀资料进行有效分析, 从而了解了在相应的情况下, 由于油管材质的不一样, 油管受到腐蚀的程度也将不同, 从油管材质的化学成分分析来看, 油管中铬含量的增加将增加油管表面钝化膜的稳定性, 而钼含量的增加, 将减少Cl对油管中相应成分的破坏作用, 从而增强了油管的耐点蚀性。
1.2 H2S Cl-CO2影响
以发生腐蚀的油气井的腐蚀环境以及相应的腐蚀因素可知。在油管的使用过程中, 受到了腐蚀性气体H2S Cl-CO2以及硫酸盐还原菌等共同腐蚀作用的影响, 油管在含有酸性气体气井的腐蚀是电化学腐蚀, 也就是在金属与电解质溶液接触时, 由于金属表面呈现阳极和阴极区域, 阳极和阴极区域通过金属本身相互闭合形成了较多腐蚀微电池, 电化学的腐蚀就是通过金属上的阳极和阴极区域反应过程中进行的。H2S在水中的溶解, 也就是电离现象的产生, 致使水呈现出一定的酸性特征, 由此对油管油杆产生了电化学腐蚀, 其反应式为H2S=H++HS-, HS-=H++S2-阳极反应:Fe-2e=Fe2+;阴极反应:2H++2e H2;阳极反应产物为F e2++S2-Fe。在油井的电化学腐蚀反应中其化学反应的产物是硫化铁, 其与油管表面的粘结性较差, 对于油气井的正常生产有着严重的影响和危害。
2 油管杆防腐工艺技术措施
油管油杆的腐蚀在油气田的井下作业过程中是难以避免的, 油管和油杆的腐蚀将在很大程度上造成经济损失, 带来相应的安全隐患。近年来, 随着科学技术的不断发展和进步, 油管腐蚀的检测方式以及防止腐蚀的工艺也随之改善和进步, 无论在化学方式还是在油管以及油杆的材质改进上都有很大的发展和突破。
2.1 缓蚀剂保护技术
缓蚀剂也称为腐蚀抑制剂, 指一些用于腐蚀环境中, 抑制金属腐蚀的物质, 当添加少量缓蚀剂到腐蚀环境中, 将在金属以及腐蚀介质的界面上产生阻滞腐蚀反应发生的作用。从而能有效减缓或是阻止金属腐蚀的发生, 由于缓蚀剂的使用量较小, 其介质环境在性质上保持不变, 并且也不需要太多的辅助设备, 由此, 缓蚀剂的使用具有较强的适应性和经济性。缓蚀剂具有较多的类型, 而缓蚀剂的使用机理和效果不相同。当前, 相应的缓蚀剂在油管的防腐防垢中得到了有效应用, 降低了由于抽油杆磨损或是油管腐蚀而造成的故障, 有效降低了生产成本。
2.2 采用一次性永久封隔器生产完井管柱
对于腐蚀较为严重的油气井环境, 应采用一次性永久封隔器生产完井管柱, 并在油套环形空间中充满缓蚀剂液体, 从而避免了套管承受高压, 同时也避免了与酸性气体接触, 避免了对油管外壁以及套管内壁的腐蚀。由此建立了有效的油管防腐和防垢体系。
2.3 严格控制注水井注入水水质, 减缓注入水对管柱腐蚀
从理论上讲, 注水的最佳p H值应为7。一般情况下, 当p H值在4-10时, 腐蚀过程主要受氧扩散过程控制, 腐蚀速率不受PH值影响。在P H值不大于4的酸性范围内, 碳钢表面的氧化物覆盖膜将完全溶解, 致使钢铁表面和酸性介质直接接触。因此, 提高注水PH值, 可以解决酸蚀问题, 但不一定能解决其它腐蚀类型。当p H值在10-13的碱性范围内时, 随碳钢表面的p H值升高, Fe2O3覆盖膜逐渐转化为具有钝化性能的r-F e2O3保护膜, 腐蚀速率会有所下降。但是当p H值过高时, 腐蚀速率又会上升, 其原因是碳钢表面的钝化膜溶解成可溶性的铁酸钠 (Na Fe O2) 。
2.4 做好井筒防腐工作, 减缓管柱腐蚀
加与地层水相配伍的缓蚀杀菌剂是解决油井井下管串腐蚀的一种常用而有效的方法。其原因是通过缓蚀剂加入到产出介质中, 与金属体形成一种致密的保护膜, 使金属本体与腐蚀介质隔离开, 并起到润滑的作用, 以达到保护金属, 防止腐蚀而加剧偏磨的目的。
3 结语
根据油管杆的腐蚀防治经验来看, 缓蚀剂的使用能有效减缓油气井下油套管腐蚀最为经济有效的腐蚀防治措施, 通过对腐蚀剂进行配伍性试验, 实现了对缓蚀剂的评价、筛选和现场评价的试验, 通过相应的试验和研究, 选择合适的缓蚀剂类型。井下的施工作业应采用耐腐蚀油管, 从而能有效提高油管杆的抗腐蚀性能, 通过开展油管杆的腐蚀评价工作, 实现对不同类型油气井油管杆腐蚀资料的积累, 从而能从中归纳总结出更为完善的防腐防垢工艺措施。
参考文献
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[4]刘文娟.石油机械的防腐技术探析[J].中国新技术新产品, 2010, (11) .[4]刘文娟.石油机械的防腐技术探析[J].中国新技术新产品, 2010, (11) .
防垢技术应用论文 篇5
油田结垢一般是指在油田水中具有很小溶解度的难溶或微溶性的盐类物质在储层、管线及站点设备中形成密实的垢层。油田开发一旦进入注水开发阶段, 结垢就是一个伴随始终的严重问题, 且结垢的类型主要以碳酸盐垢和硫酸盐垢为主。
1.1 水质分析
通过对姬塬油田不同层位地层水样的六项离子分析, 可以看出地层水具有成垢离子种类多、矿化度高、非均质性强的特点, 洛河层和延10层为Na SO4水型, 长3、长4+5、长6、长8为Ca Cl2水型。
1.2 水质配伍性分析
姬塬油田开采三叠系延长组长2、长4+5、长6、长8油层, 水质分析得出地层水为C a C l2水型, 洛河层注入水水型为Na SO4。
1.2.1 地层水与地层水配伍性试验
长8、长4+5与长6在50℃下的配伍性良好。表明地层水之间配伍性较好。
1.2.2 地层水与注入水
注入水与地层水做配伍性试验, 结垢量做多可达到900mg/l, 配伍性差, 是导致地面系统结垢的主要原因。
1.3 垢质分析
从11个垢样的X-衍射分析结果可以看出, 油井因开采的层位不同, 侏罗系油井以碳酸钙镁垢为主, 三叠系油井及集输站点以硫酸钡锶垢为主。
1.4 结垢机理分析
姬塬油田结垢类型以碳酸盐垢及硫酸盐钡锶垢分为主。
1.4.1 碳酸盐垢成垢机理
常温下, 碳酸钙溶度积为4.8×10-9, 溶解度为0.05g/L, 通过试验可以看出碳酸钙溶解度会随着温度的升高和CO2分压的降低而呈下降趋势。
姬塬油田碳酸盐垢主要受生产过程中二氧化碳分压减小、地面集输系统的加热导致二氧化碳的析出;采出液由地层到井筒再到地面压力的渐次降低使碳酸钙溶解度逐渐变小而形成, 主要以Ca CO3、Ca Mg (CO3) 2形式出现, 其成垢的化学反应式如下所示:
1.4.2 硫酸盐垢成垢机理
硫酸盐结垢发生的诱因是不相容注入水与地层水的混合作用, 姬塬油田注入水与地层水配伍性较差, 注入水中具有大量的SO42-结垢性阴离子, 存在较强的结垢趋势, 且地层水中含有丰富的C a2+、B a2+、Sr2+等成垢阳离子, 注入水与地层水混合, 极易生成硫酸盐垢。主要是有C a S O4、Ba SO4和Sr SO4, 以Ba SO4最为多见, 硫酸盐从水中的沉淀反应如下:
Ba SO4的化学溶度积Ksp最小, 首先生成Ba SO4;其次Sr SO4的Ksp远小于Ca SO4的Ksp, 易于生成Sr SO4, 而Ca SO4较难生成沉淀。
2 高效阻垢剂的筛选
2.1 阻垢剂室内评价
应用ICP (等离子发射光谱仪) 通过测试钡离子含量, 按照SY/T5673-1993《油田用防垢剂性能评定方法》, 对8种型号的阻垢剂的稳定性进行了室内评价, 试验表明ZG-558、TH-60、JHYHP (室内药剂) 、YS-201四种药剂在40ppm时对硫酸钡锶垢的阻垢率可达到50%以上。
针对ZG-558、TH-60两种防垢率大于80%的阻垢剂分别开展注入水与长6地层水混合中Ba SO4垢阻垢试验和注入水与长8地层水混合中Ba SO4垢阻垢试验。
试验表明TS-09、TH-60两种阻垢剂对垢都具有一定的阻垢效果, ZG-558的阻垢率明显优于TH-60, 对Ba SO4垢阻垢性更高。
2.2 阻垢剂现场评价
为加深药品评价, 确保使用有效果, 在油田原油集输增压站开展四种阻垢剂的现场投加试验, 试验证实阻垢剂ZG-558防垢效果较好。
3 地面系统清防垢体系的建立
3.1 引进管线清垢技术
针对集输管网结垢严重, 化学助剂清理及人工更换难度大费用高的问题, 引进管线清垢技术对加热炉盘管及井组集油管线开展清垢试验, 效果良好。
3.2 集输站点配套加药装置
在15座站点配套安装了单罐双泵加药装置, 在总机关汇管处投加阻垢剂进行防垢, 加药浓度50ppm, 防治效果较好, 结垢速率由5.5mm/a↘1.0mm/a。
3.3 地面清防垢体系的建立
根据姬塬油田结垢现状及结垢机理, 按照“先清后防、清防结合、以防为主”的思路开展站点及管线清防垢治理, 建立地面系统清防垢体系:已建站点利用管线清垢仪彻底清垢后, 通过油维改造配套加药装置投加阻垢剂防垢;新建站点产建直接配套加药装置投加阻垢剂;集油管线利用管线清垢仪清垢后投加阻垢剂。
4 取得认识
(1) 结垢机理:姬塬油田结垢类型以碳酸盐垢及硫酸盐钡锶垢为主, 碳酸盐垢主要因为压力、温度变化而生成, 硫酸盐钡锶垢主要是因为地层水与注水配伍性差而导致。
(2) 阻垢剂筛选:T H-607B、T S-09、YS201、ZG-558四种药剂相比ZG-558防垢效果较好, 投加三个月后, 结垢厚度仅0.1mm, 防垢率达到98%, 适用于姬塬油田。
(3) 物理法清垢工艺:管线清垢仪清垢彻底、速度快、处理效果理想, 清理长输管线优势明显, 解决了常规药品对钡锶垢清理难度大、结垢管线更换频繁的问题, 但该工艺适用要求高, 受站内管网变径及T型口影响, 不适用于站点管网使用。
(4) 姬塬油田按照“先清后防、清防结合、以防为主”的思路建立了地面清防垢体系, 已建站点利用管线清垢仪彻底清垢后, 通过油维改造配套加药装置, 新建站点直接配套加药装置, 集油管线利用管线清垢仪清垢后投加阻垢剂防垢, 有效解决了姬塬油田地面系统结垢严重的问题。
摘要：姬塬油田多层系开发, 地层水矿化度较高, 且注入水与地层水配伍性差, 随着姬塬油田开发进程加快, 地面集输系统结垢问题日见普遍且逐年突出, 给原油生产及现场管理带来了诸多困难, 为有效解决姬塬油田结垢严重的问题, 积极开展清防垢治理研究, 通过水质、垢型分析得出结垢机理, 针对结垢机理筛选出了适合姬塬油田使用的高效阻垢剂;地面系统通过试验多种物理法除垢工艺, 配套加药装置, 优化加药位置, 建立了地面清防垢体系, 有效解决了姬塬油田结垢地面系统结垢严重的问题。
关键词：碳酸盐垢,硫酸盐垢,阻垢剂,管线清垢仪
参考文献
[1]赵福麟.采油用剂[M].石油大学出版社, 2001.116-143
管线脉冲射电防垢器的原理与应用 篇6
1结构特点
脉冲射电防垢器由主机、脉冲射电发生器两部分组成,其中脉冲射电发生器是其中的核心部件。应用现代脉冲电子开关技术设计的脉冲射电发生器,可产生一定频率的高压高强电磁脉冲,经输出端子藕合到极化换能器的内外电极之间,使之流过的水介质产生极化效应,达到水系统的防垢除垢作用。脉冲射电发生器在结构上采用了隔爆密封措施,因此可广泛应用于油田工业及化工等具有防爆要求的场合。这种水处理装置具有安装简便、体积小、不占用场地、运行费用低、不污染水质与环境、节约能源和人力等诸多优点,而且水处理流量可大可小,适用于天然存在的各种水质硬度条件,能确保水处理质量的可靠性,具有显著的技术经济效益。
2 工艺特性
脉冲射电防垢器具有体积小,重量轻,机电一体化,安装简便,使用方便,不占用场地,不污染水质与环境,处理流量可大可小,投资少,运行费用低,节约能源和人力资源等诸多优点。
(1)与离子交换法比较:离子交换设备体积大,投资高,运行管理严格繁琐,能耗大,对环境有污染,射电水处理体积小,费用低,管理方便,无污染。
(2)与化学防垢剂比较:化学药剂防垢效果不稳定,需反复投药,时间与剂量难控制掌握,对而射电防垢器一经安装,一劳永逸,操作只需接通电源,效果稳定,无任何污染。
(3)与无水处理措施比较:无水处理措施水垢自然生成,设备热交换效率逐渐降低,需定期化学清理,而采用射电水处理可避免设备清洗,提高设备效率和使用寿命。
(4)与化学清洗和机械动力清洗比较:设备清洗造成使用中断,费时费工又污染环境,射电水处理对设备无任何损害,不造成设备运行中断,不污染环境。
(注:资金投入计算依据100～250m3/h水系统为例)
(11)无故障运行保质期限:≥2年
3 现场试验与应用效果
射电脉冲防垢器于2009年10月份在注水站进行了安装,通过一段时间的使用,取得了较好的效果。
(1)掺水压差的变化
安装防垢器之后,我们对9#和2#的压差变化情况进行了跟踪。根据统计数据,可以看到,9#的管损压力已经由1.8Mpa下降到1.5Mpa,2#的管损压力由2Mpa下降到了1.8Mpa。管损压力的下降说明管线结垢趋缓,而且老垢也逐渐融解,管线过流面积增大。
(2)挂片重量的变化
为了更直观的观察防垢器的防垢清垢作用,我们进行了挂片试验。在安装防垢器前,首先对目标管线的结垢情况进行了评价。我们于2009年3月安装了两个挂片,到2009年的9月,历经6个月,两个挂片分别增重1g和1.1g,挂片表面可以看到较为明显的垢物。安装防垢器后,我们又于2009年10月份安装了挂片,到2009年4月,历经6个月,两个挂片分别增重0.1g和0.3g,挂片表面垢物不明显。可见,虽然本次挂片安装时间与措施前相同,但其表面结垢量少的多,防垢器作用明显。
(3)经济效益评价
一台脉冲射电防垢器价值5万元,年用电费用仅为2000元,虽然投入不多,但产生的效益是巨大的。通过射电脉冲防垢器的应用,注水站掺水管线的结垢情况得到了很好的抑制,并且老垢也逐渐松散脱落。这一方面减少了化学防垢剂和阻垢剂的使用量,节约大量成本。并且由于掺水效率的提高,保证了油井的正常生产,产生了巨大的经济效益。
4 结论
(1)脉冲射电防垢器结构简单、安装方便,使用过程中不需要额外维护。
(2)脉冲射电防垢器具有能耗低,防垢效果好的特点。
(3)脉冲射电防垢器与化学方法防垢、清垢相比,不会对管网造成腐蚀破坏、且工人劳动强度要小的多。
(4)脉冲射电防垢器在使用过程中,不会产生污染环境的副产品,可以保证绿色运行。
摘要：本文针对油田水井管线结垢严重的问题,通过调研国内外的相关资料,研制出脉冲射电防垢器,脉冲射电防垢器具有体积小,重量轻,机电一体化,安装简便,使用方便,不占用场地,不污染水质与环境,处理流量可大可小,投资少,运行费用低,节约能源和人力资源等诸多优点。并在油田推广应用,取得了很良好的经济效益。
关键词：油水管线,结垢,脉冲射电防垢器,降低,掺水压差
参考文献
[1]肖曾利,蒲春生.磁防垢技术及应用发展现状[J]断块油气田,2010,(01).
防垢技术应用论文 篇7
目前除垢防垢的方法可以大体分为化学方法和物理方法两种。化学方法包括碱沉淀法、投加阻垢剂法和离子交换法等。物理方法包括水电解法、磁化法、超声波法和无线电频率照射法。这些方法都可以有效防垢阻垢。但化学法会增加运行成本,其次由于处理水样的复杂性,阻垢剂的类别和比例需要随水样而改变,而且对水质会造成污染。物理方法有电磁除垢和静电除垢[1],其中的电磁除垢因其投资小、操作简单、无毒无污染,集防垢、除垢、杀菌、缓蚀等多种功能于一身,是一种极具发展前景的防垢除垢技术[2]。电磁除垢防垢的原理方法在国内成为研究的热点,大多数是应用低端单片机控制高频信号发生器或模拟信号产生的芯片来产生控制信号。存在着结构复杂、高频点低、变频范围窄、成本较高等问题。笔者根据电磁除垢防垢的原理,设计了基于STM 32F103的变频磁化系统。该系统电路结构简单,具有很高的性价比和应用价值。
1 电磁防垢除垢水处理系统的设计原理(1)
1.1 电磁除垢防垢机理
近年来国内外对电磁除垢防垢进行了深入广泛的研究,取得了很大的进展。但是对电磁除垢、防垢的机理,学术界至今尚未形成统一的见解。有关的理论主要包括磁致胶体效应、水分子簇团畸变效应、分子/离子间相互作用效应、污染物效应、原子内效应、界面间效应等[2]。科学界比较倾向于认为高频交变电磁除垢防垢是各种学说下的各种因素综合作用的结果。这种作用主要可以从两方面来说明[3,4]:
(1)当高频电磁场作用于水体时,水分子吸收电磁场的能量,水分子结构发生变化。水分子是两个氢原子和一个氧原子组成,80%的水是由水分子之间通过氢键组成的水分子团组成的。未经磁化处理的大水分子团一般包含13~18个水分子,氢键之间的夹角为105°。这种水分子团对CaCO3、MgCO3等水垢成分溶解度较低。当水流以一定的速度流过高频交变的磁场时,吸收交变磁场能量,水分子被极化,甚至于发生共振,使大水分子团破裂释放出更多的单个水分子和组成较小的包含5、6个水分子的小水分子团,并且水分子之间的氢键夹角由原来的105°变成103°。这种变化使水溶液的渗透力、溶解度及表面张力增强,从而使Ca2+、Mg2+和CO 32-结合的几率降低。并且单个极性水分子的增多使原来形成的水垢分解,形成溶于水的物质。从而达到了除垢防垢的目的。
(2)电磁场同样作用于水体中的盐类晶体,使其形态发生变化。水中的主要盐类晶体CaCO3、MgCO3的主要存在结构形式有方解石和霰石。高频电磁场的存在,使得溶解在水中致密的方解石获得足够的能量,形成结构松散的霰石晶体结构。这种晶体结构不易附着在管道或其它容器的表面,从而阻止了水垢的生成。
1.2 变频电磁除垢防垢机理
水体是通过吸收电磁场的能量而达到磁化效果的,由于水质(包括硬度、pH值、电导率等)的不同以及外界环境因素(如温度和压强)的变化会导致水体对磁场的响应的灵敏度不同,自然频率点不同。而在这些因素中,有很多因素是不可测和不可控的,因而为了达到最好的磁化效果,系统实现了磁场在一定范围内的不断变化,使系统对环境的适应程度提高。
2 变频电磁水处理装置模型及磁场分布
笔者采用复合型电磁场阻垢杀菌系统同轴筒状高频电磁水处理实验装置[3](图1),内筒与水直接接触为阳极,外筒为阴极。
当电磁场随时间作正弦变化时,根据电磁场理论,其场量应满足麦克斯韦方程组[4]:
式中:E——电场强度,N/C;H——磁场强度,A/m;D——电位移矢量,C/m 2;B——磁感应强度,T;J——电流密度矢量,A/m 2;ω——电磁场圆频率,Hz;ρ——电荷密度,C/m 2;ε——媒质的介电常数。在这种处理装置的电磁场能辐射结构中,电场、磁场相互激化所形成的电磁波将沿纵向(Z方向)传播。忽略边界效应,采用柱坐标系,将麦克斯韦方程组中式(1)、式(2)在该坐标系中展开,写成分量形式,得:
图1所示同轴筒状的处理器,可以传播一种无色TEM散波。并考虑到Ez=0,Hz=0,且电场只能有Er分量,磁场只能有Hφ分量和γ=jβ=jωμε。可得:
解上述方程组并考虑到沿Z方向传输因子为ej(ωt-βz),同时将边界条件(Ua-Ub)max=U0代入,最后可得同轴圆筒形水处理器中的电磁场分布:
从上面所推导出的同轴圆筒形水处理器中的场量分布可知场量振幅随场点到轴的距离r的增大而迅速衰减,得水分子的正、负电荷重心及溶解盐的阴、阳离子在电磁场中所受到的力的振幅也随r的增大而减小。因此,要想得到比较好的水处理效果,内筒外半径a应尽可能小。同时为了获得最大的功率容量和最小衰减,根据电磁场的相关理论可得:外筒内半径b与a的比值应在2.5~3.0之间较为合适。因此本实验选用的处理腔内径为1.5cm,外筒内径为4.5cm,外筒壁厚1cm。
3 系统的设计方案
3.1 系统设计概述
变频电磁水处理系统中关键和核心的设计是能够自动产生一定频率变化范围的电磁场。对于变频电磁水处理系统的频率取值范围,学术界尚无统一确定的说法,各种文献显示的频率取值范围差别也比较大[5~7]。但综合各方面的影响,频率应在106~109之间效果较好[3],再考虑到本设计所选用元件频率工作范围,本系统的频率取值范围在1~18MHz之间。整个系统主要可分为4个部分:电源电路、频率信号产生电路、放大电路和高频处理腔,其结构原理框图如图2所示。
其中功率放大电路和信号发生电路将在下面着重介绍。电源电路将220V市电转变成3.3、5、12和50V电源然后经过整流电路分别变成恒定平稳直流电供控制芯片、运算放大器和模拟开关驱动电路和功率放大电路使用。
高频处理腔内径为1.5cm,外筒内径为4.5cm,外筒壁厚为1cm,长为12cm的同轴圆筒,阴极接外筒壁,阳极接内轴。进水口端盖为绝缘材料。
3.2 高频信号发生电路
可变高频信号是由控制芯片产生,然后通过功率放大电路将信号放大以后送高频感应腔生成频率可变的电磁场。本系统采用的控制芯片是STM 32F103C。STM 32F103C是小容量增强型,基于ARM 7 32位的CortexTM-M 3CPU。最高频率可高达72MHz。多达6个定时器,其中两个16位定时器,每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM。高频信号发生电路如图3所示。
3.3 放大电路
在处理腔中的水体具有一定电阻的负载,将其与电容C 1串联,和L1并联后形成RLC电路,由高频大功率的MOSFET元件AD 715作为开关元件,通过控制AD 715的开关频率来控制处理腔中电磁场的频率,在处理腔中产生高频的电磁场由STM 32F103C生成的PWM信号为高电平为3.3V左右的方波信号,通过AD 790转变成±5V的双极性方波信号,因MOSFET输入阻抗较高,需要由放大电路放大后方可驱动,故采用乙类互补放大电路,其电路图4所示。
3.4 变频信号产生程序设计
单片机STM 32F103用来产生频率可变占空比可调的方波,因此程序主要用于产生方波信号。单片机外部晶振为8MHz,经过倍频最高可达到72MHz。理论上单片机可产生最高频率为36MHz的波形。程序可主要包括两个部分:主程序和中断服务程序。
主程序主要完成系统的初始化和定时器设置。系统初始化包括3个部分:时钟初始化、端口初始化和中断向量初始化。时钟初始化包括为每个用到的端口和模块开启时钟;端口初始化主要针对所用到的端口引脚设置它们的工作模式和最高输出速率和建立TIM 1与引脚对应关系;中断向量初始化主要完成设置TIM 1的中断源、优先级,最后使能定时器中断。需要对定时器做如下设置:TIM 1时钟为72MHz、计数模式为向上计数,计数周期值定义为CCR 1 Val、TIM 1输出模式为快速PWM模式、方波占空比为CCR 2 Val、输出比较极性为高等参数。然后主程序进入中断等待。
中断服务程序主要完成对输出方波的变频控制,其流程图如图5所示。
在主程序中标志位初始化为0,判断其是否小于10,保证在每个频率点输出10个方波。将方波周期值CCR 1 Val初始化为4,判断其是否小于72,实现了频率从1MHz增加到18MHz。方波占空比CCR 2 Val初始化为1/2(CCR 1 Val)。
4 除垢防垢实验装置及方法
实验在恒温循环水的条件下进行,由水泵控制水体流速,通过加热装置(功率为1 000W加热棒)和温度传感器使水温保持在80℃左右。在水中添加一定比例的NaHCO3和CaCl2以利于结垢。实验仪器结构如图6所示。
实验分为两部分:防垢实验和除垢实验。阻垢实验为在防垢实验中取两个同规格加热棒分别标记为实验棒1和实验棒2,然后分别称重得M1、M2,然后在关停水处理装置下实验72h。对加热棒称重得M3。更换实验用水,换另一加热棒,开启水处理装置实验48h。对加热棒称重得M4,从而得阻垢率为:
除垢实验用防垢实验中的第一个加热棒,在开启水处理装置的条件下实验72h。称得加热棒质量M5,从而得除垢率为:
5 阻垢除垢实验结果及分析
实验共进行了6组,每组72h。然后对所测得的数据分别求平均值,最后用这些平均值求阻垢率和除垢率。
阻垢实验在每组实验之初分别称得加热棒1和加热棒2的质量的平均值为M1=145g,M2=145g,每组实验72h以后,再求得加热棒1和加热棒2的质量的平均值为M3=146.8g和M4=145.4g。由式(17)可得阻垢率λ=78%。
除垢实验取实验棒1作为除垢实验对象,每组实验72h以后求得其质量的平均值为M5=145.7。由式(18)可得除垢率ξ=61%。并且从实验垢样来看,附着在电热棒上的剩余水垢也明显变得较之前的松散。
6 结束语
应用STM 32F103设计水的变频除垢防垢系统,结构简单,经试验验证,系统在除垢、防垢方面取得了良好的效果,满足了CO2热泵系统用水的要求,达到了节能减排的目的。但为了完善变频水处理系统的功能,还需要为确定各种水质和环境下达到最优水磁化效果的电磁场频率范围做深入研究。
参考文献
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[2]许国凤,舒福昌,周双君等.磁化水处理技术的研究现状及防垢机理[J].内蒙古石油化工,2008,(9):5-9.
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[6]陈璨.基于电磁场的除垢防垢技术研究[D].东营:中国石油大学,2008.
防垢技术应用论文 篇8
稠油污水回注锅炉后, 锅炉的结垢问题一直困扰着油田的研究人员。锅炉炉管结垢后, 严重影响炉管的传热效率, 导致炉管管壁温度升高, 强度显著下降, 严重时会造成爆管事故, 危害锅炉的安全平稳运行[1,2]。目前, 国内外有关锅炉阻垢剂及防垢的研究有很多[3,4,5], 科研人员提出了多种阻垢技术[6,7,8,9]。本文根据现场实验研究, 从研究注汽锅炉的结垢机理入手, 提出了有效地阻垢防垢技术, 为油田注汽锅炉的安全平稳运行, 节能减排提供了有力的理论依据。
1 实验研究
1.1 实验装置及工艺流程
实验用锅炉型号为:YZF11-21-P, 产汽量:11.2 t/h, 工作压力:6 MPa, 蒸汽额定温度:370℃。锅炉系统中包括:注汽干度在线监测装置1台;三柱塞往复泵一台;除氧装置1套;二级软化水装置1套。以辽河油田欢喜岭采油厂欢四联高含硅稠油污水为研究对象, 污水经过一级、二级软化和除氧装置后进入试验锅炉。结垢试验段安装在注汽锅炉辐射段距蒸汽出口的倒数第一、第二根炉管上。实验系统见图1。
1.2 实验结果
本实验以欢四联高含硅稠油污水回用锅炉, 含硅量为90 mg/L, 高含硅稠油污水的处理量为11 374 m3, 实验干度为70%。采用罗门哈斯IER200螯合树脂对水质去除硬度, 水质软化前后的化验结果如表1所示。
在有效控制二价、三价阳离子, 使水质硬度从 ppm级降到 ppb 级的条件下, 对结垢试验段的结垢速率的测量结果为0.202 7 mm/104 m3。实验结果表明, 适当提高SiO2浓度仍可确保锅炉安全平稳运行, 从而节省大量的除硅费用。
2 注汽锅炉结垢机理分析[10]
油田注汽锅炉的回注水来自稠油污水。稠油污水含盐量大、有机物含量高、水温高, 常规离子交换去除污水硬度非常困难, 这样使得回注水中存在大量的二价、三价阳离子 (Ca2+、Mg2+、Fe3+等) , 由于注汽锅炉是在高温高压下运行, 在一定的温度、压力条件下, 这些离子与水中CO
形成锥辉石的结垢反应式
形成透闪石的结垢反应式
2Ca2++5Mg2++[SiO3]
=Ca2Mg5Si8O22 (OH) 2↓+2OH-
形成钙铁榴石的结垢反应式
3Ca2++Fe2O3+[SiO3]
3 注汽锅炉防垢技术
由于硅酸盐垢致密而且坚硬, 用通常的除垢方法, 如化学除垢方法, 很难将其去除, 且硅酸盐垢的危害性要远远大于普通的碳酸盐垢。因此, 通过对其结垢机理的分析, 为减少硅酸盐结垢, 主要有两种方式:一是降低稠油污水中的SiO2含量;二是控制稠油污水中二价、三价阳离子的浓度。此外, 干度是影响SiO2浓度和二价、三价阳离子的浓度的重要因素, 干度的在线监测和控制技术是保证锅炉平稳运行, 防止炉管长时间过热, 导致因SiO2浓度和二价、三价阳离子的浓度骤增, 结垢量增加的又一措施。
3.1 污水硬度深度去除技术
稠油污水中含有机物浓度高、矿化度高、水温高, 表现为CODcr300～500 mg/L, 含盐量4 000～6 500 mg/L, 水温60～90℃, 因此稠油污水软化具有很大的技术难度。稠油污水的软化关键在于研发耐污染、易再生、适应高温、高COD、高含盐稠油污水的离子交换树脂及适合油田污水的软化装置。
目前, 辽河油田采用的改性大孔弱酸树脂软化技术去除稠油污水中的硬度。在不除盐不除有机物前提下, 采用改性大孔弱酸树脂软化技术可有效去除稠油污水中的硬度, 出水硬度可控制在0.1 mg/L以内, 可以满足锅炉给水要求。采用改性大孔弱酸阳离子交换树脂对污水进行软化除硬, 是利用它在酸再生碱转型过程中的体积变化和有效清除污染恢复活性的特点, 可恢复其软化除硬能力。并且它具有交换容量大、再生能力强、耐高温、机械强度高的特点, 其抗氧化性较好, 机械强度高, 离子交换反应速度加快, 直径较大的有机物分子也能通过, 因此, 能够防止有机物污染, 而且通过树脂在转型过程中的膨胀和收缩, 能有效清除污染, 恢复其交换能力。
为实现高含硅稠油污水回用锅炉, 我们对辽河油田稠油污水的处理工艺进一步改进, 软化装置部分采用二级软化, 一级软化采用大孔弱酸树脂, 二级软化采用新型螯合树脂, 以达到将稠油污水的硬度由ppm级降到ppb级。
螯合树脂是一类能与金属离子形成多配位络和物的交联功能高分子材料, 它以交联聚合物 (如苯乙烯/二乙烯苯树脂) 为骨架, 连接以特殊功能基构成, 属于功能高分子, 能从含有金属离子的溶液中以离子键或配位键的形式, 有选择地螯合特定的金属离子。螯合树脂已成为从水溶液中去除重金属离子的最普遍的方法之一。螯合树脂吸附金属离子的机理是树脂上的功能原子与金属离子发生配位反应, 形成类似小分子螯合物的稳定结构, 而离子交换树脂吸附的机理是静电作用。因此, 与离子交换树脂相比, 螯合树脂与金属离子的结合力更强, 选择性也更高, 可广泛应用于各种金属离子的回收分离等方面。另外, 采用螯合树脂深度软化稠油污水, 还可以降低运行成本, 节省处理费用。
3.2 高含硅稠油污水回用锅炉技术
目前, 辽河油田稠油污水处理工艺采用镁剂除硅法去除SiO2。镁剂除硅法主要是利用氢氧化镁凝胶与水中溶解性硅酸盐发生固液反应生成硅渣而除去SiO2。在除硅过程中无需调节污水pH值, 直接向预处理后的污水中加入活性氧化镁, 经涡流反应器后再加入无机铝盐及有机絮凝剂, 进入污泥反应器, 通过污泥回流提供高浓度污泥与进水充分反应后, 进入沉淀器, 实现污泥与水分离, 从而得到SiO2含量较低的处理水, 满足锅炉给水要求。在实际应用中, 由于辽河油田每天需要处理的回注水量很大, 除硅工艺所产生的大量硅泥需要进一步处理, 且尚没有很好的处理硅泥的方法, 给环境造成很大影响。
通过对注汽锅炉的结垢机理的分析, 结垢的三要素分别是:污水中的SiO2含量、二价、三价阳离子浓度和锅炉运行压力、温度等参数。在锅炉运行的压力和温度是一定的情况下, 结垢主要与SiO2和二价、三价阳离子的浓度有关。因此利用前面提到的稠油污水硬度深度去除技术, 只要控制好二价、三价阳离子使其浓度从ppm级降到ppb级, 在确保锅炉安全平稳运行的前提下, SiO2浓度可适当提高, 从而节省大量的除硅费用。
据有关数据辽河油田每天需要处理回注水7万t, 按其中1/5的需要除硅计算, 每吨水的硅处理价格是4元, 全年可以节省除硅费用2044万元。另外, 还可以节省大量的硅含量处理装置建设费以及人员管理费用。
3.3 干度在线检测及控制技术
辽宁石油化工大学科研人员提出注汽锅炉干度采用蒸汽体积变化原理进行干度在线监测。锅炉给水被加热后, 在出口处成为湿蒸汽, 其体积增加, 出口处的干度与出口处的蒸汽体积成正比。通过对采油注汽锅炉的蒸汽压力、蒸汽温度、锅炉给水温度、压力的测量, 综合得到蒸汽体积膨胀量的测量, 计算得到注汽锅炉的干度。装置采用蒸汽体积变化原理检测注汽锅炉的干度, 基于该原理推导的注汽锅炉干度计算模型, 模型设计独特。由辽宁石油化工大学自行设计的、适合湿蒸汽计量的锲体检测段, 可以很好地满足该方法的技术要求, 且检测段具有稳定、自洁、可靠、准确的性能。通过合理的配置仪器、仪表以及设备, 成功地实现了基于该方法干度在线监测。采用该方法检测注汽锅炉干度与化学滴定方法检测的干度比较, 两者的误差小于2%, 满足干度检测工程需要。该装置以及它的技术还实现了注汽锅炉的全面自动化。
由于可以在线监测注汽锅炉的干度, 有效地保证了注汽锅炉的平稳、安全运行, 有效地预防了由于化学滴定法测干度不及时、不准确, 造成干度过高而引起锅炉结垢增加。
4 结论
(1) 通过污水硬度深度去除技术, 有效地将稠油污水的硬度由ppm级降到ppb级。
(2) 成功地使高含硅稠油污水回用锅炉, 有效降低除硅费用。
(3) 实现在线监测注汽锅炉的干度, 有效地保证了注汽锅炉的平稳、安全运行。
综合运用上述三种阻垢防垢技术, 可取消除硅沉淀池, 节省基建投资, 节约运行成本, 有效控制锅炉结垢, 确保锅炉安全运行。
摘要：根据现场实验研究, 从研究注汽锅炉的结垢机理入手, 提出了污水硬度深度去除技术、高含硅稠油污水回用锅炉技术和干度在线监测及控制技术三大有效的阻垢防垢技术, 为油田注汽锅炉的安全平稳运行, 节能减排提供有力的理论依据。
关键词：注汽锅炉,防垢,干度,硬度,螯合树脂
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