庞卫刚 李明君 高雷
中石化胜利油田分公司桩西采油厂 山东东营 257237
摘 要：集输管道结垢物一般都是具有反常溶解度的难溶盐类物质，在水中浓度达到饱和状态时，集输管道内壁的杂质就会结晶析出变成垢物。集输管道结垢的物质种类很多，管道结垢过程复杂，首要因素就是溶解度处于过饱和状态。过饱和浓度除了与溶解度有关外，还受热力学、结晶动力学、流体力学等因素的影响。对于腐蚀垢而言，结垢则受输送介质、材料以及周围环境的共同影响。根据油田集输管道结垢机理，从防垢溶垢剂除垢法、超声波防垢除垢法、机械除垢法对其除垢效果和机理进行研究，提出对应的集输管道除垢技术措施。
关 键 词：集输管道；结垢；机理
一、管道结垢机理
集输管道结垢物一般都是具有反常溶解度的难溶盐类物质，在水中浓度达到饱和状态时，集输管道内壁的杂质就会结晶析出变成垢物。集输管道结垢的物质种类很多，最常见的是碳酸钙、碳酸镁，容易除去。而硫酸盐垢，如BaSO 4 、SrSO 4 、CaSO 4等结垢物就难以清除，危害比较大。此外还有FeCO 3 、FeS、Fe（OH） 2 等铁垢。根据垢成分分析集输管道主要为硅垢、铁垢、碳酸盐垢物等，现对其机理进行分析。
1、 硅垢
硅垢的产生是一个非常复杂的物理化学变化过程，与油井所在地质条件和岩石层物质组成有关，随着油井地下水pH值的升高，油井岩层中的二氧化铝、二氧化硅、铝化合物被大量溶解形成离子物质，此时与存在的Ca 2+ 、Mg 2+ 、Ba 2+ 等金属离子进行反应和结合，从而析出固体物质变成垢。
2、 铁垢
油井结垢物质中铁成分较多，铁垢的形成有多种机理，大部分都由油井管道、铁材料设备腐蚀形成，主要形成机理包含以下3个方面：①硫酸盐还原菌的腐蚀形成铁垢物，硫酸盐还原菌的条件下造成管壁腐蚀，金属发生阴极去极化反应；②二氧化碳腐蚀与铁发生反应产生铁垢，二氧化碳溶于水形成碳酸发生电离形成腐蚀；③硫化氢的腐蚀，硫化氢溶于水就可以直接导致管道设备的腐蚀。
3 、碳酸盐垢
以碳酸钙为例，碳酸钙在水中发生反应：Ca（HCO 3 ） 2 →CaCO 3 ↓+CO 2 +H 2 O，温度升高上述反应发生，从而产生碳酸钙垢。同理，碳酸镁等结垢也是如此。
二、 影响管道结垢的因素
管道结垢过程复杂，对于盐类垢而言，结垢的首要因素就是溶解度处于过饱和状态。过饱和浓度除了与溶解度有关外，还受热力学、结晶动力学、流体力学等因素的影响。对于腐蚀垢而言，结垢则受输送介质、材料以及周围环境的共同影响。
1、流速对结垢的影响对于各类污垢，污垢增长率随着流体速度增大而减小。这可解释为，虽然流速增大可增加污垢沉积率，但流速增大所引起的剥蚀率的增大更显著，因而造成总的增长率减小。流速降低时，介质中携带的固体颗粒和微生物排泄物沉积概率增大，管道结垢的概率也明显加大，特别是在结构突变的部位。流速的突变也可以解释为压力的变化，如果流速突然加大，引起局部脱气，使 CO 2 分压降低，可引起 CaCO 3 结垢。
2、温度对结垢的影响。温度对结垢的影响主要是改变易结垢盐类的溶解度。
垢在水中的溶解度随温度变化，除 CaSO 4 ·2H 2 O 溶解度有极大值外，其他均随温度的升高而降低。盐类垢中以碳酸盐为主，当温度升高时，Ca(HCO 3 ) 2 分解，产生 CaCO 3 并结垢。对于以 CaSO 4 、BaSO 4和 SrSO 4为主的盐类垢，主要是因为介质中的 SO2－4与 Ca 2+ 、Ba2+、Sr2+结合而生成难溶解沉淀。由于这些反应大部分是吸热反应，随着温度升高，沉淀析出将会更多。温度也会影响细菌的繁殖速度和钢铁电化学反应速率。各类细菌对温度的要求不同，大部分细菌的最佳适宜温度为 20～40 ℃，随着管道输送介质温度的变化，细菌的繁殖率也会变化，对管道的腐蚀也随之变化，影响腐蚀垢的生成速率。同样，随着温度的变化，钢铁电化学反应的速率也将发生变化，从而使腐蚀速率变化，生成腐蚀垢的速率也发生变化。
3、压力对结垢的影响。压力对 CaCO 3 、CaSO 4 、BaSO 4 结垢有影响。CaCO 3结垢有气体参加反应，压力对其影响较大。压力降低，可以促进结垢。在管道输送过程中，压力一般都是降低的，因此结垢呈上升的趋势。
三、集输管道除垢措施
1 、防垢除垢剂复合除垢。油田集输管道防垢通常采用化学防垢剂，阻止管道结垢或者降低结垢率、结垢速度等，但是常用的阻垢剂防垢仅有一定的效果，对于已结垢进行清除比较困难，在阻垢剂基础上，加入除垢剂（溶垢剂），复合使用提高除垢效果。防垢剂选用PBTC、PBTCA、HEDP、PAPEMP、HPMA，溶垢剂选用HCl、冰乙酸、六次甲基四胺、天冬氨酸、柠檬酸。采用HEDP、HCl、冰乙酸等混合比例搭配阻垢除垢效果最佳，对于已严重结垢的集输管线，还可以使用复合除垢剂循环酸洗的方法，加强除垢效果。
2 、超声波除垢。超声波除垢也是一种新型的防垢除垢技术，在使用超声波的情况下，介质中的Ca 2+ 、Mg 2+ 的含量明显比无超声波时降低的慢，甚至有所升高。Ca 2+ 随着温度的升高逐步结晶析出沉淀成碳酸钙垢物，当使用超声波时碳酸钙结晶速度缓慢。Mg 2+ 在温度达到70 ℃时出现大幅度结晶，使用超声波时不会出现结晶现象。两种离子变化趋势说明超声波具有很好的抑制结垢的作用，可以在集输管道防垢除垢中得到良好应用。
3、机械除垢。机械除垢一是采用高压水枪进行强力喷洗集输管道内壁，促使管道上面的结垢物脱落，进行清理除垢；二是采用移动式除垢器进入管道内部进行自动除垢作业，对管道结垢物进行刷、刮等清理，自动化控制其除垢作业。机械除垢主要是依靠自动化控制，但是处理时或用水量太大，或除垢时间长、除垢不彻底，实际除垢最好配合其他除垢措施进行联合使用，达到除垢彻底的目的。
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作者简介：庞卫刚，男，山东东营市人，汉族，大学本科学历，助级工程师，研究方向为油气田开发工作。