用于集输管道的阻垢涂层优选及性能评价

刘田甜，谭英学，孙美聪(胜利油田东辛采油厂，山东 东营 257094)

0 引言

油田生产过程中的集输管线结垢问题严重影响了油气田的正常生产，造成较大的经济损失[1-3]。涂料涂层技术在石油机械中的最主要应用是对一些石油采储过程中的油管、套管以及钻杆进行保护[4-5]。各个油田都为注水系统尤其是注水井油管的防结垢做了许多努力，目前，通过在管道表面涂层处理技术，利用具有特殊性能的涂层来阻止垢在涂层表面上的形成，也能起到一定的防垢效果[6-7]。相对来说，管道内表面涂层处理技术对现场的管理要求最低，使用方便[8-10]。早期有化学镀镍磷涂层、渗氮渗铝涂层、不锈钢衬里，它的涂层都是从防腐蚀的角度出发来防垢，实践证明有一定的效果，但防垢效果不是很好；中期有玻璃钢涂层，防垢效果都要好于早期的涂层，但涂层质量参差不齐，时常有涂层脱落的现象发生[11]。目前，部分油田开始使用环氧树脂涂层，虽然成本相对较高，但效果较好[12]。

本文综合考虑集输系统的水质、实际工况以及现有集输系统的结垢情况，自行调研选择三种阻垢涂料，开展高性能阻垢涂层评价实验，优选得到适用于长庆油田现场集输系统的高性能阻垢涂层。

1 实验材料及方法

1.1 实验溶液

本文参照SY/T 5673—93 《油田防垢性能评价标准》配置碳酸钙垢液、硫酸钡垢液及硫酸锶垢液，用以评价三种防垢涂层对各种类型垢的阻垢效果，垢液成分及含量如表1所示。为模拟现场不同层系采出液混输后不配伍的情况，本文在配制溶液时，将结垢性阳离子及阴离子分开配制，分别加热到指定温度后，立即混合开始实验，使离子结合成垢的过程在实验过程中进行。

表1 三种垢液中的化学试剂成分及含量

1.2 实验方法

本文采用JY-82A接触角测定仪对三种涂层的接触角进行测量。在每个涂层试件上选取三个位置进行三次接触角测定，最后取平均值即为该涂层的接触角数值。采用旋转挂片腐蚀实验仪通过试片旋转的方式模拟管道内采出液流动的工况，通过调节转速来模拟不同的流速，仪器下方带有水浴加热装置，可对实验溶液进行控温。实验前在基材试片上涂刷涂层，采用涂层测厚仪筛选厚度满足要求的试片进行实验。本文采用单一垢液(碳酸钙、硫酸钡、硫酸锶垢液)和现场水样在不同温度、不同转速下对自行调研的防蜡阻垢涂层、防油污涂层及自清洁涂层进行防垢性能评价及优选。由于集输管道运行压力普遍较低，因此本文实验在常压下开展，单次动态实验时间为7 d。

2 结果与讨论

2.1 接触角测试结果

接触角测试结果如表2所示，三种涂层接触角均大于90°，均具有疏水性。防油污涂层接触角最大，防蜡阻垢涂层次之，自清洁涂层最小。相对于粗糙度来说，材料的表面能的高低是引发结垢、结蜡的重要因素。有机涂层目前已经广泛用于管道的内壁，由于有机涂层极性小、表面粗糙度低，因此涂层还具有明显的防结蜡和防结垢性能。涂层材料的接触角越大，材料表面能越低，低表面能可以改变污垢层的结构，使其与基材表面的附着力减弱，污垢易脱落，即可以减小涂层上附着的垢的面积[13]。因此从接触角测试结果来看，防油污涂层阻垢效果最好。

表2 接触角测量结果 单位：°

2.2 不同温度下三种涂层阻垢性能评价

由于地层采出液温度较高，在集输管道内输送的过程中温度逐渐降低到环境温度，因此集输管道中采出液温度一般介于20 ℃至70 ℃[14]。本节三种涂层分别在25 ℃、45 ℃及65 ℃的温度条件下采用差重法进行阻垢效果测试，模拟流速0.2 m/s。

涂层防垢效果越好，实验前后试片的差重越小，说明涂层的阻垢效果越好，若管道内壁应用此涂层，则管道内壁不易结垢，达到阻垢效果。实验结果如图1所示，从结果可知，三种涂层在碳酸钙垢液中的相对阻垢效果相同，均为防油污涂层阻垢效果最好，防蜡阻垢涂层次之，自清洁涂层阻垢效果最差。这与接触角测试结果一致，说明低表面能的涂层表面不易结垢，尤其在有一定流速的流动溶液中，已吸附到表面的垢颗粒也很容易被冲掉，因此阻垢效果更好。

图1 不同温度下三种涂层在碳酸钙垢液中的结垢量对比

通过式(1)计算阻垢率，不同温度下防油污涂层在三种垢液中的阻垢率如图2所示，可以发现，防油污涂层对硫酸钡垢的阻垢效果最好，随着温度的升高，防油污涂层对三种垢液的阻垢率均呈现缓慢下降的趋势。当流速为0.2 m/s时，在碳酸钙垢液中，阻垢率最低为60.4%，最高为73.5%。在硫酸钡垢液中，阻垢率最低为75.3%，最高为92.5%。在硫酸锶垢液中，阻垢率最低为71.4%，最高为78.1%。

图2 不同温度下防油污涂层在三种垢液中的阻垢率

式中：ε为阻垢率(%)；M1为实验结束裸钢试片烘干后的重量(g)；M2为实验结束带涂层试片烘干后的重量(g)。

2.3 不同流速下三种涂层阻垢性能评价

受区块地层产量影响，现场集输管道的流速一般介于0.1 m/s至0.8 m/s之间[15]。本节中三种涂层分别在0.2 m/s、0.4 m/s及0.6 m/s的流速条件下采用差重法进行阻垢测试，控制实验温度为45 ℃。不同流速下防油污涂层在三种垢液中的阻垢率结果如图3所示，随着流速升高阻垢率均呈现缓慢上升的趋势。这是因为涂层表面能低导致垢在其表面吸附不牢固，增大流速会将部分已吸附的垢层冲掉。结合2.2的实验结果可知，在采出液的输送温度、流速范围内，防油污涂层对于单一垢型溶液的阻垢效果较好，可达60.4%至84.8%。

图3 不同流速下防油污涂层在三种垢液中的阻垢率

2.4 防油污涂层对现场采出液的阻垢效果测定

为验证防油污涂层在矿化度较高且垢型丰富的现场采出液中的阻垢效果，选取长庆油田结垢严重的集输管道对应的8种不同层系采出液进行评价，所有采出液均已进行除油处理。设置实验温度为45 ℃时、转速为0.2 m/s，每组实验进行三次平行实验，结垢量数据取平均值后如表3所示。由表3数据可得，涂有防油污涂层试片的结垢量明显低于裸钢试片的结垢量，防油污涂层在各水样实验中阻垢率均高于51.9%，其中对2号水样的阻垢率更是高达83.4%。根据调研结果可知[14]，长庆油田目前的主要阻垢措施为加注阻垢剂，在最优加注方案下，阻垢率介于40%至80%。本文优选的防油污涂层的阻垢效果与阻垢剂的阻垢效果相当。由于地层采出液理化性质多变，且阻垢剂对水质较为敏感，因此阻垢剂的阻垢效果不稳定。而阻垢涂层作为物理防垢措施，对水质的兼容性更强，阻垢效果更加稳定出色。因此，防垢涂层适用于油田的集输管道，是一种低成本、效果好且绿色环保的阻垢措施。

表3 防油污涂层对现场采出液的阻垢性能评价

3 结语

涂层的阻垢性能与其表面能相关，接触角越大，说明涂层的表面能越小，越不容易结垢。其中防油污涂层阻垢效果最好，在采出液的输送温度及流速范围内，随着温度的升高，涂层阻垢率降低，随着流速的增加，涂层的阻垢率升高。优选的防油污涂层对单一垢型溶液的阻垢率可达60.4%至84.8%，对现场不同层系采出液的阻垢性能可达51.9%以上。因此防垢涂层可用于油田现场的集输管道，相比于加注阻垢剂等手段而言，是一种低成本、效果好且绿色环保的阻垢措施。