Problem siarczanu baru
Systemy wtrysku wody z pól naftowych wytwarzają ciepło z wody lub wody morskiej do wtryskiwania do zbiornika. Woda zawiera rozpuszczony bar z formacji i siarczan z wody morskiej. Kiedy te wody się zmieszają, wytrąca się siarczan baru: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄. Siarczan baru to jeden z najbardziej nierozpuszczalnych znanych związków-jego produkt rozpuszczalności wynosi 1,1 × 10⁻¹⁰ w temperaturze 25 stopni. Po utworzeniu nie można go rozpuścić za pomocą konwencjonalnego czyszczenia kwasem lub zasadą.
Kamień tworzy się preferencyjnie na powierzchniach wymienników ciepła, gdzie podwyższona temperatura jeszcze bardziej zmniejsza rozpuszczalność. Zgorzelina siarczanu baru jest gęsta, twarda i wyjątkowo przyczepna. Wymaga mechanicznego usunięcia-szlifowania, odpryskiwania lub-spryskiwania wodą pod wysokim ciśnieniem-, co uszkadza powierzchnię wymiennika ciepła i zapewnia świeże miejsca zarodkowania dla następnej warstwy.
Wymienniki ciepła PTFE są odporne na osadzanie się kamienia po siarczanie baru poprzez tłumienie zarodkowania powierzchni. Powierzchnia fluoropolimeru o niskiej-energii zapewnia niewiele miejsc zarodkowania umożliwiających tworzenie się kryształów siarczanu baru. Kryształy, które się tworzą, są słabo przyczepione i łatwo się przemieszczają.
Wyzwanie zarodkowania siarczanu baru
Wytrącanie siarczanu baru wymaga utworzenia jąder kryształów-skupisk jonów baru i siarczanów, które osiągają wielkość krytyczną dla stabilnego wzrostu. Na szybkość zarodkowania wpływa powierzchnia, na której tworzą się jądra. Powierzchnia o wysokiej-energii z miejscami aktywnymi (krawędzie zarysowań, wżery korozyjne, defekty powierzchni) sprzyjają heterogenicznemu zarodkowaniu-kryształów na powierzchni, wykorzystując powierzchnię jako szablon. Gładka powierzchnia o niskiej-energii, pozbawiona miejsc aktywnych, wymusza jednorodne zarodkowanie w płynie masowym, które jest wolniejsze kinetycznie.
Metalowe powierzchnie wymienników ciepła są bogate w miejsca zarodkowania. Korozja metalu w wodzie tworzy szorstką, aktywną powierzchnię. Jony metali uwalniane w wyniku korozji mogą tworzyć kompleksy z siarczanami, tworząc dodatkowe ścieżki zarodkowania. Siarczan baru szybko zarodkuje na powierzchni metalu i tworzy przylegającą łuskę.
PTFE nie oferuje żadnych aktywnych miejsc. Powierzchnia jest chemicznie obojętna i molekularnie gładka. Nie są uwalniane żadne jony metali, które sprzyjałyby zarodkowaniu. Siarczan baru musi zarodkować w większości wody, a następnie osadzić się na powierzchni-w procesie wolniejszym i ze słabszym skutkiem. Osadzone cząstki przylegają luźno i są usuwane przez przepływającą wodę.
| Parametr siarczanu baru | Stal węglowa | Dwustronna stal nierdzewna | PTFE |
|---|---|---|---|
| Korozja powierzchniowa w instalacjach wodnych | Tak (uwalnia jony Fe) | Powolny (uwalnia śladowe jony) | Nic |
| Gęstość miejsc zarodkowania | Wysoki | Umiarkowany | Bardzo niski |
| Promowanie zarodkowania jonów metali | Tak (kompleksy Fe) | Drobny | Nic |
| Skala siły przylegania (względna) | 1,0 (wartość bazowa) | 0.6-0.8 | 0.03-0.08 |
| Metoda usuwania kamienia | Mechaniczne (szlifowanie) | Mechaniczne (natryskiwanie) | Lekkie płukanie |
| Żywotność w wodzie-siarczanowej-baru (miesiące) | 6-18 | 12-36 | 60+ |
Redukcja inhibitora kamienia chemicznego
Operatorzy pól naftowych stosują chemiczne inhibitory kamienia-fosfoniany, poliakrylany-w celu kontrolowania osadzania się siarczanu baru. Inhibitory zakłócają zarodkowanie i wzrost kryształów. Są skuteczne, ale drogie i wymagają ciągłego dawkowania. Stężenie inhibitora musi być utrzymywane na właściwym poziomie w całym systemie uzdatniania wody.
Wrodzona odporność PTFE na kamień zmniejsza zależność od inhibitorów chemicznych. Dawkę inhibitora można zmniejszyć o 30-50%, gdy powierzchnie wymienników ciepła nie stanowią już głównych miejsc zarodkowania. Zmniejszone zużycie inhibitora oszczędza koszty środków chemicznych i upraszcza system uzdatniania wody. W przypadku operacji wrażliwych na środowisko dodatkową korzyścią jest zmniejszone zużycie środków chemicznych.
Zgodność temperatury i ciśnienia
Ogrzewanie z wtryskiem wody na polach naftowych działa w temperaturach 60-120 stopni i ciśnieniu 10-50 barów. Wymiennik ciepła PTFE musi być zaprojektowany pod kątem określonych wymagań ciśnieniowych – grubszych ścianek rur, wzmocnionych kolektorów i odpowiednich konstrukcji wsporczych. Temperatura materiału wynosząca 260 stopni zapewnia duży margines. Projekt ciśnieniowy jest standardowym zadaniem inżynierskim, a wymienniki PTFE zostały z powodzeniem wdrożone w usługach wtrysku wody pod wysokim ciśnieniem.
Streszczenie
Wymienniki ciepła PTFE są odporne na osadzanie się kamienia po siarczanie baru podczas wtryskiwania wody z pól naftowych poprzez tłumienie zarodkowania powierzchni. Niskoenergetyczna, gładka, obojętna powierzchnia nie zawiera miejsc aktywnych ani nie uwalnia jonów metali, które mogłyby sprzyjać tworzeniu się kryształów. Powstała zgorzelina jest luźna i łatwa do usunięcia. Zużycie chemicznego inhibitora kamienia zostaje zmniejszone o 30-50%. Żywotność wynosząca 5+ lat w porównaniu do 6-36 miesięcy w przypadku wymienników metalowych. Połączone oszczędności operacyjne i chemiczne sprawiają, że PTFE jest ekonomicznym wyborem w przypadku instalacji wodnych podatnych na obecność siarczanu baru.
Wsparcie inżynieryjne w zakresie specyfikacji wymiennika ciepła PTFE na polach naftowych jest dostępne po przedłożeniu danych dotyczących składu wody, stężeń baru i siarczanów, ciśnienia i temperatury roboczej oraz bieżących praktyk kontroli kamienia.
