（油气田开发工程专业论文）电磁防垢实验研究.pdfVIP

e x p e r i m e n t a ls t u d yo fe l e c t r o m a g n e t i ca n t i - s c a l i n g at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gc h a o s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gj i a n - g u o c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) ， 1 1 j 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 丞鱼 日期：叩肜年6 月2 学位论文使用授权书 日 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅 和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或 其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：歌疟星 指导教师签名： 髓闰 日期：z z l o 年6 月之日 日期：歹咖年6 月乙日 摘要 为了降低防垢成本，减少施工人员的劳动强度，增强防垢处理效果，本文对电磁防 垢技术进行了相关实验研究。该技术是通过电磁发生器产生电磁波，对油水井管路中的 流体进行处理。借助电磁波对水以及流体中离子的作用，改变离子间结合方式进而改变 垢的析出方式，达到防垢的目的。 归纳了油水井管路结垢的影响因素及常见防垢措施；分析了电磁防垢的工作机理， 并通过实验验证了部分理论成立的可能性。利用变频电磁激励源，通过室内静态实验研 究了电磁处理对水的物理性质的影响，以及电磁线圈缠绕匝数、频段等因素对电磁防垢 效果的影响。搭建了室内动态模拟实验平台，通过室内流动实验对线圈匝数、作用频段 等参数进行进一步优化，结合静态实验结果得出最佳参数。同时，通过动态模拟实验研 究了流体温度、流速等参数对电磁防垢效果的影响。根据室内实验的结果，优化了电磁 防垢的各工作参数，分析总结了电磁防垢的作用机理。经现河采油厂现场试验表明，电 磁防垢有效的防止了垢在管壁上的沉积，并使结垢为絮状软垢，有效的延长了清垢周期， 降低了工作强度，效果显著，是一种成本低、无污染的防垢技术，具有较好的应用前景。 关键词：电磁防垢，磁场强度，电磁频率，变频电磁场，参数优化 广 j - e x p e r i m e n t a ls t u d yo fe l e c t r o m a g n e t i ca n t i s c a l i n g z h a n gc h a o ( o i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y p r o f z h a n gj i a n g u o a b s t r a c t e x p e r i m e n tw i t hr e g a r dt oe l e c t r o m a g n e t i ca n t i - s c a l i n gt e c h n o l o g yi sc o n d u c t e di n o r d e rt oc u t a n t i 。s c a l i n gc o s t ，r e d u c ew o r k i n gs t r e n g t h a n di n t e n s i f y a n t i s c a l i n g p e r f o r m a n c e t h et e c h n o l o g yd e a l sw i t ht h ef l u i di nt h eo i l w a t e rw e l l p i p e sb ya n e l e c t r o m a g n e t i cg e n e r a t o r t h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v eg e n e r a t e dc h a n g e st h eb i n d i n gm o d e o fi o n sa n dt h ep r e c i p i t a t i o nm e t h o do fs c a l et op r e v e n t s c a l i n g f a c t o r s a f f e c t i n gs c a l i n gi nt h eo i l - w a t e rw e l lp i p e sa n dt r a d i t i o n a l a n t i - s c a l i n g m e a s u r e sa r es u m m a r i z e d ；m e c h a n i s mo fe l e c t r o m a g n e t i ca n t i s c a l i n gi sa n a l y z e d ；s o m eo f t h et h e o r i e si sv e r i f i e d e m p l o y i n gv a r i a b l ef r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i ce x c i t a t i o ns o u r c e ，t h e i n f l u e n c eo fe l e c t r o m a g n e t i cw a v eo np h y s i c a l p r o p e r t i e so fw a t e r , a n dt h ei n f l u e n c eo f e l e c t r o m a g n e t i cc o i lw i n d i n gt u n i sa n df r e q u e n c yb a n do na n t i - s c a l i n gp e r f o r m a n c ea r e r e s e a r c h e db yi n d o o rs t a t i ct e s t a tf i r s t ，i n d o o rd y n a m i cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m i sb u i l t ；a n dt h u sp a r a m e t e r ss u c ha st h ec o i lt u r n sa n df r e q u e n c yb a n d ，i sf u r t h e ro p t i m i z e d b yt h ei n d o o rf l o we x p e r i m e n t ；a n dt h e ni nv i e wo fs t a t i ce x p e r i m e n tr e s u l t s ，o p t i m a l p a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d f u r t h e r m o r e ，b yd y n a m i cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，t h ei n f l u e n c eo f f l u i d t e m p e r a t u r ea n df l o w s t r e a mv e l o c i t yo na n t i - s c a l i n gp e r f o r m a n c ei sr e s e a r c h e d a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t ，w o r k i n gp a r a m e t e r so fe l e c t r o m a g n e t i c a n t i 。s c a l i n ga r eo p t i m i z e d ，a n dm e c h a n i s mo fe l e c t r o m a g n e t i ca n t i - s c a l i n gi sa n a l y z e da n d s u m m a r i z e d t h er e s u l to ff i e l dt e s ti nx i a n h eo i lp r o d u c t i o np l a n to fs h e n g l io i lf i e l d i n d i c a t e st h a t e l e c t r o m a g n e t i ca n t i - s e a l i n gp r e v e n ts c a l ed e p o s i t i o no nt h e p i p ew a l l e f f e c t i v e l ya n dm a k ei tf l o c c u l a t e da n ds o f t ；m o r e o v e r , i ti sc o s t e f f e c t i v ea n dp o l l u t i o n f r e e t oe x t e n dt h ep e r i o do fs c a l er e m o v a la n dr e d u c ew o r k i n gs t r e n g t hg r e a t l y t h e r e f o r e ，t h e e l e c t r o m a g n e t i ca n t i - s c a l i n gh a se n o r m o u sp o t e n t i a lf o ra p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i ca n t i s c a l i n g ，m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y , e l e c t r o m a g n e t i c f r e q u e n c y , v a r i a b l ef r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n 广 j 目录 第一章引言1 1 1 研究的背景和意义1 1 2 国内外研究状况及进展2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 3 研究内容3 1 - 4 研究方法：4 第二章油田水结垢影响因素及常用防垢方法5 2 1 污垢的分类：5 2 2 油田水的组成和性质= 6 2 2 1 离子组分6 2 2 2 油田水性质6 2 3 油田水常见水垢类型7 2 4 结垢机理及影响因素8 2 4 1 结垢机理8 2 4 2 影响结垢的因素9 2 5 主要防垢方法1 0 2 5 1 化学方法1 0 2 5 2 物理方法1 0 第三章电磁防垢参数优化静态实验一1 2 3 1 电磁防垢机理研究1 2 3 1 1 活化极性理论1 2 3 1 2 氢键弯曲理论1 2 3 1 3 磁约束理论13 3 1 4 变频共振理论1 3 3 1 5 其他理论1 4 3 2 电磁处理对水的物理性质的影响1 4 3 2 1 实验设备及仪器l4 3 2 2 电磁处理对水的表面张力的影响1 7 3 2 3 实验结果分析。l8 3 3 线圈匝数对电磁防垢效果的影响1 8 3 。3 1 线圈匝数优化静态实验1 8 3 3 2 实验结果分析2 4 3 4 频率对电磁防垢效果的影响2 4 3 4 1 频率优化静态实验。2 4 3 4 2 实验结果分析3 0 3 5 静态实验小结3 0 第四章电磁防垢参数优化动态实验! 3 2 4 1 动态实验平台搭建：3 2 4 1 1 温控部分3 3 4 1 2 流体循环部分3 3 4 2 动态环境下匝数对防垢效果的影响3 4 4 2 1 匝数优化动态实验3 5 4 2 2 实验结果分析。4 1 4 3 动态环境下频率对防垢效果的影响4 2 4 3 1 频率优化动态实验4 2 4 3 2 实验结果分析4 5 4 4 温度对电磁防垢效果的影响4 5 4 4 1 实验装置与过程。4 5 4 4 2 实验结果及分析。4 6 4 5 流速对电磁防垢效果的影响4 7 4 5 1 实验装置与过程4 7 4 5 2 实验结果及分析4 8 4 6 动态实验小结5 0 第五章电磁防垢技术现场应用5 1 ， 0 6 1 现场应用试验5 l 5 1 1 现河采油厂结垢现状。5 l 5 1 2 现场试验及结果分析。5 l 5 2 试验结论5 4 结论和建议6 5 参考文献5 6 致 谢5 9 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的背景和意义 第一章引言 在国内外油藏的开发、生产、集输过程中，在油井、注水井和地面集输管线经常发 生结垢现象。随着油田注水和原油开采的不断深入，采出液中的含水量逐渐升高，许多 油田都已进入了中、高含水期，当水中杂质以及离子浓度很高时，将会给油田的正常生 产带来严重的结垢问题。结垢可能发生在地层和井筒中的各个部位，有些井和油层由于 垢在井筒炮眼的生产层内沉积而过早废弃；注水管道中也易结垢，注入水流阻力增大， 使注水能耗增高，还容易造成设备和管道局部腐蚀【l l 。结垢也发生在井下泵、油管管柱、 油嘴及储油设备、集输管线、原油加工设备及水处理系统等很多部位，严重时将会对生 产造成很大影响，甚至被迫停产；在油田注水开发过程中，油田注入水与储层内的水发 生复杂的化学变化，易引起地层结垢，降低了地层渗透率，影响油田正常的生产【2 】。因 此，在油田的生产过程中需要一些防垢措施。 油田防垢主要是采用物理、化学和工艺三种方法。物理法防垢是应用物理仪器设备 的功能抑制垢的形成，常用的有磁防垢等；化学防垢是通过加入化学防垢剂，利用防垢 剂的络合增溶、分散、晶体畸变作用阻止垢物形成；工艺法防垢是通过改变或控制某些 作业工艺条件来破坏或减少垢的生成机会 3 1 。高频电磁防垢技术是在磁处理法和静电处 理法基础上发展起来的。它是由电子电路产生高频信号，通过螺线管产生一定强度的高 频电磁场。在高频电磁场的作用下，通过其中的水分子会产生定向极化，溶液中活性水 分子的数量增多，其分子自由度增强，容易形成水膜，它包围水垢晶体从而限制了垢的 生长，致使水垢结晶尺寸交j d 4 1 。受到极性水分子的影响，晶体表面原来的电荷状态发 生了变化，晶体的表面电势增加，在静电的作用下晶体间相互排斥，使这些多中心的结 晶体相互保持着一定距离，呈小颗粒悬浮于水中，难以聚积生长成大粒子，起到了阻垢 的作用【5 1 。 电磁防垢技术作为一种物理法处理技术，具有应用方便、投资少、运行费用低、无 污染等优点，日益引起人们的关注。但由于影响电磁防垢效果的因素很多，这就大大降 低了电磁防垢技术的推广应用。因此，研究电磁防垢效果的主要控制因素和优化电磁防 垢器的参数设计对油水井及地面管线经济有效地防垢具有重要的意义。 】 第一章引言 1 2 国内外研究状况及进展 1 2 1 国外研究现状 二十世纪四十年代，比利时工程师v e r m e f i v e nt 发现水流经磁场后能够防止硬垢的 产生。通过电磁场的水受热时，碳酸钙不以硬垢形式在换热面上析出，而是形成松散的 水渣，这种絮状的水渣缺乏附壁能力，或者簇集在受热容器的底部，如果将其排除就不 会结硬质水垢 3 1 。基于这种电磁处理后垢质疏松并且不附着在管壁上的现象，制成了称 作c e p i 的防垢装置。自从v e r m e d v e n t1 9 4 5 年在比利时获得第一个使用磁处理技术减少 锅炉水垢生成的专利以来，锅炉用水处理、各种热交换器等许多方面都大量使用了磁处 理技术和相关设备 0 3 。磁处理具有使用简便，且运行成本较低、对环境不会造成二次污 染等优点，因而被较多的用于工业及民用给水系统中。g ru t sc hj f 等研究发现，利用 磁处理能成功的控制c a c 0 3 和c a s 0 4 垢的沉积 7 1 。m i c r o s l a vc o l i c 等人研究发现，经过磁 场或电磁场处理的水具有“记忆性 ，也就是经过电磁场处理后的水在离开电磁场后仍 能保持一些性质较长的时间 8 1 。前苏联一些研究人员对冷凝器等进行了磁防垢处理，发 现不仅防垢效果较好，甚至能够除去一些已结的硬垢。在7 0 年代，前苏联、美国、日本 的学术界和企业界竞相投入了大量的人力和资金对磁处理进行研究，取得了大批研究成 果和专利发明，并建成了大型的磁处理设备，在防垢研究的过程中同时发现磁处理也能 起到除垢的作用 9 1 。8 0 年代，许多科学家对磁防垢做了大量的研究也取得了一些成果。 结果表明，磁处理对水的许多物理化学性质( 如折射率、电导率、介电常数、表面张力、 粘度、红外吸收光谱等) 都有影响，磁处理会使水结构发生变化，磁处理对溶解、结晶、 聚合、润湿、凝聚、凝固、沉淀过程及生物系统的代谢过程也发生影响，磁处理可使水 系统显著活化，并能影响化学反应的动力学过程【1 0 1 。 前苏联学者将磁处理技术与离子交换法结合起来在废水处理过程中进行了应用，发 现大大提高了离子交换剂的交换吸收容量和交换吸附速度【1 1 1 。有关磁处理与结晶过程的 关系的研究比较多，但各有各的解释思路，没形成统一的结论。晶体在结晶过程中如果 受到磁场的影响，其结晶方式将会发生改变，不过不同的研究者得到的结论却并不一致， 有的认为磁处理促进了结晶过程，而有的则认为磁处理抑制了结晶过程，结晶过程受到 很多因素影响，是一个非常复杂的过程，所以实验条件不一样也就得到了不同的实验结 果。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 有些研究表明，溶液经过磁处理后其晶相会发生变化，甚至还会引起溶液成分的 变化。在19 5 8 年，磁处理工业水先驱v e m e r i r e nt 在仔细研究磁场对碳酸钙三种晶体 结晶过程的影响时就提到，经磁场处理后，方解石有转变成文石的趋势蚴。d o n a l d s o n 和d e r e nhi g s h i t a n i 同时发现经过磁处理后，方解石和文石在成垢物质中的比例发生 了转变。r a i s e nc 认为方解石和文石比例的改变导致了结垢时只结软垢，从而达到防 垢的目的。 1 2 2 国内研究现状 1 9 5 9 年，第一台永磁式防垢装置在我国生产并得到了使用，之后有关磁防垢的研究 逐渐增多。中国科学院金属研究所研制了b h c 型磁防垢除垢器，同时具备了防垢和除垢 功能，在热水锅炉等许多方面进行了使用并取得了较好的效果。目前许多学者都在研究 如何将磁场效应与其他水处理方法相结合用于给排水处理【1 3 】。8 0 年代末至9 0 年代初，磁 防垢及除垢技术在我国各大油田、炼油厂的换热器和工业锅炉系统中得到应用，取得了 较好的效果，该技术应用后延长了泵的寿命，降低了生产成本，创造了较大的经济效益。 近年来，强磁场及脉冲磁场处理技术己广泛应用于水处理技术，并取得了显著的效益， 且磁处理技术与光电超声波等物理技术、化学投药法以及生物技术协同处理工业用水【8 】。 汪仲清通过对大分子团的大量研究计算得出了磁致各向异性的观点。卢贵武按照水水 的l j 势和磁矩相互作用位势模型，用蒙特卡罗计算机模拟方法计算了外加磁场对纯水 的内能、径向分布函数的影响【1 4 1 。计算结果表明，在磁场的作用下使水中的大分子团分 解成了双分子或单分子，从而大大增加了水的活性。 1 3 研究内容 ( 1 ) 设计并搭建电磁防垢实验平台； ( 2 ) 通过静态实验研究电磁场对水的物理性质的影响及其作用的有效时问； ( 3 ) 通过静态实验研究线圈匝数和频率等因素对防垢效果的影响； ( 4 ) 通过动态实验研究温度、流速和频率等因素对防垢效果的影响； ( 5 ) 实验对比经过电磁处理和未经过电磁处理的结垢情况； ( 6 ) 研究变频电磁场的防垢效果。 3 1 4 研究方法 本课题的研究方法是利用电磁理论和防垢原理设计电磁防垢实验，分析各个因素 对防垢效果的影响，利用实验确定各因素的影响大小，并得到垢样的最佳作用频段。 通过实验对比分析电磁防垢的特点，根据变频电磁防垢原理研究变频电磁场的防垢情 况。主要技术路线如图1 1 所示。 图i - i 技术路线 f i g l 1s t u d yr o u t e 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章油田水结垢影响因素及常用防垢方法 2 1 污垢的分类 按照结垢层沉积机理的不同，可将污垢划分为颗粒垢、结晶垢、化学反应垢、腐蚀 垢、生物垢等： 。 ( 1 ) 颗粒垢 颗粒垢是指液体中的固体微粒在换热面上聚积而形成的垢，其中，液体中较大固体 微粒和胶体微粒由于受到重力作用沉降形成的垢也属于颗粒垢【”1 。 。 ( 2 ) 结晶垢 由于液体中的无机盐类产生结晶而形成的垢叫做结晶垢。结晶垢多是由于液体的蒸 发或者温度的改变等原因导致无机盐类溶解度变化从液体中结晶析出。 ( 3 ) 化学反应垢 在传热表面上进行的化学反应所产生的污垢。传热面材料不参加反应，但可作为化 学反应的一种催化剂【1 6 1 。 ( 4 ) 腐蚀垢 具有腐蚀性的流体或者流体中含有的腐蚀性杂质腐蚀换热表面而产生的污垢，腐蚀 的程度取决于流体的成分、温度、被处理流体的p h 值及传热设备的材质【1 7 1 。 ( 5 ) 生物垢 一般生物污垢均指微生物污垢，这种污垢对温度很敏感，在适宜的温度条件下，生 物污垢可生成较厚的污垢层【1 8 1 。 一般情况下的结垢往往不是单一的一种形式，而是多种结垢共同发生产生的较为复 杂的复合垢。但是在多种垢同时产生的情况下往往有某一种或者两种结垢方式占主导地 位，防垢措施也是主要针对这一两种主要的结垢。 油田的生产过程中主要面对的是结晶垢和腐蚀垢等带来的危害。油田高含水的采出 液以及注水系统中的主要结垢就是结晶垢，其中以碳酸钙垢，硫酸钙垢和硫酸钡( 包括 硫酸锶) 垢为主。 5 第二章油田水结垢影响因素及常用防垢方法 2 2 油田水的组成和性质 2 2 1 离子组分 油田水中所含的主要阳离子有： ( 1 ) 钙。钙离子是油田水的主要成分之一，它对油田水的影响很大，因为它能很快地 与碳酸根或者硫酸根离子结合，并沉淀生成附着的垢或悬浮固体，因而通常是造成堵塞 的主要原因之一【1 9 1 。 ( 2 ) 镁。镁离子浓度比钙离子的浓度在通常情况下要低得多，但镁离子会与碳酸根等 离子结合生成沉淀从而引起结垢和堵塞。 ( 3 ) 铁。铁在水中可能以f e 3 + 或f e 2 + 形式存在，也可能作为沉淀悬浮在水中。其中铁 化合物形成的沉淀会引起地层的堵塞。 ( 4 ) 钡。钡离子能和硫酸根离子结合生成硫酸钡，硫酸钡是一种溶解度很低且很难清 除的垢。 所含的主要阴离子有： ( 1 ) 氯离子。氯离子主要来源于氯化钠等盐类，因此有时水中氯离子浓度被用来作为 水中含盐量的度量【2 们。氯离子含量较高时可能会引起腐蚀。 ( 2 ) 碳酸根和碳酸氢根。碳酸钙垢主要就是由钙离子和碳酸根离子及碳酸氢根离子反 映结合生成的垢。 ( 3 ) 硫酸根。硫酸根离子能垢与钙、钡和锶等离子反应结合生成水垢，且这种垢一般 较难清除。 2 2 2 油田水性质 ( 1 ) p h 值。p h 值反映一个溶液是偏酸性还是偏碱性。p h 值的高低对部分垢的结垢量会 产生影响，一般情况下，p h 值越小即溶液酸性越强越有利于抑制垢的生成，但同时酸性 越强对金属管道的腐蚀越厉害【2 1 】。 ( 2 ) 悬浮固体含量。在己知体积的油田水中，用薄膜过滤器过滤出来的固体数量是估 计水的结垢堵塞趋势的一个重要依据【2 2 】。 ( 3 ) 温度。温度会对水中盐类以及气体的溶解度产生很大的影响，温度变化会引起结 晶垢的产生。所以它是影响结垢的一个重要因素，许多物质在水中的溶解度都是随着温 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 度的变化而变化，当溶解度降低时就容易使水中的盐类等从水中析出而生成沉淀。 ( 4 ) 密度。油田水的密度一般情况下要大于纯水的密度，因为其中还有大量的杂质。 可以根据水的相对密度的大小来估算出水中所含杂质的多少。 ( 5 ) 溶解氧含量。溶解氧会对金属进行腐蚀，同时还可能同溶液中的金属离子进行反 应生成沉淀。 ( 6 ) 硫化物含量。油田水中的硫化物( 主要是h 2 s ) 可能是自然存在于水中的，也可能 是由于水中存在的硫酸盐还原菌( s i 也) 产生的口3 1 。 ( 7 ) 细菌数。细菌本身及其代谢产物都可能造成管道或地层堵塞。 2 3 油田水常见水垢类型 油田水常见的水垢类型及影响结垢的主要因素见表2 1 2 4 。 表2 - 1 油田水常见的水垢类型及影响因素 t a b l e 2 1t h et y p e so fo i lf i e l dw a t e rs e a l i n ga n df a c t o r sa f f e c t i n gs e w a g ew i t ho i l 名称化学式结垢的主要因素 碳酸钙c a c 0 3二氧化碳分压、温度、含盐量、p h 值 硫酸钙c a s 0 4 2 h 2 0 ( 石膏)温度、分压、含盐量 c a s 0 4 ( 无水石膏) 硫酸钡b a s 0 4温度、含盐量 硫酸锶s r s 0 4 铁化合物腐蚀、溶解气体、p h 值 碳酸亚铁f e c 0 3 硫化亚铁 f e s 氢氧化亚铁 f e ( o h ) 2 氢氧化铁 f e ( o h ) 3 氧化铁 f e 2 0 3 生活中最常见的水垢就是碳酸钙，水中的钙离子会与碳酸根离子以及溶解到水中的 二氧化碳等反应生成沉淀，由于钙离子广泛存在与各种水溶液中，所以碳酸钙垢是油田 的主要结垢之一。碳酸钙在水中的溶解反应为： 7 第二章油田水结垢影响因素及常用防垢方法 c a 2 + + c 0 3 2 - - 与c a c 0 3 ( 2 1 ) 空气中的二氧化碳会与水反应生成碳酸，从而对水的p h 值产生影响，对碳酸钙垢的 形成产生影响。碳酸平衡各级反应式为： c 0 2 + h 2 0 与h 2 c 0 3 ( 2 2 ) h 2 c 0 3 与 i + + h c 0 3 。( 2 - 3 ) h c 0 3 与w + c 0 3 2 ( 2 - 4 ) 由式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) 可以得到 2 h c 0 3 s c 0 3 2 + h 2 c 0 3 ( 2 5 ) 由式( 2 2 ) 和式( 2 - 5 ) 可以得到 2 h c 0 3 - - - 与c 0 3 2 - + c 0 2 + h 2 0( 2 6 ) 反应式( 2 6 ) 是水中游离碳酸( c 0 2 、h 2 c 0 3 ) 、重碳酸盐碳酸( h c 0 3 ) 和碳酸盐碳酸 ( c 0 3 2 - ) 拘统一反应化学式。水中巨j c 0 3 2 - 离子既参与了碳酸平衡反应，也参与了碳酸钙溶 解平衡反应，所以油田水中碳酸钙的溶解平衡可以用下列可逆反应来表示： c a ( h c 0 3 ) 2 与c a c 0 3 上+ c 0 2 t + h 2 0( 2 - 7 ) 当该反应达到平衡时，油田水中溶解的碳酸钙，二氧化碳和碳酸氢钙量保持不变， 这时不会在管道、用水设备和油井的岩隙中产生结垢现象【2 5 1 。影响碳酸钙溶解平衡的因 素主要有：二氧化碳的影响；温度的影响；p h 值的影响；含盐量的影响幽。 b a s 0 4 的溶解度随温度升高而增大，因此若温度低时没有产生b a s 0 4 垢，那么温度 升高后也不会存在b a s 0 4 结垢问题，反之则不然，温度下降有可能会引起b a s 0 4 结垢现 象的发生。 水中溶解的铁离子以及钢铁的腐蚀产物都有可能在金属表面形成铁的沉淀物，如 f e c 0 3 、f e s 、f e ( o h ) 2 并l ：l f e 2 0 3 等【2 7 1 。 2 4 结垢机理及影响因素 2 4 1 结垢机理 ( 1 ) 不相容论。两种化学上不相容的液体( 不同层位含不相容离子的地层水，地层水 与地面水，清水与污水) 相混，因为含有不同离子或不同浓度的离子，就会产生不稳定 的、易于沉淀的液体【2 8 1 。如某一溶液含s 0 4 2 。，另一溶液含b a 2 + 、s ，较多，则两种溶液 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 混合后会生成b a s 0 4 、s r s 0 4 。所以油田生产过程中，注入水中所含离子若与地层水中所 含离子不相容就会产生沉淀，从而对底层造成堵塞。 ( 2 ) 热力学条件变化论。当环境温度不变时，溶液中的离子等会保持一个平衡状态， 而温度变化则打破了这个平衡，平衡的破坏有可能引起结垢的发生。所以在油田生产过 程中，采出液由地下到地上温度下降就容易产生结垢，而加热炉等温度变化较大的设备 接口处也易产生结垢现象。 ( 3 ) 吸附论。结垢可分三个阶段：垢的析出、垢的长大和垢的沉积，垢是晶体结构， 若管壁表面为毛糙面，垢离子会吸附在壁面上形成坚实致密的垢1 2 9 1 。 2 4 2 影响结垢的因素 ( 1 ) 温度。温度对水中盐类的溶解度影响较大，水中的物质的溶解度大多随着温度的 升高而升高，但c a c 0 3 的溶解度则是随着温度的升高而降低，因此温度越高越有利于 c a c 0 3 的析出。 c a s 0 4 垢分为石膏( c a s 0 4 2 i - 1 2 0 ) 、半水石膏( c a s 0 4 h 2 0 ) 和无水石膏( c a s 0 4 ) ，也 叫硬石膏，成分不同温度对他们的溶解度的影响也不同【3 0 1 。c a s 0 4 2 h 2 0 在温度小于 4 0 。c 时，其溶解度随温度升高而增大，而温度大于4 0 。c 时溶解度随温度升高而降低【3 1 1 。 在3 8 c 以上时，无水硫酸钙要先于石膏沉积，这是因为无水硫酸钙在3 8 。c 以上时溶解 度较小，而石膏只有当温度升高到1 0 0 ( 2 以上才有可能沉积，因此在较深较热的井中 c a s 0 4 主要以无水石膏的形式存在。 b a s 0 4 溶解度非常小，当温度升高时其溶解度略有增大。 ( 2 ) 压力。c a c 0 3 的溶解度受n c 0 2 分压的影响，其溶解度随着c 0 2 分压的增加而增 大，而随着温度的增加这种影响逐渐减小。在系统中任何有压降的地方，气相中c 0 2 分 压都会减小，容易导致c a c 0 3 沉淀的产生。 c a s 0 4 的溶解度随着压力的降低而变小，压力下降对地层井筒和管线结垢都有较大 影响。 ( 3 ) p h 值。p h 值的高低对部分垢的结垢量会产生影响，一般情况下，p h 值越小即溶 液酸性越强越有利于抑制垢的生成，不过对硫酸盐的影响不大。 ( 4 ) 含盐量。水中含盐量( n a c l ) 越高c a c 0 3 溶解度也越大。 j i ：1 2 0 x 1 0 4 m g ln a c l 到蒸馏 水中，c a c 0 3 的溶解度增加1 5 倍，b a s 0 4 的溶解度增加更显著，温度不变，加入 g 第二章油田水结垢影响因素及常用防垢方法 1 0 x 1 0 4 m g ln a c l 会使b a s 0 4 的溶解度增加1 3 倍，x 寸c a s 0 4 力h 1 5 x 1 0 4 m g l n a c l ，溶解度增 加3 倍，故这几种垢的结垢趋势均随水中含盐量的减少而增大【3 2 1 。 2 5 主要防垢方法 为了达到防垢的目的可以有两个手段，一是防止水中物质结晶析出产生沉淀，也就 是增强成垢物质在水中的溶解量；还一个是通过物理化学手段使生成的垢不附着在管壁 上，即生成的固体微粒被流体携带运动不在管壁上沉积而形成硬垢。具体方法有两大类： 化学方法和物理方法。 2 5 1 化学方法 化学方法是通过向水中加入化学药剂来达到防垢效果的，主要分为以下几类： ( 1 ) 石灰软化法：向水中加入石灰能够使硬度较高的水软化。石灰软化法通常先将生 石灰制成熟石灰，再投加到水中，与水中的离子形成沉淀，使水质软化【2 4 】。 ( 2 ) 离子交换法：阳离子交换树脂中所含的阳离子( 如n a + 、h + ) 能够和水中所含阳离 子( 如c a 2 + 、m 孑+ ) 进行交换从而达到软化的作用，但此方法成本过高。 ( 3 ) 加阻垢剂：在结晶过程中先是形成晶核，进而由晶核生长、结合形成垢。在水中 加入阻垢剂就是为了破坏晶核的形成从而抑制垢的生成。一般认为阻垢剂的作用机理是 因为聚磷酸盐等在水中生成的长链阴离子容易吸附在微小的碳酸钙晶粒上，同时这种阴 离子易于和c 0 3 2 离子置换，这种置换发生在分散于水中的全部钙离子层上，从而防止了 碳酸钙的析出【3 3 】。 化学防垢垢存在以下几个缺点： ( 1 ) 化学药剂会对管道和设备进行腐蚀； ( 2 ) 化学废液难以处理，处理不当会造成环境污染； ( 3 ) 化学药剂消耗量大，费用高； ( 4 ) 化学药剂可能会对人体产生危害。 2 5 2 物理方法 物理法是指不使用化学药剂，只通过物理作用抑制水垢的生成或使水垢以软垢的形 式出现从而达到防垢的目的。物理防垢方法主要包括以下几类： ( 1 ) 磁处理法：利用永磁铁或线圈产生的磁场，流体通过其中垂直或平行于磁场的通 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 道而被磁化处理【划。磁处理器可以分为内磁和外磁两种，前者永磁体放在管道内，而后 者则是放在管道外侧。经过长期的应用发现，磁处理不仅能够起到防垢的效果还能起到 一定的防腐蚀效果。 ( 2 ) 电子处理法：电子处理法就是直接向水中通以微电流达到抑制垢生成的目的。实 验研究表明，水在通过处理器时金属阳极有白色水垢产生，结垢量一开始随着处理时间 的增加而减少，继续延长处理时间结垢量会增加，但生成的垢多为软垢【3 5 1 。 ( 3 ) 高频电磁场法：高频电磁场法是通过向水中施加高频电磁场而使水中结垢量减少 的方法，它不仅可以使新垢减少还能使老垢脱落，能够起到防垢! 除垢、缓蚀和杀菌灭 藻的作用【3 6 1 。 ( 4 ) 高压静电场法：水在高压静电场的作用下结垢量会有所减少。高压静电处理法有 定向排列说、电极化说、释氧成膜说、活性氧( 超氧自由基) 说等【3 硐。高压静电处理法设 备通常由高压直流发生器和处理器组成，处理器为一管状体，壳体为阴极，其中心装有 铁线圈芯棒作为阳极，外绝缘 3 7 j 。 ( 5 ) 超声波处理法：超声波处理技术是指利用超声波对水进行处理，通过由其引发的 振动效果来抑制管壁上垢的产生。在超声波作用下挂壁和液体中的微粒都会产生振动， 由于固有频率的不同它们的振动频率和振动幅度都有所区别，这样就能够防止垢在管壁 上的沉积。 物理法防垢相对于化学法节省了很多费用开支，不用反复的进行施工操作节省了 人力物力，而且物理法对流体本身的化学性质没有产生影响，不会对流体产生污染， 也不存在对环境的污染。 第三章电磁防垢参数优化静态实验 第三章电磁防垢参数优化静态实验 本章从电磁防垢的作用机理入手，利用现有相关实验仪器对部分理论进行了可行 性验证，并通过静态实验对电磁防垢的相关参数进行了优化。 3 1 电磁防垢机理研究 有关电磁防垢机理的理论目前大多还是处于假说地提出和论证阶段，这方面的理 论很多，都是根据自己实验的结果得出的。目前，还没有一个理论得到广泛的认同，一 没有出现较为权威的机理解释。目前有关电磁防垢机理主要有以下理论： 3 1 1 活化极性理论 水分子作为偶极子在通过高频电磁场时由于受到电磁力的作用而反复极化，这就 使水分子产生变形、振动，当与外加电磁场产生共振时这种振动就会加大，在这种振 动的作用下水中大团的水分子( n 2 0 ) n 将会被解离成单个水分子和双水分子0 t 2 0 ) 2 。水 中单个分子的增加改善了水的活性，使c a c 0 3 晶体析出的时间延后，并以细小的颗粒 析出，而不形成坚硬的水垢【3 8 1 。 一般情况下水中都溶有钙、镁、硫酸根、碳酸根、碳酸氢根等物质，其中钙、镁 等多以离子的形式存在于水中。这些离子受到电磁力的作用时可使其电子云的方位转 移而被诱导极化，晶体间因诱导电磁矩的相互作用会出现排斥现象【3 9 1 。晶粒被诱导极 化后出现的相互排斥力可使晶粒消解、分散、悬浮于水溶液中而不会有水垢生成，即 使有少量水垢生成，也不会是坚实致密的长方石结晶形态的水垢，而是质地松软、附 着力较弱且轻易可除去的文石结晶幽。 3 1 2 氢键弯曲理论 由于水是极性分子，在电磁场作用下会发生定向极化作用，能够造成氢键的弯曲 和局部断裂。由光谱学证明，电磁处理后水分子的氢氧键由1 0 4 5 0 减d , n 1 0 3 0 ，这一 微观的结构变化使水分子的缔合状态和物化指标发生明显变化4 2 1 。这种变化表现在二 个氢原子的独立磁矩与一个氧原子的独立磁矩的大小和方向产生位移，电磁场强度越 高，上述变化越明显 4 0 l 。当电磁场的作用强度足够大时，大分子团的水能够被电磁场 切割成双分子( h 2 0 ) 2 或单分子h 2 0 ，水中大量的单个水分子将会占据水体的全部空间 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 间隙，从而有效的抑制水体中结垢物质的晶体形成，同时也是电子除垢仪能防止水垢 形成的第一个因素h 1 1 。第二个因素是，在洛仑兹力的直接作用下，水合离子或带电质 点作反向运动，正负离子或结垢质点相互碰撞形成一定数量的“