硫酸钡锶垢定点除垢物理模拟实验研究

康玉阳，李凡磊，刘松林，李 兴，齐 宁，冯贵宾，潘 义

（中国石油化工股份有限公司江苏油田分公司采油一厂，江苏扬州 225265）

硫酸钡锶垢定点除垢物理模拟实验研究

康玉阳，李凡磊，刘松林，李 兴，齐 宁，冯贵宾，潘 义

（中国石油化工股份有限公司江苏油田分公司采油一厂，江苏扬州 225265）

在油田正常生产作业过程中，采出水中含有的Ba2+、Sr2+易与产生沉淀，容易造成管道堵塞，损害生产设备，甚至影响到正常生产。国内外对于硫酸钡锶垢的防治多采用化学方法，但存在着流动过程中二次结垢的问题，防垢效果不佳。为解决传统除垢技术成本高、除垢效果差的问题，提出了一种新的物理除垢方法，该方法运用水处理工艺中的沉淀池原理及浅池沉淀理论，设计定点除垢器实验模型，具有操作简单、便于清理的优点，可以实现成垢离子在指定位置结垢的目的。以反应时间、成垢离子浓度、摩尔浓度比、温度作为影响硫酸钡锶垢结垢的敏感性因素，通过大量实验室定点除垢器物模实验，进行各敏感性因素评价分析。

定点除垢器；硫酸钡锶垢；结垢规律；浅池理论

随着油田含水率的上升、新层系的动用、合采层系的增加和油田注水强度的提高，油田结垢问题变得越来越突出。对于油气井来讲，由于结垢离子在井中的结垢腐蚀，造成油井在生产过程中出现一系列的事故，如泵卡、泵漏、抽油杆断裂等[1]；对于注水井来讲，注入水在地层中发生的沉淀现象，使地层孔隙度降低，渗透率减小，从而使地层的吸水指数降低，注水难度增大，作业的次数增加，严重的将会使注水管线堵死，使注水压力异常增高，发生严重的生产事故[1-5]。

为解决以上清防垢技术所带来的问题，本文提出一种物理清除垢方法-定点除垢器除垢技术。将易结垢离子引入定点除垢器中进行处理，避免结垢离子在管道中结垢、沉积及运移；通过室内定点除垢物模实验，对影响硫酸钡锶垢结垢的敏感性因素进行评价实验，并筛选出各因素的最优结垢条件，保证定点除垢器除垢效率。

1 定点除垢器原理及设计

1.1 理想沉淀池假设条件

（1）在同一水平断面上各个点的流动速度都等于水平流速v；

（2）整个沉淀池中固相颗粒分布均匀，按水平流速v流出，按沉降速度uo下沉；

（3）颗粒一经沉降，便认为被去除，不会再随液体流动。

图1 平流沉淀池沉淀原理图

1.2 浅池理论

设沉淀池总体积一定，沉淀池池长L，池中水平流速v，颗粒沉速为uo，在理想状态下L/H=v/uo，当池长L与水平流速v固定不变时，池身越浅即H越小，颗粒的沉降速率uo越小，根据Stocks定律可知，可被去除的悬浮固相颗粒越小。若用平行于水面的隔板，将深度为H的水面分成4层，每层层深为H/4，在流量Q不变的条件下，只需L/4，就可以将uo的颗粒去除。即总容积可减少到原来的1/4，就可以达到相同的处理效果；如果池长不变，由于池深为H/4，则水平流速可增加到4v，仍能将沉速为uo的颗粒除去，也即处理能力提高4倍。

1.3 平流沉降池沉降原理理论（见图1）

其中水的流速为：

式中：Q-处理流量（负荷）；B-沉淀池的宽度；H-沉淀池的高度。

钡锶离子反应速率快，而且晶体颗粒通常是微米级的，满足Stocks定律[6]：

式中：uo-颗粒沉降速率；dp-结晶体颗粒直径；K受到颗粒形状、流体的流态、流体性质等因素的影响。

在重力场、理想层流状态下的流体，当结晶颗粒直径一定时，沉降速度为常数。提高结晶颗粒的去除率，只有缩短沉降所需要的时间。缩短沉降所需要的时间，进行沉淀池物理模型的设计，可利用浅池沉淀的理论进行设计。对于分散颗粒，只有沉降速率大于或等于uo的晶体颗粒才会在高度为H的沉降池中沉降至池底并被完全去除；当沉降速率为沉降高度为h，结构晶体不能完全沉降在池底被去除，存在晶体颗粒去除的效率问题。

1.4 斜板沉淀池

斜板沉淀池[6，7]的理论依据仍为浅池理论，其晶体颗粒的沉降去除效率满足公式（3）。

从公式（3）中可以看出，沉降颗粒的去除率E是分离高度H的函数，当分离高度H降低时，沉降颗粒的去除效率增加；在其他影响因素一定的条件下，随分离高度减小，沉降颗粒首先在斜板上沉淀，进而缩短沉降时间，颗粒的去除效率相应增加。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积，减小沉淀池分离高度H，使得颗粒的去除效率增加。

1.5 定点除垢物理模型

定点除垢物理模型包括注入系统、反应系统、废液回收系统三部分，三部分依次贯通相连。

反应系统包括箱体、卡条支撑板、结垢板，箱体的上部设有液体采集口，箱体的两侧面设有连通至箱体内的入口管线接口，箱体的一侧面设有废液排出口。箱体内设置有多块隔板，将箱体空间分隔为混合区、结垢场和缓冲区，箱体上设有入口和液体采集口，入口与混合区连通，液体采集口与缓冲区连通，结垢场位于混合区与缓冲区之间。结垢场包括多块结垢板，多块结垢板之间相互平行，固定于卡条支撑板上。不同卡条支撑板固定部位与水平面夹角不同，分别为45°、60°和90°，用于验证结垢板不同角度对结垢率的影响。结垢板的材质有两种，一种是有机玻璃，一种是不锈钢，以便验证结垢板材质对结垢的影响。

2 定点除垢器物模实验研究

研究各单一因素反应时间、钡锶离子浓度、摩尔浓度比、温度对硫酸钡锶结垢规律影响的实验方法：

（1）利用天平分别称量所需BaCl2（SrCl2）、Na2SO4的质量，并分别溶解于含有7 L去离子水的中间容器中，并保证BaCl2溶液密封；

（2）通过控制泵的流量，调节液体在实验装置内所需的停留时间；

（3）含有成垢离子的两种液体由入口进入混合区，在混合区内进行结晶；

（4）混合液由支撑板孔进入到结垢场，与结垢板进行充分接触并沉淀；

（5）当液体进入缓冲区，在结垢场内未沉淀的垢在这一区域内可进一步沉淀，防止被带出实验装置；

（6）随后液体由样品采集口流出，并收集样品采集口所排出的液体，做好标签；

（7）通过检测流出液中结垢离子浓度，与混合前液体中的结垢离子浓度做对比，计算出结垢率。

3 定点除垢器结垢规律研究

结垢率计算公式：

式中：η-结垢率，%；c1-反应后离子浓度，mg/L；c2-反应前离子浓度，mg/L。

3.1 反应时间对单一硫酸钡锶结垢规律的影响

通过式（4），得到不同反应时间下硫酸钡锶的结垢率，实验数据（见表1、表2）。

表1 反应时间对硫酸钡结垢率的影响

室温的条件下，钡（锶）离子浓度、硫酸根离子一定时，钡离子结垢率均在99%以上，锶离子结垢率在90%～92.5%。硫酸钡结垢率随反应时间的增加先增加后减小最后趋于稳定状态，结垢率在5min～10min达到最大值；硫酸锶的结垢率随反应时间的增加先减小后增加再减小最后趋于稳定。

3.2 钡锶离子浓度对单一硫酸钡锶结垢规律的影响

通过式（4），得到不同钡锶离子浓度条件下硫酸钡锶的结垢率，实验数据（见表3、表4）。

表3 Ba2+浓度对硫酸钡结垢率的影响

表4 Sr2+浓度对硫酸锶结垢率的影响

在温度、硫酸根离子浓度、反应时间一定时，随着锶离子浓度的增加，硫酸锶的结垢率逐渐增加，最终结垢率处于稳定状态。锶离子浓度的增加会增加与硫酸根离子的碰撞几率，从而使结垢率不断增加，当锶离子浓度为1340.95mg/L时，结垢率随锶离子浓度的增加处于稳定状态。

表5 摩尔浓度比对硫酸钡结垢率的影响

3.3 摩尔浓度比对单一硫酸钡锶结垢规律的影响

利用公式（4）计算，不同摩尔浓度比条件下，单一硫酸钡锶垢的结垢率，实验数据（见表5、表6）。

表6 摩尔浓度比对硫酸锶结垢率的影响

随着硫酸根离子浓度的增加，钡、锶离子的结垢率先增加后减小，其中当时钡、锶离子的结垢率最大。主要是由于硫酸根离子浓度的增加会增加硫酸根离子与钡、锶离子的碰撞几率，使结垢率增大。当硫酸根离子浓度增加到一定程度时，随着硫酸根离子浓度的增加，Ba2+（Sr2+）与的竞争激烈，溶液处于动态平衡时，由于较低，钡、锶离子的剩余浓度较高，结垢率较低；当硫酸根离子浓度增加时，Ba2+（Sr2+）与的接触程度提高，使得Ba2+（Sr2+）与更容易形成沉淀，因而使得结垢率增加，当硫酸根离子增加到一定程度，使得溶液中钡锶离子处于弱势地位，此时结垢率不但不会增加，相应的还会减少，以保持溶液动态平衡。

3.4 温度对单一硫酸钡锶结垢规律的影响

利用公式（4）计算，不同温度条件下，单一硫酸钡锶垢的结垢率，实验数据（见表7、表8）。

表7 温度对硫酸钡结垢率的影响

表8 温度对硫酸锶结垢率的影响

随着温度的增加，钡、锶离子的结垢率先增加后减小。钡离子的结垢率均为99%以上，结垢率在温度变化下波动较小，但在小范围内仍有所波动。锶离子的结垢率随温度增加变化幅度较大，温度在80℃时结垢率最高。从热力学的角度分析得知，随温度的增加，水溶液中离子的活跃程度增加，不配伍离子间的接触几率增加，更容易产生沉淀；当温度增加到一定程度，随着温度的增加，离子的溶度积随温度的增加而增大，当结垢程度达到一定程度，由于结垢离子的离子积小于溶度积，使结垢率降低。

4 结论

（1）基于浅池理论设计的定点除垢物理模型，包括注入系统、反应系统、废液回收系统三部分，通过调节卡条支撑板的角度、调整结垢板的倾斜程度、更换不同结垢板的材料调节结垢表面、调节流速来改变反应时间，使混合液在反应系统的混合区中进行反应，通过结垢规律分析对定点除垢器的结构进行优化，以保证除垢效率。

（2）在钡、锶离子与硫酸根离子结垢的过程中，相比较于锶离子，钡离子更容易与硫酸根离子结垢，而且结垢现象更加明显；反应时间对硫酸钡、锶结垢的影响虽然并不明显，但是将时间控制在5min～10min钡、锶离子的结垢率最大。

（3）钡离子浓度对于硫酸钡的结垢率影响较小，但是锶离子浓度对硫酸锶垢的结垢率影响显著，锶离子浓度较低时的结垢率明显小于锶离子浓度较高时的结垢率，当时钡锶离子结垢率最大。

（4）硫酸根离子浓度对于钡离子的结垢率影响较弱，但是硫酸根离子的浓度对硫酸锶的结垢率影响较为明显，增加硫酸根离子浓度可以增加硫酸锶的结垢率，当时钡锶离子结垢率最大。

（5）温度对钡离子的结垢率影响较低，但温度对锶离子的结垢率影响较大，当温度在80℃时，锶离子的结垢率达到最大值。

［1]耿玉广，张伟，刘云，等.油井管杆腐蚀结垢原因分析及防治技术［J］.腐蚀科学与防护技术，2015，27（3）：305-309.

［2]吴新民，付伟，白海涛，等.姬塬油田注入水与地层水配伍性研究［J］.油田化学，2012，29（1）：33-37.

［3]靳宝军.纯梁采油厂采输系统结垢机理及防垢技术研究［D］.东营:中国石油大学（华东），2011：1-2.

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［6]张锡波，张群正，林文兴，徐桂宏.超声波防垢技术在孤东油田中的应用［J］.西安石油学院学报（自然科学版），2000，（5）：25-29.

［7]陈先庆.超声波防垢技术在油田中的应用研究［J］.钻采机械，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

康玉阳，男（1987－），满族，河北平泉人，学士，工程师，2010年毕业于东北石油大学获得油田应用化学学士学位，现从事油田化学法处理工艺的研究与技术管理工作。