大港油田的加熱爐防垢技術分析

 
摘要：本文主要針對大港油田港西區塊的地下水源區域，根據來水中所含的離子和垢的成分，分析結垢的成因機理；在充分分析目前采用的化學防垢技術的機理與實施效果的基礎上，通過室內篩選實驗和礦場試驗，提出超聲波防垢技術和ENMAX防垢技術更具優勢，適于在本區塊推廣采用。 
　　關鍵詞：加熱爐 結垢 化學防垢 物理防垢 
　　1 前 言 
　　在油田生產過程中，地面加熱爐的結垢是很常見的問題。加熱爐加熱盤管等表面結垢不僅降低了加熱爐加熱效率，也造成嚴重的安全隱患；爐后管線結垢后使摻水、熱洗流量顯著減小，嚴重時難以保證正常生產；另外，每年進行加熱爐維護和清垢投資都要幾十萬元甚至上百萬元，尤其是大港油田港西區塊的地下水源區域的加熱爐，結垢最為嚴重，直接影響了油田的經濟效益。因此，有必要進一步探索該區塊加熱爐結垢成因，選擇新型防垢技術，通過現場試驗和經濟評價優選出合適的防垢技術。 
　　2加熱爐垢的成因分析 
　　為了分析加熱爐結垢原因，首先對港西區塊聯合站的加熱爐水樣進行化驗，表明：聯合站水樣的總礦化度和固體懸浮物指標很高，其中氯離子含量、鉀 鈉離子、鎂離子、碳酸氫根離子含量較高。由于這些離子的存在，當環境條件發生變化時，就會發生化學反應形成碳酸鈣、硫酸鈣、各種鎂鹽及各種鐵鋁化合物沉淀形成水垢。 
　　垢樣表現出多樣性：含有碳酸鹽的水垢呈白色；鐵鋁化合物較多的垢樣呈棕褐色；含有硫化物的垢樣呈棕黑色；含有硫酸鹽的水垢呈黃白色；含油垢較多的水垢呈黑色。除了以上水垢外，還有有機物質（油、細菌、有機殘渣）、淤泥及粘土等形成的污泥。 
　　本次垢樣在加熱爐出口管線內壁上取得，經過垢樣組分化驗分析及X射線衍射分析結果發現：結垢厚度1.9mm，灰褐色硬片狀，垢質較硬；從垢質分析上來看，Al2O3、Fe2O3含量、油垢、氧化鈣鎂含量較高，屬于以鐵鋁氧化物、油垢、氧化鈣鎂等為主的水垢。 
　　3防垢技術及原理 
　　化學防垢方法，即通過加入阻垢劑達到防垢、除垢的目的。這也是目前該油田主要采取的防垢措施，即中轉站建有加藥間、儲藥間，通過加藥裝置將阻垢劑加入管匯，阻垢劑主要用螯合分散劑，最常用的是HEDP、HPMA，加藥濃度通常為5～10 ppm，主要是通過靜電斥力作用、晶格畸變作用、增溶作用、分散作用以及清垢作用達到防垢效果。現場調研表明，化學防垢方法具有一定的防垢效果，中轉站加熱爐平均結垢速度可控制在5.0 mm/a以內，管道平均結垢速度可控制在2.5 mm/a以內。但該方法存在結垢速度較快、成本高等問題。 
　　物理防垢技術原理簡單且方式多樣，主要有超聲波防垢技術、MERUS防垢技術、變頻共振防垢技術、微耗智能廣譜電子防垢技術以及ENMAX防垢技術等防垢技術。超聲波的防垢效果是由超聲波在介質中的振動傳播和空化作用來實現的。ENMAX防垢技術利用電磁作用作為其防垢的主要機理：原水通過磁場時獲得的能量使締合體中的氫鍵斷裂，并使Ca （HCO3）2分子內氫鍵斷裂，這使磁化水在加熱過程中析出的CaCO3結晶主要以懸浮于水中的亞微觀粒子為結晶中心；經磁場處理后的水進入加熱爐加熱后，所含鹽的結晶就向著配位數低的方解石運行；磁場引起的離子強烈極化導致晶體結構發生改變，造成鈣鹽占優勢的磁化水在加熱爐中結晶成方解石。 
　　4 防垢技術現場效果分析 
　　在大港油田港西區塊的中轉站對室內優化出的物理防垢技術進行現場試驗。（1）以物理防垢技術完全替代化學防垢，在進行試驗的中轉站停止加阻垢劑，應用安裝在特定位置的物理防垢裝置進行現場試驗并觀察作用效果；（2） 界定兩種物理防垢技術的應用范圍，將超聲波防垢器安裝于加熱爐后的管線上，將ENMAX防垢裝置安裝于加熱爐進口匯管（或管線）上，研究這兩種技術對加熱爐和管線的除防垢作用；（3） 研究物理防垢技術對聚驅的適應性，在試驗站選擇上，同一試驗裝置包含了聚驅站和水驅站，研究物理防垢技術對聚驅的適應性；（4） 試驗裝置的安裝位置：在中109站加熱爐出口匯管安裝超聲波防垢器；中新201轉油站安裝ENMAX除防垢裝置，同時要確保介質流經裝置的流速在1.0～1.5 m/s；（5） 試驗監測對象：觀察加熱爐煙火管、管線結垢情況，測量結垢厚度，檢測出采用物理防垢技術后加熱爐和管線的結垢速度及對管線的作用距離；通過分析安裝設備前后水質變化情況及垢質成分變化情況驗證物理防垢技術的作用機理；主要監測點包括加熱爐煙火管、泵前過濾器、爐后管線和站外摻水管線等；（6） 確定試驗效果評價標準。不采用防垢率來評價防垢效果，而采用防垢速度來評價。對于管線，除了采用防垢速度外，將防垢的有效作用距離作為另外一項技術指標。經濟評價主要分析各類防垢技術的年成本，包括固定投資和運行維護費用。 
　　現場試驗結果表明：超聲波防垢技術僅適用于管線的防垢，對加熱爐防垢沒有效果，在水驅站可以將管線的結垢速度降低至1.0 mm/a，作用距離大于700 m； ENMAX防垢技術對水聚驅加熱爐及管線有防垢作用，對加熱爐防垢速度為10 .0mm/a，對管線防垢速度為3.0 mm/a，作用距離大于750 m。采用上述技術，每座中轉站對應的除防垢成本分別為8.3萬元/a和6.5萬元/a。采用ENMAX防垢技術的中轉站加熱爐耗氣平均減少15%，噸油耗氣減少2.2 m3，具有顯著的節能效果；超聲波防垢技術不能節約燃氣。上述兩項物理防垢技術的除防垢成本大大小于化學防垢方式16.3萬元/a的成本，并且在很大程度上保證了生產運行的安全平穩，減少了污染物的排放。 
　　5結論與建議 
　　（1） 大港油田港西區塊加熱爐結垢的原因主要是由于加熱爐進口水中鈣離子、鎂離子、硫酸根離子、鐵離子、鉀 鈉離子、碳酸根離子、碳酸氫根離子、氯離子等離子及離子組成的鹽類存在；加熱爐出口管線內壁結垢以鐵鋁氧化物為主，其次是油垢、氧化鈣鎂等。 
　　（2） 經過室內篩選實驗和礦場試驗優選出兩種物理防垢技術：超聲波防垢技術和ENMAX防垢技術。研究表明，這兩項防垢技術對本區塊聯合站加熱爐及管線的防垢效果好，且成本小于化學防垢方式，有效地保障了生產運行的安全平穩，減少了污染，建議在該油田推廣應用。