论文部分内容阅读
[摘 要]油田集输管网结构是石油开采过程中常见的问题，从油井生产伊始到油井开发结束的整个过程，油（气）从地下流出经过油泵、油筒、井口一直到地面集输管网，由于受到温度、压力、水分等影响都存在结垢的可能性。本文将针对油田集输管网结垢的机理进行分析，找出造成管网结垢的原因，并探索相关的防止技术。
[关键词]油田开采 集输管网 结垢机理 防治技术
中图分类号：TE988 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0021-01
油田集输管网结垢具有普遍性，例如，在一般地质环境下，油田的开发过程中温度升高、气压下降，容易形成大量的碳酸钙附着物；在不断注水驱油的过程中，不匹配的油水比例混合之后形成的硫酸盐等。不同的结垢产物影响的油田设备区域不同，一旦结垢问题过于严重，就会导致油田產量下降，甚至造成油田停产或油井报废，因此必须加强管理。
1、油田集输管网结垢机理探究
油田集输管网结垢将直接影响油田地面设施和装置，管线的运输负担加重、输送效率降低，往往会出现冒油、滴油、泄露等问题，严重地会导致油田火灾、爆炸等恶性事故。详细分析油田集输管网结垢的机理，对分析其原因和寻求防治措施有重要的作用。
研究证明，油田集输管网结垢主要是第溶解度的盐类生成物造成的，也包括一些难溶性盐类物质，这些物质一旦结晶就会附着于管网内壁。因此，结垢物产生是否决定与油田液体的盐类是否饱和和析晶。
1.1 物质不相容理论
物质的不相容理论指的是溶液中的分子、离子或气体等物质，在发生了化学反应之后，会生成一系列的不稳定物质。这些物质本身与管线管道内部的液体不想溶解，只能以悬浮颗粒或沉淀的形式表现出来，随着沉淀或粘附越来越多，最终形成了结垢物；盐类化合物的性质十分稳定，因此是结垢成分的重要来源，如碳酸氢钠与氯化钙的产生的化学反应，就会形成氯化钠和碳酸钙等稳定的盐类，在油田开采液体输送的过程中发生堵塞现象。
1.2 热力学因素影响
油田的开采过程中，油气开采物质的经历环境变化很大，从地下通过油管输送到地表，压力迅速下降，温度不断上升，导致可输送物质的矿化度增高，结垢的速度也会加快；热力学因素是一个典型的物理要素，当温度变化的过程中，不同的液体的溶解度也不一样。
1.3 晶体吸附性理论
结垢本质上是一系列的化学物理反应，大多数生成盐类要形成结垢规模，必须经历反应、析出、沉淀三个过程。这个过程是持续进行的，没有达到一定规模的情况下，结垢不存在讨论解决的必要性；但预防的重要性却是必不可少的，减少因量变而发生质变的机率。垢即晶体，其沉淀或粘附也与集输管道内部的特征有关，如光滑程度、破损、腐蚀等。
2、油田集输管网结垢原因分析
总体而言，油田集输管网结垢划分为内外两种情况。外部结垢的情况比较简单，主要是由于集输管网所在的环境发生化学或电化学反应造成的。例如在土壤中掩埋的管线会受到腐蚀性的影响，产生结垢的可能性。以下主要针对内部结构进行分析。
2.1 硫化物结垢
油田集输管网内部的液体形态十分复杂，一方面来源于油气中携带的多种物质、离子以及微生物，另一方面包括人为注入的水和化学试剂等，这些物质融入油气管道中输送不可避免地造成化学反应，极容易腐蚀管道内壁的金属。特别是硫化氢、二氧化硫等酸性物质，除了在产生腐蚀的过程中造成大量沉淀之外，还会和钙离子、镁离子、钠离子等结合成盐类。
例如，硫化氢遇到水分子之后发生电化学反应，促使管道内壁的铁离子结合成硫化物，从而不断破坏内部的完整性；而硫元素的酸性特征又会进一步影响铁离子形态，最终形成结垢产物。二氧化硫也同样具有结垢作用，与水分子结合之后形成硫酸，继而与铁、氧分子结合反应，最终生成FeSO4和氧化铁。铁锈沉淀物一旦出现，就会充当催化剂的角色，加快整个内部的结垢速度。
2.2 碳酸盐结垢
二氧化碳是集输管道中呈现弱酸性质的物质，当管道内部的介质中含有大量的二氧化碳成分时，容易引发电化学腐蚀，形成游离的CO32-；当温度升高之后，碳酸根可以与大量的矿例子结合，形成性质稳定的沉淀物，如碳酸钙、碳酸镁等。
2.3 杂质结垢
油气开采中的地质环境十分复杂，甚至会有大量的油砂层出现，开采的过程中设备振动会导致大量砂岩吸入管道，如氧化硅成分。这些杂质的运动并不规律，一旦被物体阻挡就会沉淀、凝结，在管道内部形成摩擦，不仅造成堵塞还会形成腐蚀。
3、油田集输管网结垢防治技术
很显然，油田集输管网结垢防治包括两方面，一是预防，二是治理，以下分别详细介绍。
3.1 预防措施
预防是主动手段，油田集输管网结垢预防的关键是针对内部展开，典型的预防手段如涂层保护、阴极保护等。
首先，涂层保护。涂层保护是指在集输管网内外部都涂上涂料（如油漆），将管道与外部接触的物质隔离开来，目前我国管网内采取的结垢涂层涂料主要有环氧涂层、三层聚乙烯、环氧树脂、聚乙烯等物质。涂层保护的特点是密度高，表面光滑，耐腐蚀和抗晶体析出吸附。
其次，阴极保护是广泛应用于金属管道防止电化学腐蚀发生的一种手段，其原理是将容易腐蚀的金属转化为电化学电池的阴极，通过不断接通电源，确保电位不消失来控制腐蚀问题。腐蚀的问题一旦得到了控制，内部沉淀的问题相对会减少很多。
其次，内衬。内衬和涂层防护的手段原理是一致的，不同的是内衬的材料更加优越，如四氟材料，对于石油的沉淀吸附有很好的缓释作用，减少沉淀物遗留。
第四，分水处理和双线输送技术
对于石油采集液体系统的改造来实现的一种手段，石油采出液先进性分水处理，把游离水脱出，随机进行沉淀过滤等环节，再将处理过的液体输送到集输管网。这种方式可以很好地防止结垢产生，同时方便调节压力，但成本较高。
3.2 治理措施
治理措施即除垢方法，目前主要采用的除垢方法是化学溶垢技术，也包括一些效果较好的物理手段。
化学除垢技术如酸洗、螯合剂溶剂清洗、大分子化合物清洗等，具体的操作方式包括以下几个方面。
（1）直接处理。一些化学试剂如酸性溶液，对油田集输管网内的结垢有很好的消除作用，可以直接灌入无机酸来进行溶解，随后被抽取出来，或通过加强压力的方式进行长距离输送。化学试剂法应用简便，根据不同的试剂类型，可以展开专门除垢应用。
（2）混合处理。油田集输管网溶液中的成分很复杂，除了凝固油类之外，还有其他非溶解性盐垢，尤其是烃类物质包括石蜡、沥青等，单一的化学试剂是无法进行清除的。混合处理的手段是根据化学剂的合理处理，针对多种结垢产物实现的方案，可以将大部分非水溶性盐转化为水溶性盐。
（3）联合处理。对于一些特殊的石油结垢物质可以采用联合处理的方法，典型的如石蜡产品。联合处理具有一定的工序表现性，石蜡由于其特殊性质，想要完全清除可采用轻质溶剂进行清洗，在采用蒸汽加热的方式予以流动，结合人工作业的方法彻底脱除。
物理方法包括高强声波法、永磁除垢法等，在具体的操作中也有广泛地应用。
4、结束语
油田集输管网结垢虽然是一种常见问题，但其对整个石油产业的发展却有着深远的影响，同时也是一项持续性强、困难性大的工作。一方面，结垢的防治要配合油田设备的实际情况展开，根据不同的需求灵活调整方案，这需要相对专业的操作。另一方面，油田开采性质的特殊性决定了结垢造成的重大安全隐患，因此不能够掉以轻心。
[关键词]油田开采 集输管网 结垢机理 防治技术
中图分类号：TE988 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0021-01
油田集输管网结垢具有普遍性，例如，在一般地质环境下，油田的开发过程中温度升高、气压下降，容易形成大量的碳酸钙附着物；在不断注水驱油的过程中，不匹配的油水比例混合之后形成的硫酸盐等。不同的结垢产物影响的油田设备区域不同，一旦结垢问题过于严重，就会导致油田產量下降，甚至造成油田停产或油井报废，因此必须加强管理。
1、油田集输管网结垢机理探究
油田集输管网结垢将直接影响油田地面设施和装置，管线的运输负担加重、输送效率降低，往往会出现冒油、滴油、泄露等问题，严重地会导致油田火灾、爆炸等恶性事故。详细分析油田集输管网结垢的机理，对分析其原因和寻求防治措施有重要的作用。
研究证明，油田集输管网结垢主要是第溶解度的盐类生成物造成的，也包括一些难溶性盐类物质，这些物质一旦结晶就会附着于管网内壁。因此，结垢物产生是否决定与油田液体的盐类是否饱和和析晶。
1.1 物质不相容理论
物质的不相容理论指的是溶液中的分子、离子或气体等物质，在发生了化学反应之后，会生成一系列的不稳定物质。这些物质本身与管线管道内部的液体不想溶解，只能以悬浮颗粒或沉淀的形式表现出来，随着沉淀或粘附越来越多，最终形成了结垢物；盐类化合物的性质十分稳定，因此是结垢成分的重要来源，如碳酸氢钠与氯化钙的产生的化学反应，就会形成氯化钠和碳酸钙等稳定的盐类，在油田开采液体输送的过程中发生堵塞现象。
1.2 热力学因素影响
油田的开采过程中，油气开采物质的经历环境变化很大，从地下通过油管输送到地表，压力迅速下降，温度不断上升，导致可输送物质的矿化度增高，结垢的速度也会加快；热力学因素是一个典型的物理要素，当温度变化的过程中，不同的液体的溶解度也不一样。
1.3 晶体吸附性理论
结垢本质上是一系列的化学物理反应，大多数生成盐类要形成结垢规模，必须经历反应、析出、沉淀三个过程。这个过程是持续进行的，没有达到一定规模的情况下，结垢不存在讨论解决的必要性；但预防的重要性却是必不可少的，减少因量变而发生质变的机率。垢即晶体，其沉淀或粘附也与集输管道内部的特征有关，如光滑程度、破损、腐蚀等。
2、油田集输管网结垢原因分析
总体而言，油田集输管网结垢划分为内外两种情况。外部结垢的情况比较简单，主要是由于集输管网所在的环境发生化学或电化学反应造成的。例如在土壤中掩埋的管线会受到腐蚀性的影响，产生结垢的可能性。以下主要针对内部结构进行分析。
2.1 硫化物结垢
油田集输管网内部的液体形态十分复杂，一方面来源于油气中携带的多种物质、离子以及微生物，另一方面包括人为注入的水和化学试剂等，这些物质融入油气管道中输送不可避免地造成化学反应，极容易腐蚀管道内壁的金属。特别是硫化氢、二氧化硫等酸性物质，除了在产生腐蚀的过程中造成大量沉淀之外，还会和钙离子、镁离子、钠离子等结合成盐类。
例如，硫化氢遇到水分子之后发生电化学反应，促使管道内壁的铁离子结合成硫化物，从而不断破坏内部的完整性；而硫元素的酸性特征又会进一步影响铁离子形态，最终形成结垢产物。二氧化硫也同样具有结垢作用，与水分子结合之后形成硫酸，继而与铁、氧分子结合反应，最终生成FeSO4和氧化铁。铁锈沉淀物一旦出现，就会充当催化剂的角色，加快整个内部的结垢速度。
2.2 碳酸盐结垢
二氧化碳是集输管道中呈现弱酸性质的物质，当管道内部的介质中含有大量的二氧化碳成分时，容易引发电化学腐蚀，形成游离的CO32-；当温度升高之后，碳酸根可以与大量的矿例子结合，形成性质稳定的沉淀物，如碳酸钙、碳酸镁等。
2.3 杂质结垢
油气开采中的地质环境十分复杂，甚至会有大量的油砂层出现，开采的过程中设备振动会导致大量砂岩吸入管道，如氧化硅成分。这些杂质的运动并不规律，一旦被物体阻挡就会沉淀、凝结，在管道内部形成摩擦，不仅造成堵塞还会形成腐蚀。
3、油田集输管网结垢防治技术
很显然，油田集输管网结垢防治包括两方面，一是预防，二是治理，以下分别详细介绍。
3.1 预防措施
预防是主动手段，油田集输管网结垢预防的关键是针对内部展开，典型的预防手段如涂层保护、阴极保护等。
首先，涂层保护。涂层保护是指在集输管网内外部都涂上涂料（如油漆），将管道与外部接触的物质隔离开来，目前我国管网内采取的结垢涂层涂料主要有环氧涂层、三层聚乙烯、环氧树脂、聚乙烯等物质。涂层保护的特点是密度高，表面光滑，耐腐蚀和抗晶体析出吸附。
其次，阴极保护是广泛应用于金属管道防止电化学腐蚀发生的一种手段，其原理是将容易腐蚀的金属转化为电化学电池的阴极，通过不断接通电源，确保电位不消失来控制腐蚀问题。腐蚀的问题一旦得到了控制，内部沉淀的问题相对会减少很多。
其次，内衬。内衬和涂层防护的手段原理是一致的，不同的是内衬的材料更加优越，如四氟材料，对于石油的沉淀吸附有很好的缓释作用，减少沉淀物遗留。
第四，分水处理和双线输送技术
对于石油采集液体系统的改造来实现的一种手段，石油采出液先进性分水处理，把游离水脱出，随机进行沉淀过滤等环节，再将处理过的液体输送到集输管网。这种方式可以很好地防止结垢产生，同时方便调节压力，但成本较高。
3.2 治理措施
治理措施即除垢方法，目前主要采用的除垢方法是化学溶垢技术，也包括一些效果较好的物理手段。
化学除垢技术如酸洗、螯合剂溶剂清洗、大分子化合物清洗等，具体的操作方式包括以下几个方面。
（1）直接处理。一些化学试剂如酸性溶液，对油田集输管网内的结垢有很好的消除作用，可以直接灌入无机酸来进行溶解，随后被抽取出来，或通过加强压力的方式进行长距离输送。化学试剂法应用简便，根据不同的试剂类型，可以展开专门除垢应用。
（2）混合处理。油田集输管网溶液中的成分很复杂，除了凝固油类之外，还有其他非溶解性盐垢，尤其是烃类物质包括石蜡、沥青等，单一的化学试剂是无法进行清除的。混合处理的手段是根据化学剂的合理处理，针对多种结垢产物实现的方案，可以将大部分非水溶性盐转化为水溶性盐。
（3）联合处理。对于一些特殊的石油结垢物质可以采用联合处理的方法，典型的如石蜡产品。联合处理具有一定的工序表现性，石蜡由于其特殊性质，想要完全清除可采用轻质溶剂进行清洗，在采用蒸汽加热的方式予以流动，结合人工作业的方法彻底脱除。
物理方法包括高强声波法、永磁除垢法等，在具体的操作中也有广泛地应用。
4、结束语
油田集输管网结垢虽然是一种常见问题，但其对整个石油产业的发展却有着深远的影响，同时也是一项持续性强、困难性大的工作。一方面，结垢的防治要配合油田设备的实际情况展开，根据不同的需求灵活调整方案，这需要相对专业的操作。另一方面，油田开采性质的特殊性决定了结垢造成的重大安全隐患，因此不能够掉以轻心。