油田注汽管道内盐沉积的特性

董 滨，翟小雨，许 颖，林森明，赵文学，韩克江

（1. 同济大学 环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092；2. 新疆油田公司工程技术公司，新疆 克拉玛依 834000；3. 中国寰球工程公司，北京 100012）

分析测试

油田注汽管道内盐沉积的特性

董 滨1，翟小雨1，许 颖1，林森明2，赵文学3，韩克江3

（1. 同济大学 环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092；2. 新疆油田公司工程技术公司，新疆 克拉玛依 834000；3. 中国寰球工程公司，北京 100012）

针对油田污水回用于热采锅炉导致注汽管道内壁盐沉积的问题，选取新疆油田某区注汽管道内积盐为试样，采用SEM，XRD，EDS，XPS等手段对积盐进行表征。探讨了注汽管道内积盐成因，并提出了防止和缓解积盐的措施。表征结果显示，注汽管道内壁附有的积盐呈规则块状，剖面平滑致密，外表面粗糙，可见大量针状物，主要组成为Na2Si2O5和少量Na2CO3。实验结果表明，注汽锅炉给水中高浓度的NaCl不会沉积在管道内壁，积盐是进水中硅酸、碳酸氢钠、碳酸钠在高温、高压（12.6 MPa，486 ℃）条件下长时间作用形成的。增强蒸汽管道的保温措施，并控制回用污水中的硅含量可有效缓解注汽管道内盐沉积形成。

油田污水回用；热采锅炉；注汽管道；盐沉积

油田稠油开采多采用热采技术，即注汽锅炉产生的过热蒸汽经注汽管道运输至地下油层用于提高原油采收率。我国油田多处在淡水资源匮乏地区，因此将油田采油污水经除油、净化、软化等工艺处理后代替清水回用于热采注汽锅炉，是我国油田污水资源化、节能减排的有效途径［1］。软化后的采油污水作为水源，结垢离子Ca2+和Mg2+大部分去除，基本不会造成炉管、注汽管道结垢，但污水中所携带的无机盐在蒸汽注汽管道中易形成盐沉积。

近年来，对盐沉积的研究主要集中在汽轮机［2-3］、锅炉［4-7］、蒸汽发生器［8］等设备，给水中过高的含盐量使蒸汽品质恶化［9］，在一定温度和压力下，盐在蒸汽通流部位沉积［9-10］。不同设备由于运行参数及水质不同，盐相互发生反应或直接沉积产生成分性质不同的积盐［11-12］。盐沉积使有效通流截面减小，工质流动阻力变大，影响注汽效率，且在高温条件下加速了管道的腐蚀，使积盐处管壁厚度变薄，甚至发生爆管危险［13-15］。目前，关于油田注汽管道内积盐的特性和形成原因鲜见报道。探明积盐的成分和成因对确定采油污水回用于热采锅炉的处理标准和解决盐沉积问题有重要意义。

本工作选取新疆油田某区注汽管道内积盐为试样，采用SEM，XRD，EDS，XPS等手段对积盐试样进行分析，探讨了注汽管道内积盐成因，并提出了防止和缓解积盐的措施。

1 实验部分

1.1 实验条件

YZG-14/360-G型注汽锅炉：设计蒸发量23 t/h，工作压力14 MPa。注汽管道内蒸汽温度486℃，压力12.6 MPa。

注汽锅炉进水水质见表1。锅炉进水水质整体较稳定，运行12个月。

表1 注汽锅炉进水水质Table 1 Properties of feed water of steam injection boiler

积盐：新疆油田某区的注汽管道内积盐，用刮刀将所取管段沉积的块状积盐小心刮下，部分块状试样用研钵磨碎，过100目筛，低温保存。

1.2 分析方法

采用戴安公司ICS-5000型离子色谱仪测定进水中各离子含量；采用吉大小天鹅公司MAI-50G型红外测油仪测定进水中的油含量；采用梅特勒托利多公司FE20型pH计测定pH；采用还原硅钼酸盐分光光度法［16］测定进水中硅含量。

采用日立公司Hitachi S-4800型扫描电子显微镜-能谱分析仪进行积盐的微观形貌表征及元素测定；采用Bruker公司D8-Advance型X射线衍射仪测定积盐的化合物组成；采用PHI公司的5000C ESCA System型X射线光电子能谱仪进行积盐的元素化学态分析。采用蒸馏水溶解积盐，分析积盐的组成成分。

2 结果与讨论

2.1 积盐的组成分析结果

注汽管道积盐的外观特征见图1。由图1可看出，注汽管道内壁附有的积盐呈规则块状，占据了管道通径的局部空间，使管道通径变小，测定积盐厚度为11.67 mm。在积盐表面滴加盐酸溶液时，积盐表面有少量气泡产生，且积盐部分溶解，表明积盐中含有部分碳酸盐。4.025 g积盐可全部溶于200 mL蒸馏水中，分析所得溶液，溶液pH=11.4，硅含量（以SiO2计）为12 140 mg/L，溶液中未检测到Cl-。分析结果表明，积盐中含有大量硅酸盐。

图1 注汽管道积盐的外观特征Fig.1 Appearance of salt deposition in steam pipeline.

2.2 SEM和EDS的表征结果

积盐剖面和外表面的SEM照片见图2。

图2 积盐剖面和外表面的SEM照片Fig.2 SEM images of salt deposition in steam pipeline.

由图2可看出，积盐剖面（见图2a）平滑致密均匀，而积盐的外表面（见图2b）粗糙不平，图2（c）中可见外表面存在大量针状物质。对积盐剖面、外表面、针状物质进行能谱分析，EDS元素分析结果见图3。从图3可知，积盐中主要元素组成为氧、硅、钠、碳，其他元素含量很低，此分析结果与积盐组分分析结果一致。

图3 积盐的EDS元素分析结果Fig.3 EDS results of the salt deposition in steam pipeline.

2.3 XRD表征结果

积盐的XRD谱图见图4。由图4可看出，XRD谱图中具有明显的衍射峰，说明积盐中有结晶良好的晶体。利用分析软件Jade 6.5分析得知，积盐中的结晶晶体主要为Na2Si2O5和Na2CO3。积盐基本不含铁元素，说明管线腐蚀不影响盐沉积成分组成。Sedighnezhad等［17］研究发现，注气井中93%的积盐为NaCl，但本实验积盐中氯含量很低，表明在目前的注汽系统运行条件下，给水中高浓度的NaCl并不会沉积，因此污水处理环节可不考虑进行脱盐处理。

图4 积盐的XRD谱图Fig.4 XRD spectrum of the salt deposition in steam pipeline.

2.4 XPS表征结果

积盐的XPS谱图见图5。由图5可知， 100 eV处的谱峰归属于Si （2p）；107 eV处谱峰归属于Na（1s）；306 eV处谱峰归属于C（1s）；530 eV处谱峰归属于O（1s）。

图5 积盐的XPS谱图Fig.5 XPS spectrum of the salt deposition in steam pipeline.

积盐中Si，O，Na，C元素的XPS谱图见图6。图6中Si（2p）的XPS谱图是解析硅酸盐类物质结构性能的直接证据［18-19］。由图6可知，Si（2p）谱图的2个能量不同的谱峰中101.80 eV处的谱峰归属于Si—Si 键，103.50 eV处的谱峰归属于硅酸盐Na2Si2O5中的Si—O—Si键；Na（1s）谱图的2个谱峰中1 072.18 eV处的谱峰和1 073.48 eV处的谱峰均归属于Na—O键。因此，积盐中O元素以Na—O键和Si—O—Si键的形式存在，这与Dalby等［20］对Na2O·mSiO2类化合物的研究结果一致。以上结果表明，积盐中主要元素Na，Si，O以Na2Si2O5形式存在。

2.5 积盐成因及解决措施

过热蒸汽携带大量硅酸和少量碳酸钠、氯化钠进入注汽管道，过热蒸汽中的盐类杂质有两种存在形态：一种呈蒸汽溶液状，如硅酸、部分钠化合物；另一种呈固态微粒状，如铁的氧化物、碳酸钠等。蒸汽管道若绝热效果不佳，内表面会由于热量散失与蒸汽形成温差，温度降低时硅酸与钠化合物在蒸汽中的溶解度降低，硅酸在过热蒸汽中以气态形式存在［21］，遇到管壁其溶解度降低则以固态析出，并脱水形成二氧化硅。碳酸钠在过热蒸汽中以颗粒形式存在，在已粘附二氧化硅的管道表面附近，Na2CO3沉积部分与二氧化硅发生反应生成Na2O·mSiO2类化合物［22］。SEM表征结果显示，积盐表面物质呈针簇状，与碳酸钠属无色单斜晶系柱状结晶的性质一致；且EDS分析结果显示，此针状物质主要为碳酸钠，因此表明碳酸钠未全部参与反应。

图6 积盐中Si，O，Na，C元素的XPS谱图Fig.6 XPS spectra of Si，O，Na and C in the salt deposition.

低温时形成的积盐疏松，而高温则使积盐致密［23］，注汽管道486 ℃的高温和12.6 MPa的高压下，足以使积盐形成致密的结构。紊流促进混合和传质，有助于管壁表面上积盐的进一步形成，经长时间运行注汽管道内壁存在明显的盐沉积现象。

油田采油污水经处理后回用于注汽锅炉有利于石油生产领域的污水资源化，提高油田注汽开发的总体经济效益，但会导致注汽管道内壁出现盐沉积现象，影响注汽系统安全经济运行。增强蒸汽管道的保温措施，减少热量损失，降低蒸汽与管道的温差，并控制回用污水中的硅含量可有效缓解盐沉积形成。鉴于积盐的易溶性，可采用较高温度的锅炉给水处理积盐管道。为提高处理效果节约用水，可采用浸泡和压力冲洗相结合的方法，考虑到现场临时冲洗管道的连接和冲洗水的排放，可采用反冲洗方式。

3 结论

1）SEM，XRD，EDS，XPS等表征结果显示，注汽管道内壁附有的积盐呈规则块状，剖面平滑致密，外表面粗糙，可见大量针状物，主要组成为Na2Si2O5和少量Na2CO3。

2）注汽锅炉给水中高浓度的NaCl不会沉积在管道内壁，积盐是进水中的硅酸、碳酸氢钠、碳酸钠在高温、高压（12.6 MPa，486 ℃）条件下长时间作用形成的。

3）增强蒸汽管道的保温措施，并控制回用污水中的硅含量可有效缓解注汽管道内盐沉积的形成。

致谢：感谢新疆油田，运河油田和中国寰球工程公司提供的帮助和支持。

［1］ 王海峰. 稠油污水回用于热采锅炉处理技术研究［D］. 青岛：中国海洋大学，2009.

［2］ Tang Zhigang，Zhou Rongqi，Duan Zhanting. Adsorption and Desorption Behaviour of Taurine on Macroporous Adsorption Resins［J］. J Chem Techno Biotechnol，2001，76（7）：752 -756.

［3］ 詹约章， 余建飞. 超临界机组腐蚀，结垢和积盐分析及处理对策［J］. 工业水处理，2012，32（6）：89 - 92.

［4］ Metsäjoki J，Huttunen-Saarivirta E，Lepistö T. Elevated-Temperature Corrosion of Uncoated and Aluminized 9-12% Cr Boiler Steels Beneath KCl Deposit［J］. Fuel，2014，133：173 - 181.

［5］ Hansen L A，Nielsen H P，Frandsen F J，et al. Influence of Deposit Formation on Corrosion at a Straw-Fired Boiler［J］. Fuel Process Technol，2000，64（1）：189 - 209.

［6］ Michelsen H P，Frandsen F，Dam-Johansen K，et al. Deposition and High Temperature Corrosion in a 10 MW Straw FiredBoiler［J］. Fuel Process Technol，1998，54（1）：95 - 108.

［7］ Nielsen H P，Baxter L L，Sclippab G，et al. Deposition of Potassium Salts on Heat Transfer Surfaces in Straw-Fired Boilers：A Pilot-Scale Study［J］. Fuel，2000，79（2）：131 - 139.

［8］ Grahl S，Beckmann M. In-Situ Analysis of Deposit Properties in Steam Generators［J］. Int J Therm Sci，2013，72：172 -183.

［9］ 魏振国. 5号汽轮机通流部分积盐的原因分析及防范［J］. 内蒙古电力技术，1999，17（2）：19 - 20.

［10］ 薛晓燕，孟瑞钧，林纳新. 25MW汽轮机积盐分析［J］. 内蒙古电力技术，2004，22（1）：53 - 54.

［11］ 赵玉栓，董玉. 过热器积盐的成因分析与防范措施［J］. 科技传播，2011，6（11）：34 - 35.

［12］ Lei Hong，Ji Zhiguo，Yong Gao，et al. Precipitation of Microparticulate Organic Pigment Powders by a Supercritical Antisolvent Process［J］. Ind Eng Chem Res，2000，39（12）：4882 - 4887.

［13］ 庞飞飞，T/P92 新型铁素体耐热钢腐蚀行为研究［D］. 长沙：长沙理工大学，2013.

［14］ Skrifvars B J，Westen-Karlsson M，Hupa M，et al. Corrosion of Super-Heater Steel Materials Under Alkali Salt Deposits：Ⅱ. SEM Analyses of Different Steel Materials［J］. Corros Sci，2010，52（3）：1011 - 1019.

［15］ Barroso J，Barreras F，Ballester J. Behavior of a High-Capacity Steam Boiler Using Heavy Fuel Oil：Ⅰ. High-Temperature Corrosion［J］. Fuel Process Technol，2004，86（2）：89 - 105.

［16］ 全国化学标准化技术委员会. GB/T 17518—2012 国家标准化工产品中硅含量测定的通用方法还原硅钼酸盐分光光度法［S］. 北京：中国标准出版社，2012．

［17］ Sedighnezhad L，Hosseini S A，Esmaeilzadeh F，et al. Experimental Investigation of Supercritical Methane Injec tion in Oil Fields on Salt Deposit Formation by Gas Anti-Solvent Process［J］. J Supercrit Fluids，2014，85：110 - 115.

［18］ 夏文宝，姜宏，鲁鹏，等. 高铝硅酸盐玻璃中铝配位的XPS研究［J］. 材料科学与工程学报，2013，31（5）：715 - 717.

［19］ 赵建波，孙晓丽，王国庆，等. SiO2负载壳聚糖络合铂配合物的合成和表征及其催化硅氢加成反应的性能［J］. 石油化工，2009，38（8）：834 - 838.

［20］ Dalby K N，Nesbitt H W，Zakaznova-Herzog V P，et al. Resolution of Bridging Oxygen Signals from O（1s）Spectra of Silicate Glasses Using XPS：Implications for O and Si Spec iation［J］. Geochim Cosmochim Acta，2007，71（17）：4297 -4313.

［21］ Möller N，Greenberg J P，Weare J H. Computer Modeling for Geothermal Systems：Predicting Carbonate and Silica Sca le Formation，CO2Breakout and H2S Exchange［J］. Transport Porous Med，1998，33（1/2）：173 - 204.

［22］ Matthew S M，Christian S. Silicate Speciation in H2O-Na2OSiO2Fluids from 3 to 40 mo l%SiO2，to 600 ℃ and 2 GPa［J］. Geochim Cosmochim Acta，2014，13：126 - 141.

［23］ Wall T F，Bhattacharya S P，Baxter L L，et al. The Character of Ash Deposits and the Thermal Perfor mance of Furnaces［J］. Fuel Process Technol，1995，44（1）：143 - 153.

（编辑 平春霞）

Characteristics of Salt Deposition in Oilfield Steam Pipeline

Dong Bin1，Zhai Xiaoyu1，Xu Ying1，Lin Senming2，Zhao Wenxue3，Han Kejiang3
（1. State Key Lab of Pollution Control and Resource Reuse，Tongji University，Shanghai 200092，China；2. Xinjiang Oilf eld Engineering Technology Company，Kalamayi Xinjiang 834000，China；3. China Huanqiu Contracting and Engineering Corporation， Beijing 100012，China）

When oilfield sewage was reused in thermal recovery boiler，salt deposition formed in steam pipeline in the Xinjiang oilf eld. The salt deposition was characterized by means of SEM，XRD，EDS and XPS. The results showed that the salt deposition in steam pipeline was regular block shape with smooth dense section and rough surface，and its major components were Na2Si2O5and a small amount of Na2CO3，which formed due to the interaction of silicic acid，sodium bicarbonate and sodium carbonate in reused sewage under high temperature and high pressure(12.6 MPa and 486 ℃)，and high concentration sodium chloride in the reused sewage would not deposit in the pipeline. The formation of the salt deposition could be relieved through improving the heat preservation of the steam pipeline and controlling the silicon content in the reused sewage.

oilf eld sewage reuse；steam-injection boiler；steam pipeline；salt deposition

1000 - 8144（2015）12 - 1524 - 05

X 703

A

2015 - 07 - 24；［修改稿日期］ 2015 - 09 - 08。

董滨（1978—），男，山东省青岛市人，博士，副教授，电话 021 - 65981794，电邮 tj_dongbin@163.com。

MPE-3重油高效集输关键技术研究项目（60058-00-0000-CA-002）。