付田田　李　丹　彭　壯　陳琦睿

長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,　湖北　武漢　430100

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油田管道超聲波除垢技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

付田田李丹彭壯陳琦睿

長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北武漢430100

目前油田管道的結(jié)垢問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響到油田的正常生產(chǎn)運(yùn)行,超聲波除垢技術(shù)作為一種新型物理除垢技術(shù)越來(lái)越受到重視。為了深入研究超聲波對(duì)油田管道除垢的效果,設(shè)計(jì)了一套超聲波除垢裝置,分別進(jìn)行了20、28、68、120 kHz四種頻率下的超聲波除垢模擬實(shí)驗(yàn)。針對(duì)碳酸鈣垢,超聲波頻率為28 kHz時(shí)除垢效果最佳；超聲波作用時(shí)間為5 min時(shí)除垢效果和經(jīng)濟(jì)效益最佳,垢質(zhì)晶體形成能力較弱；超聲波作用周期為12 h時(shí),除垢能力較強(qiáng)。通過(guò)對(duì)碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇、硫酸鍶等四種常見(jiàn)的無(wú)機(jī)垢進(jìn)行超聲波除垢實(shí)驗(yàn)并對(duì)比,發(fā)現(xiàn)超聲波對(duì)于硫酸鈣垢的除垢效果最好。

管道；超聲波；除垢；硫酸鈣；頻率

0　前言

我國(guó)油田管道含鹽量較高,造成結(jié)垢嚴(yán)重且較難清除等問(wèn)題,對(duì)油田的安全生產(chǎn)有較大影響,故開(kāi)展針對(duì)油田管道除垢技術(shù)的研究是非常必要的[1-3]?，F(xiàn)有除垢方法主要有化學(xué)除垢和物理除垢兩種,化學(xué)除垢方法在介質(zhì)中會(huì)添加化學(xué)物質(zhì),可能造成二次污染，不符合綠色環(huán)保的要求,所以本文主要研究物理除垢方法中的超聲波除垢效果及實(shí)際應(yīng)用參數(shù)。超聲波除垢利用超聲波對(duì)流體介質(zhì)的空化、活化、剪切及抑制效應(yīng)的共同作用使垢分散、粉碎、脫落,從而達(dá)到除垢的目的[4-5]。油田管道中的垢主要來(lái)自于注入水和地層水中難溶和微溶的混合物,超聲波對(duì)混合鹽的作用效果無(wú)法評(píng)價(jià),所以在研究超聲波對(duì)不同鹽類(lèi)的作用影響時(shí)主要是針對(duì)單種鹽類(lèi)垢進(jìn)行研究[6-7]。本文分別對(duì)碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇、硫酸鍶這四種油田常見(jiàn)無(wú)機(jī)垢開(kāi)展不同頻率和不同輻射時(shí)間條件下的超聲波除垢模擬實(shí)驗(yàn)[8-9]。

1　超聲波除垢實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1超聲波除垢實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)超聲波具有方向性的原理,除垢實(shí)驗(yàn)裝置主要采用超聲波發(fā)生器和超聲波換能器來(lái)發(fā)射超聲波,在水槽底部采用底振式(標(biāo)準(zhǔn)型)換能器。將已結(jié)垢或未結(jié)垢的掛片樣品放入不銹鋼水槽中,通過(guò)不同頻率超聲波的作用,觀察其除垢效果。超聲波除垢實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1,具體實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖見(jiàn)圖2。

圖1　超聲波除垢實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2　超聲波除垢實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

1.2實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)

本實(shí)驗(yàn)中所使用的主要試劑按SY/T 0600-2009《油田水結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)》規(guī)范選取。主要試劑的等級(jí)及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1,實(shí)驗(yàn)所需儀器見(jiàn)表2。

表1主要試劑的等級(jí)及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

藥品名稱(chēng)等級(jí)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氯化鈉分析純GB/T15897-1995氯化鈣分析純HG/T3-209-88氯化鎂分析純GB/T672-2006硫酸鈉分析純GB/T6009-2014碳酸氫鈉分析純GB/T640-1997氯化鋇分析純GB/T652-2003氯化鍶分析純HG/T3-1073-77氫氧化鈉分析純GB/T629-1997EDTA分析純GB/T1401-1998

表2主要儀器

儀器名稱(chēng)主要參數(shù)型號(hào)電子天平最大稱(chēng)重量220g精度0.001gⅡ型恒溫水浴鍋功率2000WHWS-28電熱鼓風(fēng)干燥箱±1℃BGK-246超聲波發(fā)生器-KMD-2812、KMD-6812、KMD-12012超聲波換能器20、28、68、120kHz-不銹鋼槽2.0mm(厚)-

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1)取相同初始濃度的標(biāo)準(zhǔn)碳酸鈣溶液進(jìn)行不同頻率下的超聲波實(shí)驗(yàn),作用相同的時(shí)間后測(cè)定不同頻率下的鈣離子濃度,從而確定超聲波除去碳酸鈣垢的最佳頻率,鈣離子濃度的監(jiān)測(cè)采用EDTA滴定法。

2)將結(jié)垢溶液放在相同頻率的超聲波水槽中,檢測(cè)在0～20 min的時(shí)間下鈣離子濃度的變化,從而確定超聲波除垢的最佳作用時(shí)間。

3)將結(jié)垢溶液放在相同頻率的超聲波水槽中,檢測(cè)在不同的實(shí)驗(yàn)周期，即4、6、12 h下的鈣離子濃度變化,從而確定超聲波除垢的最佳輻射周期[10-11]。

4)將打磨、除銹、沖洗、烘干、稱(chēng)重后的Q 235鋼制掛片放入標(biāo)準(zhǔn)碳酸鈣溶液中靜置8、24、48、72 h。待其結(jié)垢后,將已結(jié)垢的Q 235鋼制掛片,在相同頻率的超聲波水槽中,超聲波作用5 min,稱(chēng)量其垢量的減少,計(jì)算除垢率。硫酸鈣垢、硫酸鋇垢、硫酸鍶垢除垢實(shí)驗(yàn)步驟與上述一致。Q 235鋼制掛片見(jiàn)圖3。

圖3　Q 235鋼制掛片

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1超聲波除垢的最佳頻率

根據(jù)SY/T 5673-1993《油田用防垢劑性能評(píng)定方法》配制碳酸鈣溶液,采用GB 7476-1987《水質(zhì)鈣的測(cè)定EDTA法》測(cè)得溶液中原始的鈣離子濃度為1.1 g/L。

實(shí)驗(yàn)方法：以最常見(jiàn)的碳酸鈣垢為樣本,實(shí)驗(yàn)溫度為40 ℃,采用不同的超聲波頻率,作用于碳酸鈣溶液[12]。通過(guò)EDTA滴定法測(cè)出不同頻率的超聲波作用后溶液中的鈣離子濃度,了解其對(duì)鈣垢的影響,超聲波發(fā)生器功率為1 500 W。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　不同超聲波頻率下的鈣離子濃度情況

由圖4可見(jiàn),在超聲波頻率為28 kHz時(shí)對(duì)應(yīng)溶液中的鈣離子濃度最高,表明該頻率下超聲波對(duì)碳酸鈣垢的除垢效果最為理想,而在68 kHz和120 kHz的較高超聲波頻率下的除垢效果較差。

理論分析來(lái)看,相同功率的超聲波儀器,也就是超聲波原始能量相同時(shí),不同頻率時(shí)在水中的空化作用可以分別達(dá)到20 000、28 000、68 000、120 000次/s[13]。振動(dòng)次數(shù)越少,超聲波單束能量越強(qiáng),除垢效果越好。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析不同,可能存在以下原因：20 kHz 的超聲波發(fā)生器調(diào)試效果沒(méi)有28 kHz超聲波發(fā)生器的效果好；人員操作測(cè)定鈣離子濃度時(shí)出現(xiàn)誤差。

2.2超聲波除垢的最佳作用時(shí)間

實(shí)驗(yàn)方法：以最常見(jiàn)的碳酸鈣垢為樣本,實(shí)驗(yàn)溫度為40℃,采用28 kHz的超聲波頻率,不同的超聲波作用時(shí)間[14-15]作用于碳酸鈣溶液,通過(guò)EDTA滴定法測(cè)量在不同作用時(shí)間后的鈣離子濃度,從而確定超聲波的最佳作用時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5　不同作用時(shí)間下的鈣離子濃度情況

由圖5可見(jiàn),超聲波的作用時(shí)間從0～1 min,鈣離子的濃度急劇增加；從1～5 min,鈣離子濃度增加得比較緩慢；而從5～15 min,鈣離子的濃度增長(zhǎng)趨于平緩。由此可以得出,超聲波最佳作用時(shí)間為5 min。對(duì)于上述鈣離子濃度的變化情況,可作如下解釋,從超聲波的作用時(shí)間來(lái)看,在0～1 min的時(shí)間內(nèi),超聲波對(duì)鈣離子形成碳酸鈣晶體有較為顯著的抑制作用,在超聲波的作用下,鈣離子呈游離狀態(tài)；在1～5 min的時(shí)間段里,超聲波的抑制作用依然存在,處于游離狀態(tài)的鈣離子數(shù)量不斷增加,碳酸鈣晶體繼續(xù)減少；作用5 min后,鈣離子的數(shù)量增加變緩,結(jié)晶能力也不再增強(qiáng),管道內(nèi)成垢周期變長(zhǎng),管道內(nèi)除垢效果顯著。

2.3超聲波除垢的最佳作用周期

實(shí)驗(yàn)方法：以最常見(jiàn)的碳酸鈣垢為樣本,實(shí)驗(yàn)溫度為40 ℃,采用28 kHz的超聲波頻率,不同的超聲波作用周期(4、6、12 h)作用于碳酸鈣溶液,每次超聲波輻照時(shí)間均為5 min,通過(guò)EDTA滴定法測(cè)量鈣離子濃度,了解其對(duì)碳酸鈣垢的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可知,在不同的超聲波作用周期情況下,溶液中的鈣離子濃度均有所增加,但是作用周期為4 h和6 h時(shí)溶液中鈣離子濃度增加得比較緩慢,而作用周期為 12 h 時(shí)溶液中鈣離子濃度的增加較為顯著,因此,通過(guò)對(duì)比可知輻照周期為12 h時(shí)超聲波的除垢效果較好。

從超聲波除垢實(shí)際應(yīng)用效果的角度來(lái)看,每隔12 h對(duì)管道做一次超聲波清洗,可以使鈣離子的結(jié)晶能力及產(chǎn)生碳酸鈣沉淀的能力顯著減弱,從而可有效防止管道結(jié)垢。

圖6　不同作用周期下的鈣離子濃度變化情況

2.4四種常見(jiàn)垢質(zhì)的除垢研究

對(duì)四種不同類(lèi)型的垢質(zhì),在實(shí)驗(yàn)條件為超聲波最佳頻率28 kHz,溫度分別為40、60、80 ℃,輻照時(shí)間為5 min時(shí),對(duì)靜置結(jié)垢時(shí)間分別為8、24、48、72 h的金屬掛片進(jìn)行除垢,并計(jì)算其除垢率。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

從圖7-a)可以看出,不同溫度下碳酸鈣的除垢率均呈規(guī)律性變化[16]。從除垢時(shí)間上來(lái)看,0～24 h除垢率處于緩慢上升階段,24～48 h處于迅速上升階段,而48～72 h則處于緩慢下降階段,在48 h時(shí)除垢率最大；從溫度來(lái)看,溫度為40 ℃時(shí)除垢效果最好,60 ℃時(shí)次之,80 ℃時(shí)除垢效果最差。

a) 碳酸鈣除垢率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

b) 硫酸鈣除垢率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

c) 硫酸鋇除垢率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

d) 硫酸鍶除垢率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)比20、28、68、120 kHz四種頻率下超聲波除垢后溶液中鈣離子濃度,從而確定頻率為28 kHz時(shí)的超聲波除垢效果最佳。

2)選取28 kHz的最佳頻率,分別對(duì)比不同超聲波作用時(shí)間后溶液中的鈣離子濃度,得出超聲作用時(shí)間為 5 min 時(shí)具有較好的除垢效果和經(jīng)濟(jì)效益。

3)選取28 kHz的最佳頻率,超聲波作用時(shí)間5 min,分別對(duì)比超聲波實(shí)驗(yàn)周期為4、6、12 h下溶液中的鈣離子濃度,確定了超聲波除垢的最佳實(shí)驗(yàn)周期為12 h。

4)通過(guò)四種常見(jiàn)鹽類(lèi)垢的超聲波除垢實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)不同種類(lèi)垢的超聲波作用效果不同。其中,超聲波對(duì)硫酸鈣垢的除垢效果最好,因此,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)管道中結(jié)垢的種類(lèi)合理確定超聲波除垢的相關(guān)參數(shù)。

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2015-08-12

國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目“超聲波除垢技術(shù)研究”(2014042)

付田田(1992-)，女，湖北松滋人，碩士研究生，主要從事多相管流研究。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.02.008