J油田海管结垢研究—毕业设计论文.docx
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1、 本科毕业设计(论文)题目J油田海管结垢研究 学生姓名贾韶刚学号0901020220教学院系石油工程学院专业年级油气储运工程2009级指导教师贺三职称副教授单位油气储运研究所辅导教师职 称单位完成日期 2013年05月30日A Thesis Submitted for the Degree of Bachelor Study on scaling of the subsea pipeline on J oilfield Candidate:Jia Shaogang Tutor:He San Date of oral examination:30th Marth.2013 University:
2、Southwest Petroleum University摘要在油田上,结垢是一个很普遍的问题,在世界上各个油田普遍发生,给油田正常生产生活带来很大的危害,尤其制约了油田的生产和集输,增加了油田开采和维护成本,严重的甚至会使油井停产,从而造成严重的经济损失。目前我国各主要油田已经进入了采油的中后期,且我我国各主要油田主要采用注水采油技术来提高原油采收率,但由于各油田条件不同,注水水质条件差,使得油田结垢问题非常严重。目前仍未有较好的解决办法。本文主要根据J油田提供的海管水质数据来对J油田海管结垢情况进行研究,查找相关文献了解分析结垢的具体机理以及对结垢的影响因素,以设计合适的实验室实验对该水
3、样进行分析研究,通过实验室配置出相似水样,从水样的化学成分出发,结合相关文献,对该水样进行结垢趋势预测,再通过改变溶液温度与ph值来观察该油田水质结垢的变化情况,确定出其具体的结垢量,通过添加阻垢剂观察其阻垢效果,结合成本核算确定出一个较为适合J油田的阻垢防垢措施。关键词:油田;结垢;影响因素;试验;阻垢剂。 AbstractIn the field, the scaling is a very common problem .In the world, Its widespread occurrence of each field to field and take great harm t
4、o the normal production in the oilfield life and especially restricted the oil production and transportation. It also increased the oil production and maintenance costs, and even cause serious oil shutdown resulting in serious economic losses. At present the main oilfields in China have entered prod
5、uction in the late,and the major oil fields in China mainly uses water injection and oil production technology to enhance oil recovery. But because of the different conditions of the fields, that have poor water quality conditions, the oil fouling problem is very serious. At present there is no bett
6、er solution.On the basis of J oil provides the sea water quality data to pipe scaling of J oil field. to find the relevant literature to understand specific analysis of the mechanism of fouling and scaling factors of influence, in order to design the appropriate laboratory test water samples for ana
7、lysis。By configuring a similar laboratory water samples.From the chemical composition of water samples and combined with relevant literature to make the trend forecast of the Water samples . Then by changing the temperature of the solution and ph value of the field to observe the changes in water qu
8、ality scaling and determine the specific amount of scale. By adding scale inhibitor observe its effects, combined with the cost accounting to determine a more appropriate scale J oilfield scale control measures.Keywords:Oilfield;Scaling;Influence factors;Test;Scale inh目 录1绪论11.1研究背景11.2结垢的形成机理11.2.1
9、碳酸钙(镁)垢11.2.3硫酸钡(锶)垢结垢机理21.3结垢的影响因素31.3.1 pH值对结垢的影响31.3.2压力对结垢的影响31.3.3流速对结垢的影响31.3.4温度对结垢的影响31.3.盐含量对结垢的影响41.3.润湿和粘附对结垢的影响41.4结垢的危害51.5目前油气田常用的除垢、防垢技术51.5.1国内外防垢技术发展51.5.2防垢剂的分类61.5.3目前油田常用的防垢剂71.5.4国内外常用的除垢技术72 J油田水质数据分析83结垢趋势预测93.1碳酸钙结垢趋势预测93.2硫酸钙结垢趋势的预测103.3硫酸钡结垢趋势预测103.4硫酸锶结垢趋势预测114结垢实验研究114.1实
10、验用药品及用量(mg/L)114.2实验装置124.3相关溶液的制备124.3.1氨水氯化铵缓冲溶液的配置124.3.2 EDTA标准溶液的制备134.3.3铬黑T指示剂的制备134.3.4氢氧化钠标准溶液的制备134.4实验步骤和实验内容144.5实验数据处理244.6实验结果分析245研究结论25致谢25参考文献261绪论1.1研究背景目前世界各国对能源的需求越来越高,对能源的关注度也逐渐提高,而随着我国工业现代化的发展,特别的是进入21世纪以来,我国经济的发展对能源的需求也是越来越大,能源的重要性异常凸显。作为当今世界主要能源的石油也备受关注,能源战略已经成为一个国家后续发展的重要的战略
11、要求。在能源开采尤其是石油开采中,考虑到石油资源的不可再生性和开采的经效问题,对石油的开采提出了更高的技术要求。目前我国各主要油田主要采用注水采油的方法来提高油田的采油率,平均每生产一吨的原油就需要消耗2吨3吨的水1,使得采出的原油具有较高的含水率,既增加了原油处理的困难程度也加剧了原油集输过程中的结垢问题,使得原油开采的成本逐渐加大。同时我国的各个主要油田已经进入了采油的中后期,使得注水条件更加的恶劣,注入的水质中含有较高的硫酸盐、氧化还原菌等物质,导致结垢问题更加的严重。这成为影响我国油田开发以及油气传输技术发展中的一大瓶颈问题。1.2结垢的形成机理垢的种类很多,从成垢机理方面可以将其分成
12、结晶垢、颗粒垢、化学反应垢、腐蚀垢、生物垢和凝固垢等几类2。而其中结晶垢是最常见的结垢方式,也是本文考虑的重点。水溶液中的一些溶解的无机盐类在一些特殊的条件下因为过饱和而结晶析出,并逐渐的沉积在管道以及仪器的内表面所致,通常我们也称之为水垢。这类垢的质地非常坚硬密实,能够牢固地粘在金属表面上,其主要包括碳酸钙垢、硫酸钙垢、碳酸镁垢等等多种类型。1.2.1碳酸钙(镁)垢在自然界中CaCO3存在的形式可以分为以下六种:即无定形的CaCO3(ACC)、六水合CaCO3、一水合CaCO3、六方碳钙石、文石和方解石等,而后三种的晶型是属于同质异象晶型,且在一定的条件下该三种晶型是可以相互转化的3。 Ca
13、CO3的溶解度特性不同于其他的垢盐,其是随着温度的升高而逐渐降低的,MgCO3也具有此种特性。它的各种晶型的溶度积(pKsp)与温度(t或T)的关系如下式(1.1)(1.5)所示。式中的t为摄氏温度(),T为绝对温度(K)。 CaCO3:pKsp=7.119+0.011756t+0.000075556t2 (1.1)文石:pKsp=171.9773+0.077993T-2903.293/T-71.595logT (1.2) 六方碳钙石:pKsp=172.1295+0.077993T-3094.688/T-71.595logT (1.3) 一水合CaCO3:pKsp=7.050+0.000159
14、t2 (1.2) 方解石:pKsp=171.9065+0.077993T-2839.319/T-71.595logT (1.5) 在碳酸钙的上述各种晶型里边,方解石晶型是溶解度最小的一种,故所生成的碳酸钙垢的主要的存在形式就是方解石。 碳酸钙垢生成的反应式如下所示: Ca2+CO32-CaCO3 (1.6)Ca(HCO3)2CaCO3+H2O+CO2 (1.7)Ca(HCO3)2+OH-CaCO3+2H2O+CO2 (1.8)当水质中含有较多的Ca2+与CO32-时将会形成如上述(1.6)式所示的沉淀反应,而当水质中含有较多Ca2+和HCO3-离子时侯将会形成如上述(1.7)式所示的沉淀反应。
15、当水质的pH值较高并且含有较多的Ca2+离子和HCO3-离子时,将会发生如上述(1.8)式所示的沉淀反应。因此碳酸钙垢的形成是随着外界的条件的变化而变化的,由J油田所给出的水质数据不难看出其海管结垢形成的碳酸钙垢主要是反应式(1.8)生成的。碳酸镁垢的形成机理是和碳酸钙垢的形成机理基本相同的,并且由于碳酸钙垢和碳酸镁垢的结晶致密且坚硬,因此又被称作硬垢。1.2.2硫酸钙垢结垢机理 硫酸钙晶体的形态有以下三种:CaSO4H2O、CaSO4和CaSO42H2O(石膏),在上述的三种形态中,石膏(CaSO42H2O)是最常见的晶型,而且在一定的条件下该三种晶型也是可以互相转换的。而在油田中,一般管道
16、的温度都比较低,故而最常见的是CaSO42H2O垢。硫酸钙晶体的溶解度是随着其晶体中所含有的结晶水的数量的变化而变化的,比较特殊的是CaSO42H2O晶型,这种晶型的溶解度开始的时候是随着温度的升高而逐渐升高的,但是该晶型在达到一定最高值之后反而随着温度的升高,该晶型的溶解度逐渐降低,而CaSO4H2O和CaSO4两种晶型与其不同,是与温度呈反比关系的。硫酸钙垢的生成反应式: Ca2+SO42-CaSO4 (1.9) 当水质中含有较多的Ca2+和SO42-离子时将会发生上述反应而生产硫酸钙沉淀。1.2.3硫酸钡(锶)垢结垢机理在油田集输系统的几种常见垢中硫酸钡(锶)垢是最难以溶解的。温度对硫酸
17、钡(锶)的溶解度的影响很高,当温度升高的时候,硫酸钡(锶)的溶解度也会随着升高。因此,在一般的情况下,在油田集输系统的高温部分中一般式不会发生硫酸钡(锶)结垢的,除非该集输系统中的水质中含有较多的Sr2+(Ba2+)和SO42-离子。硫酸钡(锶)结垢形成的反应式: Ba2+SO42-BaSO4 (1.10) Sr2+SO42-SrSO4 (1.11)当水质中含有较多的Ba2+和Sr2+以及SO42-离子时容易发生上述的结垢反应。1.3结垢的影响因素影响管道结垢的因素很多,除了水质中含有一定量的有机物、酸性物质、CO2、细菌、离子以及泥砂等外,还有一些外在的因素。1.3.1pH值对结垢的影响提高
18、溶液的pH值,溶解的碳酸盐将会迅速结晶,使的渐进污垢的热阻增大,污垢形成的诱导期逐渐缩短,促进了污垢的生成。但pH值太低,会加大管道以及其他油田设备的腐蚀,引起腐蚀垢甚至会造成管道爆裂。所以溶液pH值的确定,需要同时考虑这两个方面的问题来选择合适的pH值,一般的油田水的PH范围为6.58.0。1.3.2压力对结垢的影响压力对CaCO3、CaSO4、BaSO4的结垢均有影响,CaCO3的结垢因为有气体参加反应,故压力对其影响相对比较大。压力若降低,结垢反应将向右进行,可以促进结垢。而在管道输送的过程中,压力一般都是降低的,因此结垢呈现上升的趋势。1.3.3流速对结垢的影响对于各种结垢,结垢的增长
19、率是随着流体速度的增大而逐渐减小的。这是因为流速增大虽然可以增加结垢的沉积率,但是,由于流速增大所引起的剥蚀率的增大更为显著, 因而造成总的增长率的减小。当流速降低时,流体中所携带的微生物排泄物和固体颗粒的沉积概率增大,管道结垢的概率也明会显的加大,特别是在设备结构突变的部位。1.3.4温度对结垢的影响 温度是影响水质结垢的最主要因素,随着温度的改变,易溶垢盐的溶解度也会随之发生改变,从下图1可以看出, 除了CaSO42H2O溶解度有极大值外,其它类型的垢盐均随温度的升高而降低4。图1.1 垢在水中的溶解度与温度的关系 碳酸盐垢的结垢反应为Ca(HCO3)2+OH-CaCO3+2H2O+CO2
20、,该反应是一个吸热反应,随着温度的升高,有利于形成碳酸盐的沉淀。而对于以CaSO4、BaSO4和SrSO4等为主的盐类结垢,主要是因为介质中的SO42-与Ca2+、Ba2+、Sr2+等离子结合而生成难溶解沉淀。由于这些反应大部分的也是吸热反应,随着温度升高,沉淀析出将会越来越多。温度也会影响到钢铁电化学反应的速率和细菌繁殖的速度。各类细菌对温度的要求是互不相同的,但是绝大部分的细菌适宜的最佳温度为2040左右,随着集输管道输送的液体温度的逐渐降低,细菌的繁殖率也会随之发生变化,使得集输管道的腐蚀状况发生改变,进而改变了腐蚀结垢的生成速率5。同样,随着温度的降低,钢铁发生电化学反应的速率也将发生
21、改变,进而改变了钢铁发生腐蚀的速度,使得生成腐蚀垢的速率也发生变化。1.3.5盐含量对结垢的影响由于盐效应,水中盐(NaCl)含量的增加,将能够增加垢的溶解度。由于在盐含量较高的水中,成垢的离子活度将会减小,成垢的阴阳离子间相互吸引而结合成垢的能力减弱。如对CaCO3来讲,它在200g/的盐水中的溶解度比在蒸馏水中大了 2.5 倍;而对BaSO4来说,在120g/盐水中溶解度比在蒸馏水中大了13倍6。1.3.6润湿和粘附对结垢的影响在油田生产的过程中可以使用不同材质制造的管材,而在不同的管材的内表面上有着不同的润湿物性。比如使用塑料内衬的时候,管道内表面的润湿角大于90,而对于裸钢而言,管道表
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