含聚合物原油螺旋板换热器堵塞原因分析及改进*

时间：2024-07-28

刘孝根吴晓红倪利刚张中清张宏凯

(1. 合肥通用机械研究院；2.中海油能源发展采油服务分公司)

刘孝根**1吴晓红1倪利刚1张中清1张宏凯2

(1. 合肥通用机械研究院；2.中海油能源发展采油服务分公司)

针对某原油处理厂含聚合物原油的可拆式堵死型螺旋板换热器在运行中出现严重堵塞问题进行了分析。发现堵塞原因较复杂，主要是由于原油在换热器中流速较低，原油中携带的Ca2+、Mg2+等离子形成的微晶以及采出液中携带的泥沙等杂质在重力作用下沉淀在换热器换热壁面所致。根据分析结果提出了换热器改进方案，并对改进的换热器样机进行了现场试验，取得了预期的效果。

螺旋板换热器聚合物驱油堵塞高粘度原油

聚合物驱油是目前化学驱油中发展最快也是很有潜力的一种增产措施，在各种化学驱油方法中，聚合物驱油是唯一一种经过一定规模的工业性实验而获得较好效果的方法[1～3]。目前我国已经成为世界上使用聚合物驱技术规模最大、增产效果最好的国家[4]。聚合物驱油在保证我国原油稳定生产中发挥着不可替代的作用。随着聚合物采油技术的推广应用，开采面积及产量不断增加，注聚采出液中聚合物含量也不断提高。

目前，对注聚采出液的处理存在较大困难。一方面，聚合物的加入使原油粘度增大，油水分离速度减慢，油水沉降分离困难。表现出在常规分离温度和沉降时间下，油水沉降分离后污水含油量和油中含水率都超标，且随注聚浓度的增加而增高。另一方面，由于注聚物对泥沙混和液中固体杂质有很强的吸附性，使采出液中泥沙携带量增大，换热器结垢和堵塞严重，造成电脱平台不能正常运行。注聚采出液造成换热器堵塞、换热效率下降[5,6]，脱水困难、电脱系统运行不稳定，生产污水严重超标，影响原油的处理和输送，对整个原油生产工艺流程都造成不利影响。

这些问题严重影响油田正常生产任务的完成，必须对其提出有效的解决方案。笔者针对绥中某原油处理厂含聚合物原油的换热设备在运行中出现严重堵塞原因进行分析，并提出相应改进方案。

1 原油换热器运行情况

绥中陆地原油处理厂采用通过性较好的可拆式堵死型螺旋板换热器。该种螺旋板换热器的结构特点是螺旋通道两端面交错焊死，两端面的密封采用端盖加垫片的密封结构，原油和换热介质在螺旋通道内逆流流动，螺旋通道内可由两端分别进行清洗。然而，可拆式堵死型螺旋板换热器存在严重的堵塞问题。换热效率达不到要求，换热器出口温度为93℃，远低于设计温度120℃。换热器结垢速度快，清洗耗时。清洗作业组常驻现场对7组换热器(一组2个)进行循环清洗。清洗时需要拆卸顶端，平均1台换热器清洗时间为2天左右。

2 换热器堵塞问题分析

对电脱平台加热器开盖检查发现，换热器内部有大量柱状固体物堆积，直径约15mm，长约20～100mm。

2.1堵塞物组成和结构分析

对含聚合物原油进行脱油抽提处理后分析抽余物的组成和结构。经分析，堵塞物由油和不溶物组成，两者分别占53%和47%。不溶物主要成分是方解石Ca1.11Mg0.89(CO3)2和纤维蛇纹石Mg3Si2O5(OH)4，两者约占不溶物的86%。定量分析结果见表1。

表1 不溶物的组成和含量 %

2.2换热器堵塞影响因素

经分析，堵塞物的形成与流体本身的性质、组成(尤其是聚丙烯酰胺(HPAM)含量)、流速、流速与重力场的相对方位、流道的结构、温度、杂质含量、传热元件表面状况以及系统压力等诸因素有关[7,8]，其形成是一个复杂的过程。

2.2.1注聚物的影响

采油过程中加入聚合物HPAM使原油粘度增大，原油在换热器中流速降低。低流速促进了原油中微晶的沉积。同时，原油粘度的提高增加了采油过程中携带泥沙等杂质的量，促进了堵塞物的形成。

2.2.2流速

高流速可将结垢减少到最低程度。但高流速要求泵具有较高的抽吸功率，介质具有较低的粘度。经测定，含聚合物原油温度在40～110℃时对应的粘度为相同温度下为水的4×106倍[6]。原油较高的粘度决定其在换热器内流速要比水等常见介质小得多。对螺旋板换热器而言，螺旋通道中水或相似水溶液的参考速度范围为0.7～2.5m/s[10], 雷诺数Re>2300，流动一般处于湍流状态。对于含聚合物原油，在换热器中流速较低，雷诺数Re<2300，流动均处于层流状态。

由此可见，因采出液中含有聚合物，使液体粘度增大，流速减小，流动缓慢，流动处于层流状态，原油中结垢微晶容易沉积，加速了堵塞物(垢)的形成。

2.2.3流速与重力场的相对方位

含聚合物原油在换热器中流速很低，处于层流状态。在流通通道截面上，流速在壁面处为零，往中心方向逐渐增大，至中心达到最大值。靠近壁面附近流速很低，流动缓慢。笔者以原油在圆管中层流流动为例分析重力场方位对结垢的影响(图1)。

图1 圆柱形流体上的受力

图1表示流体通过一均匀直管作定态流动。在圆管内，以管轴为中心，任取一半径为r，长度为l的流动圆柱，对该圆柱体进行受力分析。

两端面上的压力：

F1=πr2p1

(1)

F2=πr2p2

(2)

外表面上的剪切力：

(3)

圆柱体的重力：

Fg=πr2lρg

(4)

式中p1、p2——两端面中心处的压强，Pa；

τ——圆柱体外表面上所受的剪应力，Pa；

ρ——流体密度，kg/m3。

因流体在均匀直管内作匀速运动，各外力之和必为零，即：

F1-F2+Fgsinα-F=0

(5)

代入整理得：

(6)

即：

(7)

可积分为：

(8)

式中Δp=p1-p2为两截面的压力降，因而产

生朝向流体流动方向的推力πr2(p1-p2)=πr2Δp，以平衡粘性阻力和重力。因紧贴在管壁上的运动速度为零：r=rw，u=0。代入式(8)可求得积分常数：

(9)

再代回积分式中，得到：

(10)

当α=-90°，即垂直向上流动时，sinα=-1：

(11)

当α=0°，即水平流动时，sinα=0：

(12)

当α=90°，即垂直向下流动时，sinα=1：

(13)

图2 圆管内原油层流流动流速分布

流速随半径变化的抛物线开口大小对靠近管壁流速产生影响，进而对结垢产生影响。众所周知，较高的流速可将结垢减少到最低程度，甚至会防止垢的形成。从前文分析可知α=90°时靠近管壁的流速最大。较大流速使得污垢不易在管壁沉积。同时，较大流速对已经形成的污垢也起到冲刷作用。

2.2.4流道结构

合理的换热器流道结构使流体在流动中均匀、顺畅且无死区，有助于防止离子形成的微晶沉积结垢和阻力降的增加。

可拆式堵死型螺旋板换热器两侧通道均为螺旋通道，冷热侧可实现纯逆流换热。因此，换热效率较高。但是原油走螺旋通道，流动缓慢，流速方向与重力场方向垂直，靠近管壁流速较低，容易造成微晶在换热器壁面沉积。

2.2.5温度

流体温度是影响结垢程度的关键参数。研究表明温度是影响碳酸钙、碳酸镁在水中溶解度的一个重要因素。绝大部分盐类在水中的溶解度都随温度升高而增大，但碳酸盐、硫酸盐在温度升高时溶解度反而下降[12]。原油中含有较多Ca2+、Mg2+及CO32-等离子，温度升高，溶解度下降，结垢加剧。

3 改进措施

螺旋板换热器由两块长条形的金属板围绕轴心卷制而成，形成两个螺旋式通道。螺旋板换热器按结构形式可分为不可拆式和可拆式。可拆式螺旋板换热器又分为两种：一种结构特点是螺旋通道两端面交错焊死，端面的密封采用端盖加垫片的密封结构，螺旋通道内可由两端分别进行清洗，称为可拆式堵死型螺旋板换热器；另一种螺旋板换热器结构特点是一个通道两端焊死，另一个通道两端全部敞开，敞开端面采用封头端盖结构，称为可拆式贯通型螺旋板换热器。其一侧流体呈螺旋流动，另一侧流体穿越螺旋体呈轴向流动。轴流侧流道宽且为两端全部敞开结构，可方便采用机械清洗。

可拆式贯通型螺旋板换热器流道结构特点使流体在流动时均匀、顺畅、无死区[13]，有助于防止离子形成的微晶沉积结垢。与可拆式堵死型螺旋板换热器相比，原油可采取自上而下流动，流动方向与重力场方向一致，靠近流道壁流速较大，不易发生沉积结垢。

可拆式贯通型螺旋板轴向通道流通面积比螺旋通道一侧大，流程较短，传热效果没有全螺旋型效果好。但其直通道流动阻力小，可通过多个换热器轴流侧串联解决传热问题。

为验证可拆式贯通型螺旋板换热器对含聚合物原油防堵塞的适应性，设计制作了贯通型螺旋板换热器样机，并进行了现场试验。试验中含聚合物原油流经换热器轴向流道，至上而下流动。换热器运行一个月以来未出现堵塞情况。说明贯通型螺旋板换热器可有效解决原油侧的堵塞问题。

4 结束语

可拆式堵死型螺旋板换热器出现严重堵塞问题是由于含聚合物原油在换热器中流速较低，原油中携带的Ca2+、Mg2+等离子形成的微晶以及注聚采出液中携带的泥沙等杂质在重力作用下沉淀在换热器换热壁面所致。直管层流定态流动分析结果表明：管内流速u随半径r按抛物线关系变化。二次项系数在α区间[-90°,90°]内，随α增大而增大。随增大抛物线开口增大，曲线形状由“尖锐”变“饱满”，靠近管壁流速增大。α较大时，靠近管壁流速较大，微晶不容易在换热器壁面沉积。同时，较大流速对已经形成的污垢具有清洁作用。通过样机的现场试验说明可拆式贯通型螺旋板换热器可有效解决含聚合物原油的堵塞问题。

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