韓文靜,宋進(jìn)朝

(永城職業(yè)學(xué)院機(jī)電系,河南 永城 476600)

三元注入站靜態(tài)混合器導(dǎo)流芯垢物研究及清洗措施

韓文靜,宋進(jìn)朝

(永城職業(yè)學(xué)院機(jī)電系,河南 永城 476600)

為解決三元注入站靜態(tài)混合器結(jié)垢堵塞的問(wèn)題,利用掃描電子顯微鏡、能譜儀等對(duì)垢物進(jìn)行了分析和表征.結(jié)果表明,垢物主要是碳酸鹽和腐蝕產(chǎn)物 Fe2O3.其堵塞主要是由聚合物與三元采出液的污水混合引起的,因污水中含有易分泌粘狀物的鐵細(xì)菌.對(duì)此,提出了采用含鹽酸、滲透劑和緩蝕劑等成分的復(fù)配型除垢劑除垢.

垢物;靜態(tài)混合器;表征;除垢

靜態(tài)混合器是一種沒有運(yùn)動(dòng)部件的高效混合設(shè)備,通過(guò)固定在管內(nèi)的混合單元內(nèi)件,使二股或多股流體產(chǎn)生液體的切割、剪切、旋轉(zhuǎn)和重新混合,達(dá)到流體之間良好分散和充分混合的目的.石油生產(chǎn)過(guò)程是一環(huán)扣一環(huán)的,每一個(gè)生產(chǎn)單元對(duì)整個(gè)流程都是至關(guān)重要的,往往某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)影響整個(gè)裝置的正常連續(xù)運(yùn)行,給生產(chǎn)造成巨大損失.注入站的靜態(tài)混合器是三次采油聚合物注入站用于母液和水相混合的一種專用設(shè)備,結(jié)垢堵塞將導(dǎo)致其停運(yùn),影響生產(chǎn)效率,因此有必要解決靜態(tài)混合器結(jié)垢堵塞問(wèn)題,以保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 取樣

清水罐的水經(jīng)過(guò)離心泵和電動(dòng)閥進(jìn)入具有分散溶解作用的水粉混配器,和經(jīng)過(guò)計(jì)量的干粉混合.初步濕潤(rùn)的水粉混合物經(jīng)過(guò)分散裝置配備的螺桿泵被輸送到熟化罐中進(jìn)行熟化,熟化后的母液經(jīng)過(guò)螺桿喂入泵進(jìn)入注聚泵的入口,在注聚泵增壓后與污水按比例混合,然后通過(guò)靜態(tài)混合器注入井內(nèi)[1].而靜態(tài)混合器上附著的大量垢物,較為堅(jiān)硬且不易剝離.將垢物從靜態(tài)混合器導(dǎo)流芯上取下,對(duì)其進(jìn)行分析.

1.2 測(cè)試

測(cè)試前將樣品表面去油污并烘干.采用S-3400N掃描電鏡分析樣品形貌.化學(xué)分析前將樣品的有機(jī)質(zhì)溶蝕,用石油醚浸泡、沖洗,烘干后稱重.采用INCA 350型EDS分析樣品成分.

2 結(jié)垢物的表征與分析

2.1 形貌觀察

從圖1可看出,垢物的外觀主要為乳白色片狀或粉粒狀物.緊挨靜態(tài)混合器的垢物內(nèi)表面為灰褐色致密組織,內(nèi)有空洞,由許多細(xì)小圓形顆粒和片狀不規(guī)則顆粒組成.垢物外表面呈淺白色,為疏松多孔組織.

2.2 化學(xué)分析

在垢物中加入稀鹽酸,有大量的氣體產(chǎn)生,說(shuō)明垢物中有碳酸鹽.垢物經(jīng)稀鹽酸充分溶解后過(guò)濾,濾紙上留有少量的不溶物和泥砂狀物質(zhì).取其濾液分析,結(jié)果表明濾液中有鐵離子存在,說(shuō)明垢物中有鐵的氧化物.垢物的化學(xué)成分詳見表1.

圖1 垢物形貌(a)垢物內(nèi)表面;(b)垢物外表面Fig.1 The SEM morphologies of the scale substances(a)The inner surface of the scale substances;(b)The outer surface of the scale substances

表1 垢物的化學(xué)成分Table 1 Chemical constituents of the scale substances

圖2 垢物內(nèi)表面SEM圖像Fig.2 The SEM morphology of inner surface ofthe scale substances

由表1可知,垢物成分主要為碳酸鈣、碳酸鎂、酸不溶物、有機(jī)物和水.垢物含酸溶物(碳酸鹽及少量Fe2O3)約63.6%.圖2和表2表明,垢物內(nèi)表面化學(xué)成分組成中鎂、硅、鐵、碳含量很高,而鈣的含量不高,灰白色顆粒經(jīng)測(cè)定為100%Si,說(shuō)明垢物中含有較純凈的石英質(zhì).圖3和表3表明,外表面化學(xué)組成中鈣的含量較高,為碳酸鈣沉淀.由此可以推斷,結(jié)垢初期大量的銹垢、泥沙以及溶液中形成的鎂垢附著導(dǎo)流芯表面上,隨著時(shí)間的推移,鈣垢以此為晶核逐漸生成.

表2 垢物內(nèi)表面能譜化學(xué)分析Table 2 The EDS analysis of inner surface of the scale substances

圖3 垢物外表面SEM圖像Fig.3 The SEM morphology of outer surface ofthe scale substances

表3 垢物外表面能譜化學(xué)分析Table 3 The EDS analysis of outer surface of the scale substances

3 形成結(jié)垢物的原因

三元注入復(fù)合驅(qū)體系的化學(xué)藥劑(主要是弱堿Na2CO3,加入量為0.5%)與污水混合后,與污水中的成垢離子發(fā)生物理化學(xué)作用,產(chǎn)生沉淀.表4為水樣的分析結(jié)果.

其結(jié)垢機(jī)理大致為:

結(jié)垢主要由溫度、壓力等熱力學(xué)條件改變引起的,垢的形成過(guò)程可簡(jiǎn)單表示為:溶液→過(guò)飽和溶液→晶體析出→晶體生長(zhǎng)→結(jié)垢.對(duì)于垢的形成過(guò)程,溶液過(guò)飽和狀態(tài)、結(jié)晶的沉淀與溶解、與表面接觸時(shí)間等是關(guān)鍵因素,其中過(guò)飽和度是結(jié)垢的首要條件,而過(guò)飽和度除與溶解度有關(guān)外,還受熱力學(xué)、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等多種因素的影響[2].

表4 水樣分析結(jié)果Table 4 Analysis results of water samples mg/L

在此流體動(dòng)力學(xué)因素起了很大的作用,流體動(dòng)力學(xué)因素主要是液流形態(tài)(層流、紊流)、流速及其分布.靜態(tài)混合器的混合過(guò)程是靠固定在管內(nèi)的混合元件進(jìn)行的.由于混合元件的作用,使流體時(shí)而左旋時(shí)而右旋,不斷改變流動(dòng)方向,不僅將中心液流推向周邊,而且將周邊流體推向中心,從而達(dá)到良好的徑向混合效果.與此同時(shí),在相鄰元件連接處的界面上亦會(huì)發(fā)生流體自身的旋轉(zhuǎn)作用.這種完善的徑向環(huán)流混合作用,使流體在管子截面上的溫度梯度、速度梯度和質(zhì)量梯度明顯減少.兩種或多種物質(zhì)之間的混合通常依靠擴(kuò)散、對(duì)流和剪切三種作用來(lái)完成.對(duì)于高分子聚合物(如聚丙烯酰胺溶液)而言,由于大分子移動(dòng)的粘滯性,分子的擴(kuò)散作用在聚合物混合中的效應(yīng)完全可以忽略不計(jì)[3].

靜態(tài)混合器中沒有強(qiáng)大的推動(dòng)力,對(duì)流作用沒有明顯的效果.紊流雖然可以加大聚合物凝絮體水溶液的對(duì)流分布作用,但由于高分子聚合物水溶液的粘度通常較大,流動(dòng)往往處于層流狀態(tài).剪切使物質(zhì)粒子或凝絮體產(chǎn)生變形,混合時(shí)作為分散相的聚合物粒子或凝絮體受剪切作用,由大到小進(jìn)行分散[4].

滲流較層流、層流較湍流更容易結(jié)垢,亦即雷諾數(shù)越小越易結(jié)垢.初始狀態(tài),混合物混合單元分割旋流產(chǎn)生的對(duì)流剪切,分散分布混合作用大于紊流的對(duì)流剪切混合作用.隨著長(zhǎng)度的增加,紊流的混合作用加強(qiáng),二者混合程度接近.紊流使水質(zhì)點(diǎn)相互碰撞,流速增加使液流攪合程度增大,沉淀晶體凝聚加劇,促使晶核快速形成.管線內(nèi)不光滑表面、已腐蝕表面附近易出現(xiàn)紊流狀態(tài),使局部過(guò)飽和度增大產(chǎn)生結(jié)垢.結(jié)垢優(yōu)先發(fā)生在高度紊流區(qū),因?yàn)槲闪骺纱龠M(jìn)混合和傳質(zhì),有助于壁表面上的晶核生成.紊流劇烈,更易發(fā)生結(jié)垢.流速對(duì)油田結(jié)垢的影響目前有兩種相反的研究結(jié)論:一種是提高流速能抑制結(jié)垢.流速提高,增大了流體沉積物的切應(yīng)力,從而加劇了垢物自表面脫除.另一種是提高流速促進(jìn)結(jié)垢生長(zhǎng).流速提高,結(jié)垢過(guò)程中離子擴(kuò)散阻力較大或沉積物附著力很強(qiáng),而流體切應(yīng)力相對(duì)較弱,從而易附著成垢[5].

另外,污水對(duì)管道設(shè)備的腐蝕也影響垢物的生成.低溫水在系統(tǒng)中循環(huán)時(shí)與空氣充分接觸,使水中溶解的氧可以達(dá)到飽和狀態(tài).當(dāng)碳鋼與溶有氧的水接觸時(shí),由于金屬表面的不均勻性和水的導(dǎo)電性,在碳鋼表面會(huì)形成許多腐蝕微電池,微電池的陰極區(qū)發(fā)生還原反應(yīng),陽(yáng)極區(qū)發(fā)生氧化反應(yīng).碳鋼在水中的腐蝕反應(yīng)式為:

最終沉淀物為Fe(OH)3.

Fe2O3結(jié)構(gòu)疏松無(wú)保護(hù)作用,使微電池的陽(yáng)極區(qū)的金屬不斷溶解而被腐蝕.腐蝕加速結(jié)垢,垢物中的銹垢由此產(chǎn)生.微生物的滋生也會(huì)使金屬產(chǎn)生坑蝕和點(diǎn)蝕,這是由于微生物排出的粘液無(wú)機(jī)垢和泥沙雜物等形成的沉積物附著在金屬表面,形成氧濃差電池,促使金屬腐蝕.污水中含有大量的有機(jī)物,但因礦化度高,介質(zhì)與胞體內(nèi)滲透壓差大,不宜滋生細(xì)菌.而清水具備形成細(xì)菌的條件,但沒有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).清水與污水混合后,細(xì)菌將大量繁殖,產(chǎn)生結(jié)膜現(xiàn)象.這是因?yàn)?細(xì)菌最適宜的生長(zhǎng)溫度為30～35℃,含油污水溫度一般為45℃,清水溫度一般約17℃,二者相混后,混合水的溫度恰好為細(xì)菌適宜生長(zhǎng)的溫度;含油污水中含有大量的有機(jī)物質(zhì),為細(xì)菌的繁殖提供了營(yíng)養(yǎng)源.油田污水中普遍存在鐵細(xì)菌(IB).鐵細(xì)菌能把水中溶解的 Fe2+氧化成 Fe3+,沉積于菌體鞘內(nèi)或菌體周圍,并從中取得能量,同化CO2,形成的膠鞘使菌體成絲狀體堵塞管道.有些鐵細(xì)菌分泌出大量的粘性物質(zhì)而使注水井和過(guò)濾器堵塞.鐵細(xì)菌可在很短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量鐵氧化物沉積[6].

4 垢物的清洗措施

化學(xué)法除垢是利用可溶解垢的化學(xué)物質(zhì)使垢沉積物變得疏松而脫落或溶解.針對(duì)垢物的成分,研制了復(fù)配型除垢劑.其中碳酸鹽垢可用鹽酸清除,而酸性除垢劑有腐蝕性,需加入緩蝕劑[7].先用殺菌劑清洗剝離粘泥,然后用復(fù)配型除垢劑清洗除垢.用鹽酸處理油田設(shè)備結(jié)垢時(shí),必須添加合適的化學(xué)添加劑.其中緩蝕劑可減緩酸液對(duì)設(shè)備管線的腐蝕;鐵離子穩(wěn)定劑(檸檬酸或冰醋酸),可防止 Fe3+或Fe2+變?yōu)镕e(OH)3或 Fe(OH)2沉淀.為了除去垢物表面的烴類及油污,酸液中常加入表面活性劑.復(fù)配型除垢劑的配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:工業(yè)鹽酸(有效含量)10%～15%、滲透劑 0.5%～1.5%、除油劑0.5%～1.5%、緩蝕劑1%～1.5%、FX-O1型高效液體消泡劑0.1%～0.5%、檸檬酸2%～3%、乙二醇單丁醚約1%及適量的殺菌劑.配方中滲透劑為陽(yáng)離子表面活性劑,除油劑為非離子表面活性劑.在現(xiàn)場(chǎng)用該配方除垢劑進(jìn)行試驗(yàn),除垢效果良好.

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Analysis of scale substances deposited on diversing dores of the static mixer unit in ASP flooding station

HAN Wen-jing1,SONGJin-chao1
(Yongcheng Vocational College,Yongcheng476600,China)

The scale substances deposited on diversing dores of mixer unit were investigated by SEM andEDS for understanding the block of mixer unit due to the scale formation.The experimental results showed that the scale substances were mainly carbonate and iron oxide resulted from corrosion;and the scale formation was produced due to the polymer liquids mixing with wastewater which contained iron bacteria of secreting viscid membranes easily.A method of scale removal was suggested.The scale remover which contained hydrochloric acid,penetrant,corrosion inhibitor and other components was used to descale the substances.

scale substances;the static mixer unit;characterization;scale removal

TG115.5

A

1673-9981(2010)03-0226-05

2010-03-03

韓文靜(1985—),女,河南商丘人,講師,碩士.