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      硫酸鋇鍶垢定點除垢物理模擬實驗研究

      2017-10-10 06:43:02康玉陽李凡磊劉松林馮貴賓
      石油化工應用 2017年9期
      關鍵詞:硫酸鋇除垢硫酸根

      康玉陽,李凡磊,劉松林,李 興,齊 寧,馮貴賓,潘 義

      (中國石油化工股份有限公司江蘇油田分公司采油一廠,江蘇揚州 225265)

      硫酸鋇鍶垢定點除垢物理模擬實驗研究

      康玉陽,李凡磊,劉松林,李 興,齊 寧,馮貴賓,潘 義

      (中國石油化工股份有限公司江蘇油田分公司采油一廠,江蘇揚州 225265)

      在油田正常生產作業(yè)過程中,采出水中含有的Ba2+、Sr2+易與產生沉淀,容易造成管道堵塞,損害生產設備,甚至影響到正常生產。國內外對于硫酸鋇鍶垢的防治多采用化學方法,但存在著流動過程中二次結垢的問題,防垢效果不佳。為解決傳統除垢技術成本高、除垢效果差的問題,提出了一種新的物理除垢方法,該方法運用水處理工藝中的沉淀池原理及淺池沉淀理論,設計定點除垢器實驗模型,具有操作簡單、便于清理的優(yōu)點,可以實現成垢離子在指定位置結垢的目的。以反應時間、成垢離子濃度、摩爾濃度比、溫度作為影響硫酸鋇鍶垢結垢的敏感性因素,通過大量實驗室定點除垢器物模實驗,進行各敏感性因素評價分析。

      定點除垢器;硫酸鋇鍶垢;結垢規(guī)律;淺池理論

      隨著油田含水率的上升、新層系的動用、合采層系的增加和油田注水強度的提高,油田結垢問題變得越來越突出。對于油氣井來講,由于結垢離子在井中的結垢腐蝕,造成油井在生產過程中出現一系列的事故,如泵卡、泵漏、抽油桿斷裂等[1];對于注水井來講,注入水在地層中發(fā)生的沉淀現象,使地層孔隙度降低,滲透率減小,從而使地層的吸水指數降低,注水難度增大,作業(yè)的次數增加,嚴重的將會使注水管線堵死,使注水壓力異常增高,發(fā)生嚴重的生產事故[1-5]。

      為解決以上清防垢技術所帶來的問題,本文提出一種物理清除垢方法-定點除垢器除垢技術。將易結垢離子引入定點除垢器中進行處理,避免結垢離子在管道中結垢、沉積及運移;通過室內定點除垢物模實驗,對影響硫酸鋇鍶垢結垢的敏感性因素進行評價實驗,并篩選出各因素的最優(yōu)結垢條件,保證定點除垢器除垢效率。

      1 定點除垢器原理及設計

      1.1 理想沉淀池假設條件

      (1)在同一水平斷面上各個點的流動速度都等于水平流速v;

      (2)整個沉淀池中固相顆粒分布均勻,按水平流速v流出,按沉降速度uo下沉;

      (3)顆粒一經沉降,便認為被去除,不會再隨液體流動。

      圖1 平流沉淀池沉淀原理圖

      1.2 淺池理論

      設沉淀池總體積一定,沉淀池池長L,池中水平流速v,顆粒沉速為uo,在理想狀態(tài)下L/H=v/uo,當池長L與水平流速v固定不變時,池身越淺即H越小,顆粒的沉降速率uo越小,根據Stocks定律可知,可被去除的懸浮固相顆粒越小。若用平行于水面的隔板,將深度為H的水面分成4層,每層層深為H/4,在流量Q不變的條件下,只需L/4,就可以將uo的顆粒去除。即總容積可減少到原來的1/4,就可以達到相同的處理效果;如果池長不變,由于池深為H/4,則水平流速可增加到4v,仍能將沉速為uo的顆粒除去,也即處理能力提高4倍。

      1.3 平流沉降池沉降原理理論(見圖1)

      其中水的流速為:

      式中:Q-處理流量(負荷);B-沉淀池的寬度;H-沉淀池的高度。

      鋇鍶離子反應速率快,而且晶體顆粒通常是微米級的,滿足Stocks定律[6]:

      式中:uo-顆粒沉降速率;dp-結晶體顆粒直徑;K受到顆粒形狀、流體的流態(tài)、流體性質等因素的影響。

      在重力場、理想層流狀態(tài)下的流體,當結晶顆粒直徑一定時,沉降速度為常數。提高結晶顆粒的去除率,只有縮短沉降所需要的時間??s短沉降所需要的時間,進行沉淀池物理模型的設計,可利用淺池沉淀的理論進行設計。對于分散顆粒,只有沉降速率大于或等于uo的晶體顆粒才會在高度為H的沉降池中沉降至池底并被完全去除;當沉降速率為沉降高度為h,結構晶體不能完全沉降在池底被去除,存在晶體顆粒去除的效率問題。

      1.4 斜板沉淀池

      斜板沉淀池[6,7]的理論依據仍為淺池理論,其晶體顆粒的沉降去除效率滿足公式(3)。

      從公式(3)中可以看出,沉降顆粒的去除率E是分離高度H的函數,當分離高度H降低時,沉降顆粒的去除效率增加;在其他影響因素一定的條件下,隨分離高度減小,沉降顆粒首先在斜板上沉淀,進而縮短沉降時間,顆粒的去除效率相應增加。由此分析可知,在沉淀池中增加斜板,可增加沉淀池的工作表面積,減小沉淀池分離高度H,使得顆粒的去除效率增加。

      1.5 定點除垢物理模型

      定點除垢物理模型包括注入系統、反應系統、廢液回收系統三部分,三部分依次貫通相連。

      反應系統包括箱體、卡條支撐板、結垢板,箱體的上部設有液體采集口,箱體的兩側面設有連通至箱體內的入口管線接口,箱體的一側面設有廢液排出口。箱體內設置有多塊隔板,將箱體空間分隔為混合區(qū)、結垢場和緩沖區(qū),箱體上設有入口和液體采集口,入口與混合區(qū)連通,液體采集口與緩沖區(qū)連通,結垢場位于混合區(qū)與緩沖區(qū)之間。結垢場包括多塊結垢板,多塊結垢板之間相互平行,固定于卡條支撐板上。不同卡條支撐板固定部位與水平面夾角不同,分別為45°、60°和90°,用于驗證結垢板不同角度對結垢率的影響。結垢板的材質有兩種,一種是有機玻璃,一種是不銹鋼,以便驗證結垢板材質對結垢的影響。

      2 定點除垢器物模實驗研究

      研究各單一因素反應時間、鋇鍶離子濃度、摩爾濃度比、溫度對硫酸鋇鍶結垢規(guī)律影響的實驗方法:

      (1)利用天平分別稱量所需BaCl2(SrCl2)、Na2SO4的質量,并分別溶解于含有7 L去離子水的中間容器中,并保證BaCl2溶液密封;

      (2)通過控制泵的流量,調節(jié)液體在實驗裝置內所需的停留時間;

      (3)含有成垢離子的兩種液體由入口進入混合區(qū),在混合區(qū)內進行結晶;

      (4)混合液由支撐板孔進入到結垢場,與結垢板進行充分接觸并沉淀;

      (5)當液體進入緩沖區(qū),在結垢場內未沉淀的垢在這一區(qū)域內可進一步沉淀,防止被帶出實驗裝置;

      (6)隨后液體由樣品采集口流出,并收集樣品采集口所排出的液體,做好標簽;

      (7)通過檢測流出液中結垢離子濃度,與混合前液體中的結垢離子濃度做對比,計算出結垢率。

      3 定點除垢器結垢規(guī)律研究

      結垢率計算公式:

      式中:η-結垢率,%;c1-反應后離子濃度,mg/L;c2-反應前離子濃度,mg/L。

      3.1 反應時間對單一硫酸鋇鍶結垢規(guī)律的影響

      通過式(4),得到不同反應時間下硫酸鋇鍶的結垢率,實驗數據(見表1、表2)。

      表1 反應時間對硫酸鋇結垢率的影響

      室溫的條件下,鋇(鍶)離子濃度、硫酸根離子一定時,鋇離子結垢率均在99%以上,鍶離子結垢率在90%~92.5%。硫酸鋇結垢率隨反應時間的增加先增加后減小最后趨于穩(wěn)定狀態(tài),結垢率在5min~10min達到最大值;硫酸鍶的結垢率隨反應時間的增加先減小后增加再減小最后趨于穩(wěn)定。

      3.2 鋇鍶離子濃度對單一硫酸鋇鍶結垢規(guī)律的影響

      通過式(4),得到不同鋇鍶離子濃度條件下硫酸鋇鍶的結垢率,實驗數據(見表3、表4)。

      表3 Ba2+濃度對硫酸鋇結垢率的影響

      表4 Sr2+濃度對硫酸鍶結垢率的影響

      在溫度、硫酸根離子濃度、反應時間一定時,隨著鍶離子濃度的增加,硫酸鍶的結垢率逐漸增加,最終結垢率處于穩(wěn)定狀態(tài)。鍶離子濃度的增加會增加與硫酸根離子的碰撞幾率,從而使結垢率不斷增加,當鍶離子濃度為1340.95mg/L時,結垢率隨鍶離子濃度的增加處于穩(wěn)定狀態(tài)。

      表5 摩爾濃度比對硫酸鋇結垢率的影響

      3.3 摩爾濃度比對單一硫酸鋇鍶結垢規(guī)律的影響

      利用公式(4)計算,不同摩爾濃度比條件下,單一硫酸鋇鍶垢的結垢率,實驗數據(見表5、表6)。

      表6 摩爾濃度比對硫酸鍶結垢率的影響

      隨著硫酸根離子濃度的增加,鋇、鍶離子的結垢率先增加后減小,其中當時鋇、鍶離子的結垢率最大。主要是由于硫酸根離子濃度的增加會增加硫酸根離子與鋇、鍶離子的碰撞幾率,使結垢率增大。當硫酸根離子濃度增加到一定程度時,隨著硫酸根離子濃度的增加,Ba2+(Sr2+)與的競爭激烈,溶液處于動態(tài)平衡時,由于較低,鋇、鍶離子的剩余濃度較高,結垢率較低;當硫酸根離子濃度增加時,Ba2+(Sr2+)與的接觸程度提高,使得Ba2+(Sr2+)與更容易形成沉淀,因而使得結垢率增加,當硫酸根離子增加到一定程度,使得溶液中鋇鍶離子處于弱勢地位,此時結垢率不但不會增加,相應的還會減少,以保持溶液動態(tài)平衡。

      3.4 溫度對單一硫酸鋇鍶結垢規(guī)律的影響

      利用公式(4)計算,不同溫度條件下,單一硫酸鋇鍶垢的結垢率,實驗數據(見表7、表8)。

      表7 溫度對硫酸鋇結垢率的影響

      表8 溫度對硫酸鍶結垢率的影響

      隨著溫度的增加,鋇、鍶離子的結垢率先增加后減小。鋇離子的結垢率均為99%以上,結垢率在溫度變化下波動較小,但在小范圍內仍有所波動。鍶離子的結垢率隨溫度增加變化幅度較大,溫度在80℃時結垢率最高。從熱力學的角度分析得知,隨溫度的增加,水溶液中離子的活躍程度增加,不配伍離子間的接觸幾率增加,更容易產生沉淀;當溫度增加到一定程度,隨著溫度的增加,離子的溶度積隨溫度的增加而增大,當結垢程度達到一定程度,由于結垢離子的離子積小于溶度積,使結垢率降低。

      4 結論

      (1)基于淺池理論設計的定點除垢物理模型,包括注入系統、反應系統、廢液回收系統三部分,通過調節(jié)卡條支撐板的角度、調整結垢板的傾斜程度、更換不同結垢板的材料調節(jié)結垢表面、調節(jié)流速來改變反應時間,使混合液在反應系統的混合區(qū)中進行反應,通過結垢規(guī)律分析對定點除垢器的結構進行優(yōu)化,以保證除垢效率。

      (2)在鋇、鍶離子與硫酸根離子結垢的過程中,相比較于鍶離子,鋇離子更容易與硫酸根離子結垢,而且結垢現象更加明顯;反應時間對硫酸鋇、鍶結垢的影響雖然并不明顯,但是將時間控制在5min~10min鋇、鍶離子的結垢率最大。

      (3)鋇離子濃度對于硫酸鋇的結垢率影響較小,但是鍶離子濃度對硫酸鍶垢的結垢率影響顯著,鍶離子濃度較低時的結垢率明顯小于鍶離子濃度較高時的結垢率,當時鋇鍶離子結垢率最大。

      (4)硫酸根離子濃度對于鋇離子的結垢率影響較弱,但是硫酸根離子的濃度對硫酸鍶的結垢率影響較為明顯,增加硫酸根離子濃度可以增加硫酸鍶的結垢率,當時鋇鍶離子結垢率最大。

      (5)溫度對鋇離子的結垢率影響較低,但溫度對鍶離子的結垢率影響較大,當溫度在80℃時,鍶離子的結垢率達到最大值。

      [1]耿玉廣,張偉,劉云,等.油井管桿腐蝕結垢原因分析及防治技術[J].腐蝕科學與防護技術,2015,27(3):305-309.

      [2]吳新民,付偉,白海濤,等.姬塬油田注入水與地層水配伍性研究[J].油田化學,2012,29(1):33-37.

      [3]靳寶軍.純梁采油廠采輸系統結垢機理及防垢技術研究[D].東營:中國石油大學(華東),2011:1-2.

      [4]陳勇.歧口油田海上石油平臺采油污水處理研究[D].遼寧:東北大學,2005:1-2.

      [5]田長亮,陽興.試論對油田集輸管線結垢的認識及對策[J].科技創(chuàng)新與應用,2014,(2):73-75.

      [6]張錫波,張群正,林文興,徐桂宏.超聲波防垢技術在孤東油田中的應用[J].西安石油學院學報(自然科學版),2000,(5):25-29.

      [7]陳先慶.超聲波防垢技術在油田中的應用研究[J].鉆采機械,2000,(5):10-14.

      TE358.5

      A

      1673-5285(2017)09-0132-05

      10.3969/j.issn.1673-5285.2017.09.033

      2017-08-31

      康玉陽,男(1987-),滿族,河北平泉人,學士,工程師,2010年畢業(yè)于東北石油大學獲得油田應用化學學士學位,現從事油田化學法處理工藝的研究與技術管理工作。

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