采油集输加热炉油盘管结垢原因分析及除垢措施

采油集输加热炉油盘管结垢原因分析及除垢措施

贾宁生1  贾小宁2

1长庆油田分公司第五采油厂

2长庆油田分公司第三采油厂

摘要：立式常压水套加热炉和卧式正空加热炉是采油集输现场常用原油集输加热设备，据2023年一线生产难题统计，加热炉油盘管腐蚀穿孔结垢堵塞占一线生产难题总数73%，存在重大安全生产风险，制约着安全生产管理水平的提高；以某作业区下辖巡护队和直属站点为例：2023年盐46巡护队在用常压立式水套加热炉去年冬季运行期间，7台加热炉（井区部1台生活用加热炉未维护）有6台加热炉都因油盘管腐蚀穿孔结垢堵塞问题，去年冬季运行期间进行了维修和更换；直属姬七转现有 CZHJ400-Y/6.4-Q型真空加热炉两台，主要承担本站原油进站加热外输、井区部生活区供热;由于不同层位采出的含水原油共用一套集输管线，受采出液配伍性及自身开发结垢规律影响，两台加热炉运行平均4600小时后，2023年也出现了油盘管严重结垢现象，尤其是进油立管和进油立管与加热炉接口法兰部位最为严重，导致加热炉不能正常工作。经故障统计和原因分析认为造成油盘管结垢的主要原因是：不同地层采出液（含水原油）的不配伍性反应所产生的沉积；地层水溶液中含有的Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-及CO32-；采出液中的泥沙；加热进口管线和油盘管中加热介质偏流、流速不均等。常用的除垢方法：物理除垢、化学除垢、新工艺除垢

关键词：配伍性；真空加热炉；立管；介质偏流；除垢方法

1引言

在油田生产采油集输过程中，采出的含水原油需要经过加热沉降脱水，原油的物性也决定还必须加温降粘输送。传统的加温设备主要是水套加热炉和蒸汽加热炉，虽然这些设备因其单井集输加热投资小、方便，还在使用但它们的智能化程度很低，材料成本消耗大，很大程度的影响了目前企业经济效益的长远发展。随着工业革命自动化程度的快速提高，目前长庆油田应用了真空加热炉。以采油厂某作业区姬七转为例，现使用的是两台 CZHJ400-Y/6.4-Q型真空加热炉，其正常工作时两台炉同时用，热负荷和效率完全满足进站原油加热和生活区使用的需要，但由于油盘管的结垢，生产不能正常运行，存在着重大安全生产风险，需要停炉维修使热效率有所降低，对生产生活产生一定影响。现在的处理方法主要是：机械物理除垢、周期性酸碱清泡化学除垢法。

2 结垢的主要成因分析

从管线和油盘管中采集到的垢样包括各种无机物和以石油及沥青为主的有机物,其中无机垢最为典型,,从成分上大体可以分为盐类垢、腐蚀垢及泥沙等沉积垢。垢产生的原因是,一些离子结合后会形成在水中不溶、难溶和微溶的物质,这些物质都很容易成为积累的水垢,也即盐类垢。通常,这类垢是由碳酸盐和硫酸盐组成的,典型的有碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、等。这种垢的形成一般会经历成核长大的过程,先是少量垢核心在管道表面形成、附着,然后更多的其它成垢化合物在这些核心周围聚集,成为更大的垢团。随着水流的冲刷,一部分垢被冲掉,但其它的垢继续生成,最终可能阻塞管道,随着环境水温的升高,这些难溶或微溶盐的溶解度反而下降,就有更多的物质从水中析出,成为水垢。

2.1 水型和垢型分析

关于地层水的分类方法有多种，各种分类法的目的都是力图达到即使水的化学成分系统化，又可使分类与成因联系起来，对油田水而言，常采用的是苏林分类法地层水在地层中长期与岩石和原油接触，尤其以钾盐、钠盐最多，故称为盐水。地层水中含盐是它有别于地面水的最大特点。地层水中的含盐量的多少用矿化度来表示。通过水样分析该地层水溶液中: 1)常见的阳离子为Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Ba2+， 常见的阴离子为Cl-、SO42-、HCO3-及CO32-、NO3-、Br-、I-，水中的碳酸氢钙在受热和曝气条件下分解生成难溶的碳酸钙垢而引起的，其化学反应可用下式表示：

Ca（HCO3）2→CaCO3↓+CO2↑+H2O  Mg（HCO3）2→MgCO3↓+CO2↑+H2O

Ca2++ SO42-→CaSO4（微溶）Ba2++ SO42-→BaSO4↓ Sr2++ CO32-→SrCO3（微溶）

另外以CaSO4、BaSO4和CaSrO4为主的盐类垢,主要是因为介质中的SO42-与Ca2+、Ba2+、Sr2+结合而生成难溶解沉淀，进站原油分属两个开采层位长4+5和长8油藏，原加热输油设计时没有按照后来开发长8油层设计，造成不同地层采出液（含水原油）的不配伍性所产生化学反应沉淀，含水原油中常见的阳离子Na+、K+、Ca2+、Mg2+，  常见的阴离子为Cl-、SO42-、HCO3-及CO32-、NO3-、Br-、I-，结合含有相当多的随压力温度变化达到过饱和状态时所产生的难溶的钾盐、钠盐、钙盐、镁盐等金属盐类沉积。油盘管和连接部位受热传导，含水原油温度升高。

2.2 微生物、有机物和溶解氧分析

不同种类的微生物、，其中最常见的是非常顽固的厌氧硫酸还原菌，它们助长了管线的腐蚀，有利于沉积结垢和增强了壁面的晶核附着能力。金属腐蚀产物本身既可使壁面造成垢层同时其脱落的锈屑可随物流携带到别处沉积即增加了管线中的污物。细菌类物体在壁面可形成粘液状膜是一种特别复杂的结垢形式。这种粘膜很容易粘附流体中的固体颗粒和腐蚀产物。这种生物垢的结垢机理是:首先是生物体传送和堆积在物体表面上;然后膜内微生物不断增长。这个过程在很大程度上也取决于壁面的材料和粗糙度。

微量有机物质，如环烷酸、酯肪酸、胺酸、腐植酸和其它比较复杂的有机化合物等于壁面而生成生物膜并常再相继积沉贝壳类等较大的物体使垢层不断增厚。

游离二氧化碳与水中钙离子在一定条件下生成碳酸钙沉淀，使管线结垢增加阻力。

2.3 盘管、管线中介质流量不均以及介质偏流

进站油区产能的限制，进油是不可能保证均匀流速的，加热进口管线和油盘管中加热介质偏流、流速不均造成管线中介质局部高温，碳酸钙盐类随着温度升高在过饱和状态更容易析出结晶与泥沙结合形成均匀质密的硬垢。含水原油的流速也会明显地影响结垢的趋势。含水原油的流动越缓和,成垢核心生长的环境越稳定,随着管道输送介质流速的降低,水垢出现的概率逐渐提高,流速和流向的突然改变也会使结垢加剧。这也是姬七转加热炉进油立管和接口法兰处结垢严重的主要原因。

3 清垢措施及发展方向

3.1物理清垢

姬七转加热炉出现油盘管严重结垢堵塞现象时，尤其是进油立管和进油立管与加热炉接口法兰部位。处理时是将进油改到旁通管路，拆下进口控制阀到加热炉接口法兰管段进行人工处理；炉内油盘管结垢主要是按照经验定期进行化学清理，对结垢腐蚀严重发生油盘管渗漏时则是对炉体解体由厂家处理，2#炉2023年10月整体调回厂家修理，因周期长对生产生活影响很大；控制阀门以下立管与主管线焊接，其结垢较难处理，只在全区计划停电不影响生产时更换管线处理。

3.2化学清垢

目前为止，油田加热炉的除垢清洗技术仍然在沿用化学方法，就是酸碱浸泡洗涤等手段，施工人员必须要经过专业系统的培训，施工过程中经常出现产生硫化氢等有毒有害气体；清洗时垢快大面积松动脱落堵塞管线；化学除垢具有腐蚀性，管线产生“氢脆”现象和硫化物应力开裂，减少了管线的使用寿命，存在安全隐患；炉内盘管一旦泄露，需要原地整体调出，切割炉体抽出盘管，进行更换，难度大，损失大；酸液处理不达标就排放，对环境污染大，无法清洗堵死管线等问题。2023年11月以后，姬七转制定了相应周期的酸碱浸泡洗涤措施，有专业队负责实施，目前为止两台加热炉除计划性设备年检，未发生由于结垢堵塞造成的加热炉停用现象。

3.3 发展方向介绍

①化学除垢剂改进技术

②高压水喷射除垢技术

③超声波防垢器

④回流稀释扰动技术

⑤加热盘管改性涂层处理技术

4 总结

结垢的原因或机理仅仅是为了表达各种结垢的可能性。在实际中往往是许多因素同时存在情况十分复杂.就垢本身的形成和变化过程，目前对各种垢生成机理及相应变化过程的各个阶段的认识还不够清楚有些尚属空白，设备结垢是工业生产中常见的一种现象。弄清楚垢层的形成原因、条件和性质是用化学清洗剂清理方法有效去除垢层的前提。对于实际工作中所要求掌握的是必须掌握加热炉结垢影响时间周期，制定周期性的酸碱清泡化学措施，对变径处物理清垢取样，垢样送检分析，监测采油方式变化引起的垢的成分变化。进油立管使用改性涂层油管等。对不同开采层位使用不同的集输流程，是对油区开发先瞻性认识的基础设计站点因该考虑的问题。

参考文献：

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[2]鹿道志.工业锅炉司炉教程(第二版)[m].北京:航空工业出版社,2005.

[3]武永胜,张伟华.锅炉停炉期间的维护保养[j].大众标准化,2004,03:44-45