硫酸鋇鍶垢定點除垢物理模擬實驗研究

康玉陽，李凡磊，劉松林，李 興，齊 寧，馮貴賓，潘 義

（中國石油化工股份有限公司江蘇油田分公司采油一廠，江蘇揚州 225265）

硫酸鋇鍶垢定點除垢物理模擬實驗研究

康玉陽，李凡磊，劉松林，李 興，齊 寧，馮貴賓，潘 義

（中國石油化工股份有限公司江蘇油田分公司采油一廠，江蘇揚州 225265）

在油田正常生產作業(yè)過程中，采出水中含有的Ba2+、Sr2+易與產生沉淀，容易造成管道堵塞，損害生產設備，甚至影響到正常生產。國內外對于硫酸鋇鍶垢的防治多采用化學方法，但存在著流動過程中二次結垢的問題，防垢效果不佳。為解決傳統除垢技術成本高、除垢效果差的問題，提出了一種新的物理除垢方法，該方法運用水處理工藝中的沉淀池原理及淺池沉淀理論，設計定點除垢器實驗模型，具有操作簡單、便于清理的優(yōu)點，可以實現成垢離子在指定位置結垢的目的。以反應時間、成垢離子濃度、摩爾濃度比、溫度作為影響硫酸鋇鍶垢結垢的敏感性因素，通過大量實驗室定點除垢器物模實驗，進行各敏感性因素評價分析。

定點除垢器；硫酸鋇鍶垢；結垢規(guī)律；淺池理論

隨著油田含水率的上升、新層系的動用、合采層系的增加和油田注水強度的提高，油田結垢問題變得越來越突出。對于油氣井來講，由于結垢離子在井中的結垢腐蝕，造成油井在生產過程中出現一系列的事故，如泵卡、泵漏、抽油桿斷裂等[1]；對于注水井來講，注入水在地層中發(fā)生的沉淀現象，使地層孔隙度降低，滲透率減小，從而使地層的吸水指數降低，注水難度增大，作業(yè)的次數增加，嚴重的將會使注水管線堵死，使注水壓力異常增高，發(fā)生嚴重的生產事故[1-5]。

為解決以上清防垢技術所帶來的問題，本文提出一種物理清除垢方法-定點除垢器除垢技術。將易結垢離子引入定點除垢器中進行處理，避免結垢離子在管道中結垢、沉積及運移；通過室內定點除垢物模實驗，對影響硫酸鋇鍶垢結垢的敏感性因素進行評價實驗，并篩選出各因素的最優(yōu)結垢條件，保證定點除垢器除垢效率。

1 定點除垢器原理及設計

1.1 理想沉淀池假設條件

（1）在同一水平斷面上各個點的流動速度都等于水平流速v；

（2）整個沉淀池中固相顆粒分布均勻，按水平流速v流出，按沉降速度uo下沉；

（3）顆粒一經沉降，便認為被去除，不會再隨液體流動。

圖1 平流沉淀池沉淀原理圖

1.2 淺池理論

設沉淀池總體積一定，沉淀池池長L，池中水平流速v，顆粒沉速為uo，在理想狀態(tài)下L/H=v/uo，當池長L與水平流速v固定不變時，池身越淺即H越小，顆粒的沉降速率uo越小，根據Stocks定律可知，可被去除的懸浮固相顆粒越小。若用平行于水面的隔板，將深度為H的水面分成4層，每層層深為H/4，在流量Q不變的條件下，只需L/4，就可以將uo的顆粒去除。即總容積可減少到原來的1/4，就可以達到相同的處理效果；如果池長不變，由于池深為H/4，則水平流速可增加到4v，仍能將沉速為uo的顆粒除去，也即處理能力提高4倍。

1.3 平流沉降池沉降原理理論（見圖1）

其中水的流速為：

式中：Q-處理流量（負荷）；B-沉淀池的寬度；H-沉淀池的高度。

鋇鍶離子反應速率快，而且晶體顆粒通常是微米級的，滿足Stocks定律[6]：

式中：uo-顆粒沉降速率；dp-結晶體顆粒直徑；K受到顆粒形狀、流體的流態(tài)、流體性質等因素的影響。

在重力場、理想層流狀態(tài)下的流體，當結晶顆粒直徑一定時，沉降速度為常數。提高結晶顆粒的去除率，只有縮短沉降所需要的時間?？s短沉降所需要的時間，進行沉淀池物理模型的設計，可利用淺池沉淀的理論進行設計。對于分散顆粒，只有沉降速率大于或等于uo的晶體顆粒才會在高度為H的沉降池中沉降至池底并被完全去除；當沉降速率為沉降高度為h，結構晶體不能完全沉降在池底被去除，存在晶體顆粒去除的效率問題。

1.4 斜板沉淀池

斜板沉淀池[6，7]的理論依據仍為淺池理論，其晶體顆粒的沉降去除效率滿足公式（3）。

從公式（3）中可以看出，沉降顆粒的去除率E是分離高度H的函數，當分離高度H降低時，沉降顆粒的去除效率增加；在其他影響因素一定的條件下，隨分離高度減小，沉降顆粒首先在斜板上沉淀，進而縮短沉降時間，顆粒的去除效率相應增加。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積，減小沉淀池分離高度H，使得顆粒的去除效率增加。

1.5 定點除垢物理模型

定點除垢物理模型包括注入系統、反應系統、廢液回收系統三部分，三部分依次貫通相連。

反應系統包括箱體、卡條支撐板、結垢板，箱體的上部設有液體采集口，箱體的兩側面設有連通至箱體內的入口管線接口，箱體的一側面設有廢液排出口。箱體內設置有多塊隔板，將箱體空間分隔為混合區(qū)、結垢場和緩沖區(qū)，箱體上設有入口和液體采集口，入口與混合區(qū)連通，液體采集口與緩沖區(qū)連通，結垢場位于混合區(qū)與緩沖區(qū)之間。結垢場包括多塊結垢板，多塊結垢板之間相互平行，固定于卡條支撐板上。不同卡條支撐板固定部位與水平面夾角不同，分別為45°、60°和90°，用于驗證結垢板不同角度對結垢率的影響。結垢板的材質有兩種，一種是有機玻璃，一種是不銹鋼，以便驗證結垢板材質對結垢的影響。

2 定點除垢器物模實驗研究

研究各單一因素反應時間、鋇鍶離子濃度、摩爾濃度比、溫度對硫酸鋇鍶結垢規(guī)律影響的實驗方法：

（1）利用天平分別稱量所需BaCl2（SrCl2）、Na2SO4的質量，并分別溶解于含有7 L去離子水的中間容器中，并保證BaCl2溶液密封；

（2）通過控制泵的流量，調節(jié)液體在實驗裝置內所需的停留時間；

（3）含有成垢離子的兩種液體由入口進入混合區(qū)，在混合區(qū)內進行結晶；

（4）混合液由支撐板孔進入到結垢場，與結垢板進行充分接觸并沉淀；

（5）當液體進入緩沖區(qū)，在結垢場內未沉淀的垢在這一區(qū)域內可進一步沉淀，防止被帶出實驗裝置；

（6）隨后液體由樣品采集口流出，并收集樣品采集口所排出的液體，做好標簽；

（7）通過檢測流出液中結垢離子濃度，與混合前液體中的結垢離子濃度做對比，計算出結垢率。

3 定點除垢器結垢規(guī)律研究

結垢率計算公式：

式中：η-結垢率，%；c1-反應后離子濃度，mg/L；c2-反應前離子濃度，mg/L。

3.1 反應時間對單一硫酸鋇鍶結垢規(guī)律的影響

通過式（4），得到不同反應時間下硫酸鋇鍶的結垢率，實驗數據（見表1、表2）。

表1 反應時間對硫酸鋇結垢率的影響

室溫的條件下，鋇（鍶）離子濃度、硫酸根離子一定時，鋇離子結垢率均在99%以上，鍶離子結垢率在90%～92.5%。硫酸鋇結垢率隨反應時間的增加先增加后減小最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，結垢率在5min～10min達到最大值；硫酸鍶的結垢率隨反應時間的增加先減小后增加再減小最后趨于穩(wěn)定。

3.2 鋇鍶離子濃度對單一硫酸鋇鍶結垢規(guī)律的影響

通過式（4），得到不同鋇鍶離子濃度條件下硫酸鋇鍶的結垢率，實驗數據（見表3、表4）。

表3 Ba2+濃度對硫酸鋇結垢率的影響

表4 Sr2+濃度對硫酸鍶結垢率的影響

在溫度、硫酸根離子濃度、反應時間一定時，隨著鍶離子濃度的增加，硫酸鍶的結垢率逐漸增加，最終結垢率處于穩(wěn)定狀態(tài)。鍶離子濃度的增加會增加與硫酸根離子的碰撞幾率，從而使結垢率不斷增加，當鍶離子濃度為1340.95mg/L時，結垢率隨鍶離子濃度的增加處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表5 摩爾濃度比對硫酸鋇結垢率的影響

3.3 摩爾濃度比對單一硫酸鋇鍶結垢規(guī)律的影響

利用公式（4）計算，不同摩爾濃度比條件下，單一硫酸鋇鍶垢的結垢率，實驗數據（見表5、表6）。

表6 摩爾濃度比對硫酸鍶結垢率的影響

隨著硫酸根離子濃度的增加，鋇、鍶離子的結垢率先增加后減小，其中當時鋇、鍶離子的結垢率最大。主要是由于硫酸根離子濃度的增加會增加硫酸根離子與鋇、鍶離子的碰撞幾率，使結垢率增大。當硫酸根離子濃度增加到一定程度時，隨著硫酸根離子濃度的增加，Ba2+（Sr2+）與的競爭激烈，溶液處于動態(tài)平衡時，由于較低，鋇、鍶離子的剩余濃度較高，結垢率較低；當硫酸根離子濃度增加時，Ba2+（Sr2+）與的接觸程度提高，使得Ba2+（Sr2+）與更容易形成沉淀，因而使得結垢率增加，當硫酸根離子增加到一定程度，使得溶液中鋇鍶離子處于弱勢地位，此時結垢率不但不會增加，相應的還會減少，以保持溶液動態(tài)平衡。

3.4 溫度對單一硫酸鋇鍶結垢規(guī)律的影響

利用公式（4）計算，不同溫度條件下，單一硫酸鋇鍶垢的結垢率，實驗數據（見表7、表8）。

表7 溫度對硫酸鋇結垢率的影響

表8 溫度對硫酸鍶結垢率的影響

隨著溫度的增加，鋇、鍶離子的結垢率先增加后減小。鋇離子的結垢率均為99%以上，結垢率在溫度變化下波動較小，但在小范圍內仍有所波動。鍶離子的結垢率隨溫度增加變化幅度較大，溫度在80℃時結垢率最高。從熱力學的角度分析得知，隨溫度的增加，水溶液中離子的活躍程度增加，不配伍離子間的接觸幾率增加，更容易產生沉淀；當溫度增加到一定程度，隨著溫度的增加，離子的溶度積隨溫度的增加而增大，當結垢程度達到一定程度，由于結垢離子的離子積小于溶度積，使結垢率降低。

4 結論

（1）基于淺池理論設計的定點除垢物理模型，包括注入系統、反應系統、廢液回收系統三部分，通過調節(jié)卡條支撐板的角度、調整結垢板的傾斜程度、更換不同結垢板的材料調節(jié)結垢表面、調節(jié)流速來改變反應時間，使混合液在反應系統的混合區(qū)中進行反應，通過結垢規(guī)律分析對定點除垢器的結構進行優(yōu)化，以保證除垢效率。

（2）在鋇、鍶離子與硫酸根離子結垢的過程中，相比較于鍶離子，鋇離子更容易與硫酸根離子結垢，而且結垢現象更加明顯；反應時間對硫酸鋇、鍶結垢的影響雖然并不明顯，但是將時間控制在5min～10min鋇、鍶離子的結垢率最大。

（3）鋇離子濃度對于硫酸鋇的結垢率影響較小，但是鍶離子濃度對硫酸鍶垢的結垢率影響顯著，鍶離子濃度較低時的結垢率明顯小于鍶離子濃度較高時的結垢率，當時鋇鍶離子結垢率最大。

（4）硫酸根離子濃度對于鋇離子的結垢率影響較弱，但是硫酸根離子的濃度對硫酸鍶的結垢率影響較為明顯，增加硫酸根離子濃度可以增加硫酸鍶的結垢率，當時鋇鍶離子結垢率最大。

（5）溫度對鋇離子的結垢率影響較低，但溫度對鍶離子的結垢率影響較大，當溫度在80℃時，鍶離子的結垢率達到最大值。

［1]耿玉廣，張偉，劉云，等.油井管桿腐蝕結垢原因分析及防治技術［J］.腐蝕科學與防護技術，2015，27（3）：305-309.

［2]吳新民，付偉，白海濤，等.姬塬油田注入水與地層水配伍性研究［J］.油田化學，2012，29（1）：33-37.

［3]靳寶軍.純梁采油廠采輸系統結垢機理及防垢技術研究［D］.東營:中國石油大學（華東），2011：1-2.

［4]陳勇.歧口油田海上石油平臺采油污水處理研究［D］.遼寧:東北大學，2005：1-2.

［5]田長亮，陽興.試論對油田集輸管線結垢的認識及對策［J］.科技創(chuàng)新與應用，2014，（2）：73-75.

［6]張錫波，張群正，林文興，徐桂宏.超聲波防垢技術在孤東油田中的應用［J］.西安石油學院學報（自然科學版），2000，（5）：25-29.

［7]陳先慶.超聲波防垢技術在油田中的應用研究［J］.鉆采機械，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

康玉陽，男（1987－），滿族，河北平泉人，學士，工程師，2010年畢業(yè)于東北石油大學獲得油田應用化學學士學位，現從事油田化學法處理工藝的研究與技術管理工作。