CN111207299B - 一种油田集输管道的表面改性方法 - Google Patents

一种油田集输管道的表面改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种油田集输管道的表面改性方法。该改性方法包括至少依次推入清洗液、刻蚀液、清洗液、植酸溶液、植酸与三氯化铁的混合溶液、清洗液中的植酸溶液、植酸与三氯化铁的混合溶液、清洗液步骤，直至完成整个油田集输管道的表面改性。本发明的改性方法可以抑制高含水原油黏壁现象，达到良好的水下疏油效果，并且操作简便。

Description

一种油田集输管道的表面改性方法
技术领域
本发明涉及一种改性方法，尤其涉及一种原油黏壁的集输管道表面的改性方法，属于石油开采技术领域。
背景技术
随着水驱油技术的长时间、大面积使用，目前国内大部分油田进入了高含水时期。由于我国所产原油大多具有易凝高粘的特点，在低含水时期常采用加热技术改善原油的流动性。随着集输管道输运总液量、原油含水率逐渐升高，加热原油需要的热量急剧上升，为高含水时期的高效节能开采带来了巨大的成本以及环保压力。随着原油的含水率升高，尤其是到达反相点以后，油水混合液的黏度大幅度降低，为高含水原油的低温集输提供了物性基础，因此不少集输管道采用了常温或低温集输技术来节约加热能耗。然而当运行温度降低至原油凝点以下时，分散的油滴会聚集形成凝油并黏附在管道壁面，使流动截面积减小，从而会引发井口回压过高甚至堵管等一系列安全问题。
表面改性可以有效防止凝油/油污在管道表面的黏附，目前常用表面改性方法从底部/顶部开始构造微纳米粗糙结构，通过原子、分子或团簇的逐步堆积，形成超亲水及水下超疏油表面，包括模板法、冷喷涂法、电化学法、自组装法等，制得的表面结构为无序不规则结构。
目前相关的表面处理方法在规模化应用，尤其是针对高含水低温集输管道壁面润湿调控上还存在不足，如原材料的环保性以及反应液的后续处理能力有待提高，制备程序繁琐，辅助设备要求较高等。
因而急需提出一种简便，能在油田集输管道投产前及运行中采用，并充分利用油田已有装备的表面改性方法，从而为油田集输管道高含水条件原油黏壁抑制，降低集输管道运行风险提供方法保障。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种简便、快速的集输管道的表面改性方法，该改性方法可以达到良好的水下疏油效果，操作简便。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种油田集输管道的表面改性方法，该改性方法包括至少将第四段植酸溶液、第五段植酸与三氯化铁混合溶液和第六段清洗液依次推入管道的步骤；
其中，在管道的预定位置设置隔离球，并以V1的速度将第一段清洗液推入管道中，第一段清洗液过流时间t1＝20min，第一段清洗液长度为V1×t1，第一段清洗液后设置隔离球；
将第二段刻蚀液以V2的速度推入管道中，第二段刻蚀液过流时间t2＝20min-30min，第二段刻蚀液长度为V2×t2，第二段刻蚀液后设置隔离球；
将第三段清洗液以V3的速度推入管道中，第三段清洗液过流时间t3＝20min，第三段清洗液长度为V3×t3，第三段清洗液后设置隔离球；
将第四段植酸溶液以V4的速度推入管道中，第四段植酸溶液过流时间t4＝20min-30min，第四段植酸溶液长度为V4×t4，第四段植酸溶液后设置隔离球；
将第五段植酸与三氯化铁混合溶液以V5的速度推入管道中，第五段植酸与三氯化铁混合溶液过流时间t5＝20min-30min，第五段植酸与三氯化铁混合溶液的长度为V5×t5，第五段植酸与三氯化铁混合溶液后设置隔离球；
将第六段清洗液以V6的速度推入管道中，第六段清洗液过流时间t6＝20min，第六段清洗液长度为V6×t6，第六段清洗液后设置隔离球；
其中，V1＝V2＝V3＝V4＝V5＝V6；直至完成整个油田集输管道的表面改性。
本发明的集输管道的表面改性方法，可以根据实际需要选择清洗液、刻蚀液、清洗液、植酸溶液、植酸与三氯化铁混合液、清洗液中的至少植酸溶液、植酸与三氯化铁混合液、清洗液按照一定的顺序注入清管球之间。比如，可以依次注入清洗液、植酸溶液、植酸与三氯化铁混合液、清洗液；可以依次注入刻蚀液、清洗液、植酸溶液、植酸与三氯化铁混合液、清洗液；可以依次注入清洗液、刻蚀液、清洗液、植酸溶液、植酸与三氯化铁混合液、清洗液。重复上述操作，直至完成整个油田集输管道表面的改性。
本发明的集输管道的表面改性方法，采用集输管道清管作业中普遍采用的清管球(作为隔离球)即可实现，将清洗液、刻蚀液、清洗液、植酸溶液、植酸与三氯化铁混合液、清洗液中的多步按照一定的顺序注入清管球之间，清管球夹带着液体在管道中以一定方向、速度运行时，管道内壁润湿性逐渐发生变化，形成具有抑制黏壁的改性表面。
在没有注入溶液前防止隔离球，以隔离球推动清洗液前进。
在本发明的具体实施方式中，V1＝V2＝V3＝V4＝V5＝V6＜1.0m/s。
在本发明的一具体实施方式中，刻蚀液为体积比为15:1:1的三氯化铁溶液、盐酸溶液、过氧化氢溶液的混合液。
其中，采用的三氯化铁溶液为浓度为2mol/L的水溶液。
其中，采用的盐酸溶液为30％浓盐酸水溶液。
其中，过氧化氢溶液为30％过氧化氢水溶液。
在本发明的一具体实施方式中，采用的植酸溶液的浓度为1.5g/L。
在本发明的一具体实施方式中，植酸与三氯化铁混合溶液中植酸与三氯化铁的浓度比为3:1(1.5g/L:0.5g/L)、3:2(1.5g/L:1g/L)、1:1(1.5g/L:1.5g/L)、3:4(1.5g/L:2g/L)、1:3(0.5g/L:1.5g/L)、2:3(1g/L:1.5g/L)或4:3(2g/L:1.5g/L)。利用植酸水溶液与三氯化铁水溶液发生螯合反应生成络合物薄膜。
在本发明的一具体实施方式中，植酸与三氯化铁混合溶液中植酸的浓度为0.5g/L-2g/L，三氯化铁浓度为0.5g/L-2g/L。
其中，植酸与三氯化铁混合溶液中植酸的原料为质量分数为50％的植酸水溶液，三氯化铁的原料为浓度为10mg/mL的三氯化铁水溶液。
本发明的集输管道的表面改性方法是通过刻蚀液表面刻蚀、植酸溶液预膜、表面沉积工艺，使改性后的管道表面具有良好的亲水性和水下疏油性，能够起到排斥油滴的作用，从而达到良好的水下疏油效果。
本发明还提供了一种黏壁评价装置，黏壁评价装置包括温控设备和搅拌设备；
其中，搅拌设备包含用于承装油水混合液的容器以及搅拌器；
搅拌器包括搅拌轴及固定于搅拌轴上的搅拌桨，搅拌桨用于对容器内的油水混合液进行搅拌；
容器的内壁可以固定碳钢基底，用于测量不同温度下壁面黏附原油质量；
温控设备包含一套水浴设备，用于准确控制容器内油水混合液温度。
在本发明的一具体实施方式中，该评价装置还包括恒温水浴，承装油水混合液的容器通过支架固定在水浴装置的中心，油水混合液温度通过所述恒温水浴进行控制，所述恒温水浴温度设置范围为0℃-100℃。
在本发明的一具体实施方式中，该评价装置还包括可调节式固定支架，固定搅拌桨，以及控制承装油水混合液的容器。
在本发明的一具体实施方式中，搅拌桨为四叶不锈钢材质叶轮，直径为5cm。
在本发明的一具体实施方式中，该评价装置还包括碳钢基底，尺寸为25mm×50mm×2mm，碳钢基底通过支架固定于承装油水混合液的容器的内表面，用于在容器的低温搅拌过程中黏附原油。
在本发明的一具体实施方式中，该评价装置还包含高精度天平，用于测量所述碳钢基底黏附原油的质量。
本发明还提供了一种黏壁效果测试方法，该测试方法包括：
向承装油水混合液的容器加入水，并通过温控设备设置容器内水的温度，将温度设定为实验温度并直至容器内水的温度与设置温度相同；
将固定体积的原油加入承装油水混合液的容器中，同时打开搅拌桨进行搅拌；搅拌桨的转速可以为100转/分钟-1200转/分钟；
一定时间后，将碳钢基底从承装油水混合液的容器中取出，记录黏附原油后的钢片质量；通过记录一系列温度下碳钢基底的黏附质量，得到改性前后黏壁质量变化。
本发明的集输管道的表面改性方法面向现场集输管道，将刻蚀液、植酸溶液以及植酸与三氯化铁混合液以及清洗液按照一定顺序注入管道中浸泡，完成对集输管道内壁表面的改性。
本发明的集输管道的表面改性方法通过刻蚀液刻蚀，以及金属络合物在表面沉积，使改性后的表面具有良好的亲水性和水下疏油性，在水环境中与水分子紧密吸附形成一层稳定的水膜，能够起到排斥油滴的作用，从而达到良好的水下疏油效果，具有环保、经济、操作简便等优点。
附图说明
图1为实施例的工艺流程示意图。
图2为实施例1中的依序推入第三段清洗液、第四段植酸溶液、第五段植酸与三氯化铁混合溶液(浓度比3:1、3:2、1:1、3:4、1:3、2:3、4:3)、第六段清洗液，所获改性管道钢片挂片表面微观结构。
图3为实施例1中的依序推入第三段清洗液、第四段植酸溶液、第五段植酸与三氯化铁混合溶液(浓度比3:1、3:2、1:1、3:4、1:3、2:3、4:3)、第六段清洗液，所获改性管道钢片挂片表面在空气中的水滴接触角。
图4为实施例1中的依序推入第三段清洗液、第四段植酸溶液、第五段植酸与三氯化铁混合溶液(浓度比3:1、3:2、1:1、3:4、1:3、2:3、4:3)、第六段清洗液，所获改性管道钢片挂片表面在对表面进行薄膜沉积后水相(去离子水)中的下油滴的接触角。
图5为黏壁评价装置的结构示意图。
图6为实施例1的依序推入第三段清洗液、第四段植酸溶液、第五段植酸与三氯化铁混合溶液(浓度比1:1)、第六段清洗液，所获改性管道钢片挂片表面在不同温度下的原油黏壁面积百分比。
注：黏壁面积百分比＝原油附着面积/基底总面积
图7为实施例1依序推入第三段清洗液、第四段植酸溶液、第五段植酸与三氯化铁混合溶液(浓度比1:1)、第六段清洗液，所获改性管道钢片挂片表面在不同温度下的原油黏附质量百分比。
注：黏附质量百分比＝实际表面黏附质量/未改性表面黏附质量
图8为实施例2中依序推入第一段清洗液、第二段刻蚀液、第三段清洗液、第四段植酸溶液、第五段植酸与三氯化铁混合溶液(浓度比1:1)、第六段清洗液，所获改性管道钢片挂片表面微观结构及空气中水滴接触角、水下油滴接触角。
图9为实施例2中依序推入第一段清洗液、第二段刻蚀液、第三段清洗液、第四段植酸溶液、第五段植酸与三氯化铁混合溶液(浓度比1:1)、第六段清洗液，所获改性管道钢片挂片表面在不同温度下的原油黏壁面积百分比。
图10为实施例2中依序推入第一段清洗液、第二段刻蚀液、第三段清洗液、第四段植酸溶液、第五段植酸与三氯化铁混合溶液(浓度比1:1)、第六段清洗液，所获改性管道钢片挂片表面在不同温度下的原油黏附质量百分比。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
选取小型室内实验管道，依序推入第三段清洗液、第四段植酸溶液、第五段植酸与三氯化铁混合溶液(浓度比3∶1、3∶2、1∶1、3∶4、1∶3、2∶3、4∶3)、第六段清洗液，推进速度0.1cm/s，由小型柱塞泵完成。每段溶液停留时间20min。其中，第五段植酸与三氯化铁螯合反应方程式如下式所示。
Figure BDA0002359179540000061
Fe3++RH9 3-→Fe(RH11)3
R＝C6H6O(PO3)6
得到的络合物分子结构式如式I所示。
Figure BDA0002359179540000062
采用扫描电镜(SEM)测试改性前及改性后(植酸与三氯化铁混合溶液浓度比3∶1、3∶2、1∶1、3∶4、1∶3、2∶3、4∶3)管道钢片表面的微观结构。图2中图片(a)为未处理的钢片表面SEM图像；图片(b)-图片(h)为植酸与FeCl3溶液浓度配比为3∶1、3∶2、1∶1、3∶4、1∶3、2∶3、4∶3的管道钢片表面SEM图像。
图3为空气中水滴接触角在不同植酸与三氯化铁浓度比(3∶1、3∶2、1∶1、3∶4、1：3、2∶3、4∶3)的结果。图4为水相中油滴接触角在不同植酸与三氯化铁浓度比(3∶1、3∶2、1∶1、3∶4、1∶3、2∶3、4∶3)的结果。结果表明，当植酸、三氯化铁浓度均为1.5g/L(浓度比1∶1)，空气中水滴接触角(6.2°左右)及水下油滴接触角(133°左右)，为第五段植酸与三氯化铁混合溶液的最佳条件。
采用黏壁评价装置(图5)，选取国产某含蜡原油(凝点26℃、含蜡量17％)评价，评价温度：24℃-16℃。图6、图7为依序推入第三段清洗液、第四段植酸溶液、第五段植酸与三氯化铁混合溶液(浓度比1:1)、第六段清洗液，所获改性管道钢片挂片表面在不同温度下的原油黏壁面积百分比、原油黏壁质量百分比。可知实施例1所获管道改性表面具有一定抑制原油黏附的效果，但在24℃、22℃下油污附着面积略有升高的趋势。
为测试实施例1管道改性表面的耐腐蚀性，将管道改性后钢片(第五段植酸与三氯化铁浓度比1:1)分别浸泡于0.1mol/L盐酸、氯化钠、氢氧化钠溶液72小时，再次测量接触角结果如表1所示。可以看出，改性后表面具有一定的耐酸碱能力。
表1
Figure BDA0002359179540000071
(下沉法采用1,2-二氯乙烷为液滴，上升法采用模拟白油D80为液滴。)
实施例2
为进一步提升改性表面的空气中亲水性及水下疏油性，选取小型室内实验管道，依序推入第一段清洗液、第二段刻蚀液、第三段清洗液、第四段植酸溶液、第五段植酸与三氯化铁混合溶液(浓度比1:1)、第六段清洗液，如图1所示，推进速度0.1cm/s，由小型柱塞泵完成。每段溶液停留时间20min。
采用扫描电镜(SEM)测试改性前及改性后(第五段植酸与三氯化铁混合溶液浓度比1:1)管道钢片表面的微观结构，以及接触角测量仪测试该表面的润湿性，结果如图8所示。图8中的图片(a)为本实施例中改性后表面的SEM图像，表明刻蚀液可以在碳钢表面形成微纳米粗糙结构；图片(b)为空气中的水滴在此实施例中改性后表面的接触角；图片(c)为水下油滴在此实施例中改性后表面的接触角。可知添加推入第一段清洗液和第二段刻蚀液工艺，可以显著地增强碳钢表面的粗糙结构以及水下疏油效果，空气中水滴接触角达到0°，水下油滴接触角在153°左右，达到了水下超疏油状态。
图9为本实施例中改性前后钢片表面的原油黏壁面积百分比，可以看出在各温度条件下表面几乎没有原油黏附，与实施例1中改性表面相比在24℃、22℃条件下黏壁面积百分比进一步降低。说明了凝油以及油污极易被水流冲刷掉，在添加推入第一段清洗液和第二段刻蚀液工艺后可以进一步增强水环境中的疏油性，进而改善原油黏壁的抑制效果。图10为本实施例中改性前后钢片表面在不同温度条件下的原油黏壁质量百分比。
为测试本实施例中改性后管道钢片表面的耐腐蚀性，将基底分别浸泡于0.1mol/L的盐酸、氯化钠、氢氧化钠溶液中72小时后取出，接触角测量结果如表2所示。
表2
Figure BDA0002359179540000081
(下沉法采用1,2-二氯乙烷为液滴，上升法采用模拟白油D80为液滴。)
从表2可以看出，与实施例1相比，采用本实施例的改性方法形成的表面具有更好的耐酸碱能力，在强酸、强碱溶液中保持良好的空气中亲水以及水下疏油状态。

Claims (7)

1.一种油田集输管道的表面改性方法，其中，该改性方法包括至少将第四段植酸溶液、第五段植酸与三氯化铁混合溶液和第六段清洗液依次推入管道的步骤；
其中，
在管道的预定位置设置隔离球，并以V1的速度将第一段清洗液推入管道中，第一段清洗液过流时间t1＝20min，第一段清洗液长度为V1×t1，第一段清洗液后设置隔离球；
将第二段刻蚀液以V2的速度推入管道中，第二段刻蚀液过流时间t2＝20min-30min，第二段刻蚀液长度为V2×t2，第二段刻蚀液后设置隔离球；
将第三段清洗液以V3的速度推入管道中，第三段清洗液过流时间t3＝20min，第三段清洗液长度为V3×t3，第三段清洗液后设置隔离球；
将第四段植酸溶液以V4的速度推入管道中，第四段植酸溶液过流时间t4＝20min-30min，第四段植酸溶液长度为V4×t4，第四段植酸溶液后设置隔离球；
将第五段植酸与三氯化铁混合溶液以V5的速度推入管道中，第五段植酸与三氯化铁混合溶液过流时间t5＝20min-30min，第五段植酸与三氯化铁混合溶液的长度为V5×t5，第五段植酸与三氯化铁混合溶液后设置隔离球；
将第六段清洗液以V6的速度推入管道中，第六段清洗液过流时间t6＝20min，第六段清洗液长度为V6×t6，第六段清洗液后设置隔离球；
其中，V1＝V2＝V3＝V4＝V5＝V6＜1.0m/s；完成镀膜油田集输管道的表面改性；
所述刻蚀液为体积比为15:1:1的三氯化铁溶液、盐酸溶液、过氧化氢溶液的混合液；所述植酸与三氯化铁混合溶液中植酸与三氯化铁的浓度比为3:1、3:2、1:1、3:4、1:3、2:3或4:3。
2.根据权利要求1所述的改性方法，其中，在所述刻蚀液中，所述三氯化铁溶液为浓度为2mol/L的水溶液。
3.根据权利要求1所述的改性方法，其中，在所述刻蚀液中，所述盐酸溶液为30％浓盐酸水溶液。
4.根据权利要求1所述的改性方法，其中，在所述刻蚀液中，所述过氧化氢溶液为30％过氧化氢水溶液。
5.根据权利要求1所述的改性方法，其中，所述植酸溶液为浓度为1.5g/L的水溶液。
6.根据权利要求1所述的改性方法，其中，所述植酸与三氯化铁混合溶液中植酸的浓度为0.5g/L-2g/L，三氯化铁的浓度为0.5g/L-2g/L。
7.根据权利要求1所述的改性方法，其中，所述清洗液为水。
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