劉 振, 王麗玲

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）， 北京 102249）

環(huán)道實(shí)驗(yàn)研究碳酸鈣結(jié)垢規(guī)律

劉 振, 王麗玲

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）， 北京 102249）

我國(guó)出產(chǎn)的石油大多數(shù)屬于重油，結(jié)垢問題嚴(yán)重。通過設(shè)計(jì)環(huán)道實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著流速的增大，碳酸鈣結(jié)垢誘導(dǎo)期加長(zhǎng)，結(jié)垢速率減小，漸進(jìn)污垢熱阻減?。槐砻鏈囟仍礁?，結(jié)垢速率越大。之前的文獻(xiàn)中很少討論堿度對(duì)換熱表面結(jié)垢的影響，本文對(duì)不同硬度及堿度含量的水質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，堿度越大結(jié)垢越嚴(yán)重；隨著溶液硬度的增大，結(jié)垢速率先是增大，待增大至一定濃度時(shí)降低。

環(huán)道；碳酸鈣；結(jié)垢

1 國(guó)內(nèi)管線結(jié)垢現(xiàn)狀及應(yīng)對(duì)措施

在油田生產(chǎn)過程中，特別是在油氣井生產(chǎn)開采的后期，隨著高含水階段帶來的整體原油含水量高、礦化程度高、出砂出泥高等現(xiàn)象，造成了沿線集輸管線結(jié)垢嚴(yán)重的后果，結(jié)垢給油田生產(chǎn)帶來大量問題：降低傳熱系數(shù)，降低換熱效率，帶來生產(chǎn)隱患，減小管徑，增大沿途摩阻等。我國(guó)出產(chǎn)的石油大多數(shù)屬于重油，結(jié)垢問題嚴(yán)重[1]。

針對(duì)油井管道的結(jié)垢問題，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的除垢方法主要是化學(xué)除垢法和機(jī)械除垢法。[2]化學(xué)除垢法是使用化學(xué)防垢劑，因?yàn)榉拦竸┚哂性鋈?、靜電斥力、晶體畸變、分散和去活化等作用，可以用來阻止無機(jī)鹽在溶液和流體通道壁上結(jié)晶沉淀。化學(xué)除垢法的弊端在于，需要不斷補(bǔ)充新藥劑，難以準(zhǔn)確把握藥劑用量，除垢效果時(shí)好時(shí)壞，容易造成環(huán)境污染，損害工人健康。機(jī)械除垢的方法大致為高壓水噴射除垢，即利用柱塞泵產(chǎn)生的高壓水經(jīng)過特殊噴嘴噴向垢層，除垢徹底，效率高，與其他方式相比操作更簡(jiǎn)便、價(jià)格低、施工人員少、施工周期短等好處。但是，清管器為直線運(yùn)動(dòng)，若要較為徹底的清理干凈管線內(nèi)壁的垢層，一般需要重復(fù)清洗 5～6 遍，有時(shí)多達(dá) 10 遍（表 1）。

表 1 機(jī)械、化學(xué)和超聲波除垢方式對(duì)比Table1 Comparison of mechanical, chemical and ultrasoniccleaning methods

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及大量文獻(xiàn)可知，碳酸鈣是油田最常見的一種碳酸鹽垢型。通常而言，結(jié)垢的過程通常分為四個(gè)過程：①水中的相關(guān)離子結(jié)合形成低溶解度的鹽類分子；②低溶解度分子相結(jié)合并形成微小的晶粒，產(chǎn)生晶?；^程；③大量晶體在特定部位堆積長(zhǎng)大；④在不同的部位形成結(jié)垢[4]。CaCO3垢主要是由于 Ca2+和 CO32-或 HCO3-結(jié)合反應(yīng)生成，其基本原理如下所示[5]:

2 確定環(huán)道參數(shù)

環(huán)道實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1。

圖 1 環(huán)道實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Ring road experiment flow chart

2.1 確定實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度

2.2 確定泵的流量和揚(yáng)程

對(duì)于換熱器，實(shí)驗(yàn)中的熱水循環(huán)系統(tǒng)管程流速為 0.5～3.0 m/s，實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)殼層的流速為 0.2～1. 5 m/s。實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的換熱器的內(nèi)徑為12 mm，環(huán)形空間的當(dāng)量直徑為 9 mm，其管程流量在 0.2～1.2 m3/h 范圍內(nèi)，殼層的流量在 0.17～1.2 m3/h范圍內(nèi)，根據(jù)達(dá)西公式可以求得整個(gè)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)所需能頭小于 40 m，整個(gè)熱水循環(huán)系統(tǒng)所需能頭小于 30 m。綜合流量范圍與所需能頭的范圍，并參考所給離心泵的特性參數(shù)，最終選擇德國(guó)威樂泵。型號(hào)分別為 WHI203 和 WHI204，前者揚(yáng)程 33 m，流量范圍 0～5 m3/h； 后者揚(yáng)程 45 m，流量范圍 0～5 m3/h。

2.3 選擇壓力儀表

根據(jù)達(dá)西公式可以求得在實(shí)驗(yàn)管段中殼層的壓降在 0.2～2.3 kPa 范圍內(nèi)，管程的壓降在 0.24～5.69 kPa 范圍內(nèi)，因此選擇 0～10 kPa 的差壓計(jì)，調(diào)節(jié)差壓計(jì)的量程，一支差壓計(jì)量程調(diào)為 0～4 kPa，另一支調(diào)為 0～7 kPa，以求達(dá)到較高的測(cè)量精度。

3 對(duì)流換熱的理論計(jì)算

對(duì)于實(shí)驗(yàn)段的換熱情況現(xiàn)做如下假設(shè)：

（1）換熱段與周圍環(huán)境絕熱，并無散熱損失，此時(shí)只有冷熱流體之間發(fā)生熱交換；

（2）忽略沿管道軸向方向的熱傳導(dǎo)；

（3）忽略流體勢(shì)能和動(dòng)能的變化；

（4）流體的熱物性參數(shù)在一定的溫度范圍內(nèi)恒定；

（5）流體都處于熱充分發(fā)展階段。

在實(shí)驗(yàn)段的冷、熱流體的流量以及進(jìn)口溫度已知曉的情況下可以運(yùn)用公式求得冷、熱流體的出口溫度，管道的內(nèi)、外壁溫度，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及總傳熱系數(shù)。所涉及到的公式有能量平衡關(guān)系式（1）和（2）、傳熱方程（3）、迪斯圖-貝爾特經(jīng)驗(yàn)公式（4）和（5）、牛頓冷卻公式（7）和（8）、格尼林斯基經(jīng)驗(yàn)公式（9）和（10）等。具體如下：

式中：Φ—熱流量，W；

cp,h、 cp,c—熱、冷流體 的比熱容，J/(kg?k)；

m˙h、 m˙c—熱 、冷流體的質(zhì)量流 量，kg/s；

k—總傳熱系數(shù)，W/(m2·k)；

L—實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度，m；

Nuh、 Nuc—熱、冷流體 的努塞爾數(shù)；

do、 di、 de—換熱管的內(nèi) 徑、外徑及殼層的 當(dāng)量直徑，m；

Rem,h、R em,c—熱、冷流體 的雷諾數(shù)；

Prm,h、Prm,c、P rw,i、Prw,o—熱、冷流體、換熱管內(nèi)壁及外壁的普朗克數(shù)；

hh、 hc—冷 、熱流體的對(duì)流換 熱系數(shù)，W/(m2?k)；

λh、 λc、 λ—熱、冷流體 及換熱管的熱導(dǎo)率 ，W/(m?k)；

Th,i、 Th,o、 Tc,i、 Tc,o、 Tm,h、 Tm,c、 Tw,i、Tw,o— 熱 流 體 進(jìn)出 口 溫 度、 冷 流體進(jìn)出口溫度、熱、冷流體的平均溫度、換熱管內(nèi)壁及外壁的溫度，℃；

Δ Tm—對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

3.1 計(jì)算實(shí)驗(yàn)段殼層的當(dāng)量直徑

3.2 計(jì)算冷流體出口溫度

假設(shè)多個(gè)熱流體出口溫度 Th,o，計(jì)算得出多個(gè)相應(yīng)的冷流體的出口溫度 Tc,o：

公式（1）和（2）

3.3 求解平均溫差

計(jì)算熱、冷流體在實(shí)驗(yàn)段的平均溫度，并求解對(duì)數(shù)平均溫差：

3.4 計(jì)算總傳熱系數(shù)

通過傳熱方程（3）計(jì)算總傳熱系數(shù) k：

3.5 經(jīng)驗(yàn)公式求解總傳熱系數(shù)

3.5.1 運(yùn)用迪斯圖-貝爾特經(jīng)驗(yàn)公式初算對(duì)流換熱系數(shù)

由公式（4）和（5）得到努塞爾數(shù)，再通過式（6）得出對(duì)流換熱系數(shù)：

3.5.2 運(yùn)用牛頓冷卻公式求解換熱管壁溫度

由式（7）和（8）得：

根據(jù)此溫度得到換熱管壁的普朗克數(shù)。

3.5.3 求解對(duì)流換熱系數(shù)和出口溫度

由式（9）和（10）得出努塞爾數(shù)，再根據(jù)式（6）求解得到對(duì)流換熱系數(shù)。重復(fù)循環(huán)步驟，直到所得對(duì)流換熱系數(shù)的值與前一次所求之差在允許范圍之內(nèi)，此時(shí)就得到了最終的對(duì)流換熱系數(shù)。由式（11）可以得到總傳熱系數(shù)k值，將上述所求k值進(jìn)行差值，差值最小的所對(duì)應(yīng)的熱、冷流體出口溫度就是所求的溫度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 流速對(duì)結(jié)垢過程的影響

流速為 0.6 m/s 時(shí)，誘導(dǎo)期為 360 min，漸進(jìn)污垢厚度為 2.25×10-4m。流速為 1.7 m/s 時(shí)，誘導(dǎo)期為600 min，漸進(jìn)污垢厚度為 0.57×10-4m（圖 2）。

圖 2 流速對(duì)碳酸鈣結(jié)垢的影響Fig.2 The effect of flow velocity on calcium carbonate scaling

隨著流速的增大，結(jié)垢誘導(dǎo)期加長(zhǎng)，結(jié)垢速率減小，漸進(jìn)污垢熱阻減小。另外，從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)污垢的密度與導(dǎo)熱系數(shù)的乘積隨流速的增大而增大。

4.2 換熱表面溫度對(duì)結(jié)垢過程的影響

結(jié)垢表面溫度增加 20 ℃，污垢壓降增加為原來的 3.5 倍?？梢钥闯觯砻鏈囟仍礁?，結(jié)垢速率越大，污垢壓降也越大，結(jié)垢誘導(dǎo)期越短。Hasson[6]實(shí)驗(yàn)中表面溫度增加 15.5 ℃，結(jié)垢速度僅有 20%的增加；而 Story[7]實(shí)驗(yàn)中表面溫度發(fā)生 33 ℃變化時(shí)，污垢熱阻有20倍的變化，本文污垢壓降的影響介于兩者之間（圖 3）。

圖 3 換熱表面溫度對(duì)結(jié)垢的影響Fig.3 Influence of heat transfer surface temperature on fouling

4.3 pH 值對(duì)結(jié)垢過程的影響

文獻(xiàn)中很少討論堿度對(duì)換熱表面結(jié)垢的影響。Morse 和 Knudsen[8]考察了堿度對(duì)冷卻塔水中 CaCO3在傳熱面結(jié)垢的影響，發(fā)現(xiàn)所生成污垢的強(qiáng)度與水的堿度有關(guān)。本文對(duì)不同硬度及堿度含量的水質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究（圖 4）。

圖 4 pH 對(duì)碳酸鈣結(jié)垢過程的影響Fig.4 Effect of pH on calcium carbonate fouling process

溶液的堿度對(duì)結(jié)垢有非常重要的影響，堿度越大結(jié)垢越嚴(yán)重。另外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溶液堿度對(duì)垢質(zhì)的物性也有很大的影響。堿度越大垢質(zhì)越疏松，堿度越小垢質(zhì)越硬。

4.4 離子濃度對(duì)結(jié)垢過程的影響

隨著溶液硬度的增大，結(jié)垢速率及壓降先是增大 ， 待 增 大 至 一 定 濃 度 時(shí) 降 低 。Chernozubov[9]及Watkinson[10]等也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律（圖 5）。

圖 5 濃度對(duì)碳酸鈣結(jié)垢過程的影響Fig.5 Effect of concentration of calcium carbonate on fouling process

［1］霍文蘭，溫俊峰. 超聲波輔助法在輸油管道除垢、防垢中的應(yīng)用[J].應(yīng)用化工,2009,38(6).

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惠云鈦業(yè)助力云安縣循環(huán)經(jīng)濟(jì)

循環(huán)經(jīng)濟(jì)如何變廢為寶？日前，由鈦白行業(yè)主導(dǎo)的“全國(guó)鈦白粉產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟技術(shù)創(chuàng)新推介會(huì)”在云浮市舉行。筆者在一生產(chǎn)車間看到，由惠云鈦業(yè)有限公司生產(chǎn)鈦白粉后產(chǎn)生的鈦石膏污泥，經(jīng)過超高壓污泥壓榨機(jī)烘干脫水后，形成了一塊塊干泥巴。這些原本需要當(dāng)垃圾處理的污泥，經(jīng)過壓榨后將作為水泥原料、或制作成為環(huán)保磚等下游產(chǎn)品，由以往要花錢處理的“垃圾”變成會(huì)來錢的“寶貝”。這是云安縣大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，積極引導(dǎo)企業(yè)實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)鏈上變廢為寶的又一碩果。

Experimental Research on Calcium Carbonate Scaling Rules by Annular Pipeline Test

LIU Zhen，WANG Li-ling
(China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China)

The produced oil in our country is mostly heavy oil, with serious scaling problem. According to the annular pipeline test, with the increasing of the flow rate, induction period becomes longer, the scaling rate decreases and scaling resistance reduces; the higher the temperature on surface, the higher the scaling rate. While, there is little discussion about the effect of alkalinity on scaling of heat exchanging surface in literature. In this paper, an experimental research on water with diverse hardness and alkalinity contents was carried out. The research results show that, the higher the alkalinity, the heavier the scaling. With the increasing of the hardness of solution, scaling rate firstly increases, and then decreases when the hardness reaches to some extent.

Annular pipeline; Calcium carbonate; Scaling

TQ 132.3+2

： A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 1671-0460（2014）07-1181-04

2013-12-05

劉振（1987-），男，山東菏澤人，中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械學(xué)院石油與天然氣工程在讀碩士，研究方向：從事油氣長(zhǎng)距離管輸技術(shù)、多相管流及油氣田集輸技術(shù)。E-mail：liuzhen09@126.com。