平籍線清管結(jié)垢分析及清除技術(shù)研究

喬釔鋒，張馳，劉先洋，李浩

(中國(guó)石油西南油氣田公司川西北氣礦，四川綿陽(yáng) 621700)

石油與天然氣行業(yè)中，設(shè)備和管道的結(jié)垢是一個(gè)較嚴(yán)重的問題。在天然氣的生產(chǎn)、加工及集輸過(guò)程中，往往會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的結(jié)垢沉積現(xiàn)象，其發(fā)生的部位主要集中在溫度和壓力變化較大的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，如熱交換器和管道的內(nèi)部等[1-4]。結(jié)垢沉積通常會(huì)對(duì)集輸管道產(chǎn)生較嚴(yán)重的堵塞，天然氣集輸管道通常輸送距離較大，一般長(zhǎng)達(dá)幾十公里甚至數(shù)百公里，管道結(jié)垢后清理的難度較大，且往往需要停運(yùn)管道進(jìn)行清理作業(yè)，這不僅會(huì)影響天然氣的正常集輸作業(yè)，還會(huì)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失[5-7]。

管道結(jié)垢的清除技術(shù)主要包括化學(xué)除垢技術(shù)和機(jī)械除垢技術(shù)[8-12]，其中化學(xué)除垢技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單以及成本較低的優(yōu)勢(shì)，但其適應(yīng)性通常較差，并且受結(jié)垢嚴(yán)重程度以及結(jié)垢類型的影響較大，對(duì)部分結(jié)垢堵塞嚴(yán)重的管道通常無(wú)法達(dá)到較好的清除效果；而機(jī)械除垢技術(shù)的適應(yīng)性較強(qiáng)，其不受結(jié)垢厚度以及結(jié)垢類型的影響，通常能夠達(dá)到良好的除垢效果。筆者針對(duì)平籍線清管作業(yè)時(shí)發(fā)生卡堵的問題，在分析平籍線概況和清管卡堵情況的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)收集的平籍線管道內(nèi)的垢樣進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了采用機(jī)械清管器進(jìn)行漸進(jìn)式清管除垢作業(yè)的方式對(duì)平籍線堵塞管道進(jìn)行解堵，為保障平籍線集輸管道的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供一定的技術(shù)支持和借鑒。

1 平籍線概況及清管卡堵情況

1.1 平籍線概況

平籍線隸屬于西南油氣田分公司川西北氣礦邛崍采氣作業(yè)區(qū)，投產(chǎn)于1998年12月1日，該管線起于平落總站，終于觀音末站，管線規(guī)格為φ323.9 mm×6.3 mm，采用材質(zhì)為X52，管線全長(zhǎng)56 km，采用強(qiáng)制電流和犧牲陽(yáng)極保護(hù)，外防腐層為石油瀝青防腐，該管線的設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa，設(shè)計(jì)輸送能力為1.7×106m3/d，該管線主要將觀音配氣站的天然氣輸送到平落總站。目前起點(diǎn)運(yùn)行壓力為1.8～2.5 MPa，終點(diǎn)運(yùn)行壓力為1.7～2.0 MPa，管輸氣量(5～6)×105m3/d。

1.2 清管卡堵情況分析

2019年9月20日，平籍線清管作業(yè)發(fā)生卡堵。經(jīng)停氣換管作業(yè)后，發(fā)現(xiàn)管段內(nèi)結(jié)晶嚴(yán)重是造成卡堵的主要原因，結(jié)晶物呈顆粒狀，管線內(nèi)有結(jié)晶塊，厚度最薄處24 mm，最厚處達(dá)43 mm，結(jié)晶塊導(dǎo)致管徑縮小67 mm，管徑縮徑率為20.6%，造成清管器的卡堵。

2 清管結(jié)垢分析

為了更準(zhǔn)確地分析平籍線清管結(jié)垢的原因，進(jìn)而為下一步的清管作業(yè)提供依據(jù)，筆者收集了平籍線現(xiàn)場(chǎng)清管的垢樣，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的分析，主要包括垢樣外觀、含水量、含油量、酸溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、無(wú)機(jī)離子組成以及硫化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)等，并通過(guò)紅外光譜、電鏡能譜以及X衍射等技術(shù)手段進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 垢樣外觀

垢樣外觀主要表現(xiàn)為黑色塊狀色晶體，并且表面附有部分黑色的油污。

2.2 含水量和含油量分析

含水量(w，下同)測(cè)定方法按照GB/T 8929—2006《原油水含量的測(cè)定(蒸餾法)》，取適量試樣于蒸餾器內(nèi)經(jīng)加熱回流1 h，待接受器和內(nèi)容物冷卻至室溫后，用聚四氟乙烯刮具將接受器上水滴刮進(jìn)水層里，測(cè)量接受器中水的體積，進(jìn)行試樣含水量測(cè)定。

含油量(w，下同)測(cè)定方法按照標(biāo)準(zhǔn)HJ 637—2018《水質(zhì)石油類和動(dòng)植物油類的測(cè)定紅外分光光度法》，稱取適量試樣于離心管中，加入10 mL四氯乙烯后振蕩離心，將萃取液移入50 mL比色管中，反復(fù)操作5次，加入活性硅酸鎂，搖勻后過(guò)濾，定容后利用紅外測(cè)油儀進(jìn)行油含量測(cè)定。經(jīng)檢測(cè)，平籍線清管垢樣試樣中含水量為15.07%，含油量為

5.39%。

2.3 垢樣分析

酸溶物及無(wú)機(jī)離子含量測(cè)定方法為：將一定量除油干燥后試樣置于100 mL的燒杯中，加入10 mL(1+1)鹽酸；將燒杯置于40 ℃恒溫水浴中，待反應(yīng)完畢后，過(guò)濾，用去離子水沖洗濾紙上的殘?jiān)林行?；將濾液全部轉(zhuǎn)移入50 mL容量瓶中，定容后備用；殘?jiān)娓珊蠓Q重，計(jì)算試樣中鹽酸可溶物含量(w，下同)；將鹽酸溶解試樣的濾液定容為50 mL溶液，用原子吸收分光光度計(jì)在適宜的稀釋倍數(shù)條件下分別測(cè)定常見無(wú)機(jī)金屬離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

硫化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定方法為：按照標(biāo)準(zhǔn)HJ/T 60—2000《水質(zhì)硫化物的測(cè)定碘量法》，利用碘量法測(cè)定試樣中的硫化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通過(guò)空白及試驗(yàn)數(shù)據(jù)差值得到試樣中硫化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 垢樣分析結(jié)果

由表1可見：平籍線清管垢樣試樣中鹽酸可溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于85%。無(wú)機(jī)金屬離子中鈉離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為290.61 mg/g，其次為鐵離子，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.81 mg/g，硫化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少，僅為0.52 mg/g。

2.4 紅外光譜分析

按照GB/T 6040－2002《紅外光譜分析方法通則》，使用紅外光譜儀對(duì)平籍線清管垢樣試樣進(jìn)行分析，紅外光譜分析結(jié)果見圖1。

圖1 平籍線清管垢樣試樣紅外光譜分析結(jié)果

由圖1可見：在波數(shù)2 923.6 cm-1和2 856.1 cm-1處分別對(duì)應(yīng)的是—CH2—和—CH3基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰，而波數(shù)為1 456.0 cm-1處對(duì)應(yīng)的則是—CH2—和—CH3基團(tuán)的彎曲振動(dòng)峰，即平籍線清管垢樣試樣的紅外吸收峰均是甲基和亞甲基的伸縮或振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰，表明該垢樣的有機(jī)相可能主要為烷烴。

2.5 電鏡能譜分析

采用電鏡能譜對(duì)平籍線清管垢樣試樣的固相表面進(jìn)行倍數(shù)為5 000倍的掃描，SEM圖和EDS能譜分析結(jié)果分別見圖2和表2。

圖2 平籍線清管垢樣試樣SEM掃描結(jié)果

由圖2可見：平籍線清管垢樣內(nèi)有表面不規(guī)則的塊狀物，分析可能為鹽類結(jié)晶產(chǎn)物。

由表2可見：垢樣試樣中的主要元素為碳、氧、鐵、氯、鈣、鈉等。

表2 平籍線清管垢樣試樣能譜掃描結(jié)果

2.6 X衍射分析

將制備好的平籍線清管垢樣進(jìn)行XRD分析，所用儀器型號(hào)為X’Pert PRO MPD(Panalytical，Holland，采用Cu靶材，掃描角度為5°～90°)，確定試樣主要成分，分析結(jié)果見圖3。

圖3 平籍線清管垢樣試樣XRD衍射分析

由圖3可見：平籍線清管垢樣試樣主要物質(zhì)成分為NaCl和FeCO3，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為72.11%和1.97%。

2.7 平籍線清管結(jié)垢組成及成因分析

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)分析認(rèn)為，平籍線清管垢樣為褐色至淡黃色塊狀物，有腐敗咸菜臭味，經(jīng)紅外、EDS和XRD分析，該平籍線清管垢樣試樣油相物中有機(jī)物質(zhì)主要為長(zhǎng)鏈烷烴。試樣含水量15.07%、含油量5.39%，鹽酸可溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86.16%、硫化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.52 mg/g；除油干燥試樣中酸溶的主要無(wú)機(jī)金屬離子為：K，Ca，Na，Mg，Ba，Sr，F(xiàn)e，Mn，Cr。推測(cè)平籍線清管垢樣試樣主要物質(zhì)成分為NaCl和FeCO3，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為72.11%和1.97%。

分析該平籍線清管結(jié)垢的成因主要包括：①腐敗及咸菜氣味為試樣中有機(jī)物揮發(fā)所造成；②推測(cè)NaCl為清管時(shí)管道內(nèi)水體揮發(fā)所致；③FeCO3為天然氣內(nèi)CO2或外輸管線內(nèi)CO32-/HCO3

-對(duì)管道腐蝕的產(chǎn)物。

3 結(jié)垢清除技術(shù)應(yīng)用效果

對(duì)川中某工藝所的科研項(xiàng)目實(shí)施案例進(jìn)行分析，采用持續(xù)加注抑鹽劑溶液和停輸浸泡方式在集氣管道除垢應(yīng)用中效果良好，但經(jīng)過(guò)開展平籍線管道鹽結(jié)垢注液方式解堵前期可行性調(diào)研發(fā)現(xiàn)：因輸氣管道保供壓力大、沿線及下游用戶管道進(jìn)液風(fēng)險(xiǎn)大等因素，確定抑鹽劑加注解堵方式不適用于平籍線。此外，通過(guò)結(jié)垢分析及卡點(diǎn)評(píng)估，對(duì)平籍線采用常規(guī)清管器進(jìn)行內(nèi)清潔作業(yè)的卡堵風(fēng)險(xiǎn)較大。針對(duì)平籍線鹽結(jié)垢卡堵問題，最終確定采用機(jī)械清管器漸進(jìn)式清管程序進(jìn)行解堵。

根據(jù)平籍線管段結(jié)垢厚度及結(jié)垢物成分分析，選用中密度泡沫清管器、高密度鋼刷泡沫清管器、雙向直板清管器(帶鋼刷、磁鐵)、除垢清管器(帶鋼刷、磁鐵)、雙節(jié)直板清管器(帶鋼刷、磁鐵)、鉤子清管器、重型清管器作為清管作業(yè)主要清管設(shè)備。清管作業(yè)時(shí)優(yōu)先使用通過(guò)性強(qiáng)、清管能力弱的清管器，再使用通過(guò)性弱、清管能力強(qiáng)的清管器，通過(guò)逐步增大導(dǎo)向盤、密封盤尺寸，有控制地清除管道內(nèi)部積垢和雜質(zhì)，減小清管器卡堵風(fēng)險(xiǎn)，直至滿足管道智能檢測(cè)的要求。

平籍線漸進(jìn)式清管作業(yè)共計(jì)清管27次，其中發(fā)送泡沫清管器4次，雙向直板清管器10次，除垢清管器3次，雙節(jié)直板清管器5次，鉤子清管器2次，重型清管器3次，共計(jì)清出污物388 kg。

經(jīng)過(guò)清管作業(yè)后，管道內(nèi)壁鹽結(jié)垢逐步減少，在除垢清管器、鉤子清管器清管后，次日進(jìn)行雙向直板清管器清管，清出大量鹽結(jié)垢碎晶體。清管器通過(guò)能力大幅提升，在清管作業(yè)實(shí)施過(guò)程中，清管器在停滯點(diǎn)最高啟動(dòng)壓差由0.56 MPa降至0.28 MPa，最長(zhǎng)停滯時(shí)間由136 min降至3 min。

4 結(jié)論及建議

1)針對(duì)平籍線清管作業(yè)時(shí)發(fā)生卡堵的問題，對(duì)管道內(nèi)的垢樣進(jìn)行分析，結(jié)果表明：該垢樣主要為褐色至淡黃色塊狀物，有腐敗咸菜臭味，垢樣的含水量為15.07%、含油量為5.39%，鹽酸可溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86.16%、硫化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.52 mg/g；主要無(wú)機(jī)金屬離子組成為：K，Ca，Na，Mg，Ba，Sr，F(xiàn)e，Mn，Cr；推測(cè)垢樣的主要物質(zhì)組成為NaCl和FeCO3。

2)采用漸進(jìn)式清管程序?qū)ζ郊€進(jìn)行結(jié)垢堵塞的解堵作業(yè)，經(jīng)過(guò)清管作業(yè)后，管道內(nèi)壁鹽結(jié)垢逐步減少，清管器通過(guò)能力大幅提升，恢復(fù)了平籍線生產(chǎn)清管秩序，取得了良好施工效果。

3)為保障平籍線管道的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，建議在后期工作過(guò)程中要加強(qiáng)對(duì)輸氣管道中天然氣氣質(zhì)的監(jiān)控；嚴(yán)格執(zhí)行清管管理制度，強(qiáng)化日常清管管理，避免長(zhǎng)期不清管造成后續(xù)清管困難；加強(qiáng)輸氣管道工藝適應(yīng)性分析，合理進(jìn)行管道清管工藝調(diào)整，通過(guò)清管作業(yè)有效提高管道輸送效率。