王佳豪，王丁

（西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

隨著油田原油的大量開采，使地下油層逐漸出現(xiàn)了虧空，為了彌補虧空和提高地下油層采出壓力大部分油田采用注水采油的方式，同時還可以實現(xiàn)原油采出的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。在進入注水采油階段后，出現(xiàn)了集輸裝置中水結(jié)垢的問題，例如集輸管線和換熱設(shè)備。水結(jié)垢對管線和換熱設(shè)備都有很大的影響，嚴(yán)重時可能造成管線出現(xiàn)不流通的情況，即使不堵塞管線同樣會使管線在運輸時沿程阻力增加；發(fā)生在換熱設(shè)備時會導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備的換熱效率降低，使得換熱設(shè)備的運行年限減少，這使得油田在生產(chǎn)中需要投入更多的資金；水結(jié)垢也可能在井筒內(nèi)出現(xiàn)，如果井筒和近井區(qū)域出現(xiàn)水結(jié)垢，會使得油層滲透率減小，對油田的生產(chǎn)造成不便和經(jīng)濟上的負擔(dān)。

近些年隨著我國油田行業(yè)的發(fā)展，我國已經(jīng)進入油田高含水的階段。油田上管道和設(shè)備結(jié)垢可能會導(dǎo)致儲層壓力過高或者是讓輸送管道堵塞，一旦產(chǎn)生污垢會讓管道內(nèi)部實際流通面積縮小，根據(jù)伯努利效應(yīng)分析可得，此時流速會增加，壓力會升高，很有可能高過管道和設(shè)備的極限承壓，最后導(dǎo)致管道和設(shè)備損壞，造成嚴(yán)重的事故，縮短了其使用年限。這讓油田的安全生產(chǎn)受到了嚴(yán)重影響，因此大量學(xué)者在防垢和除垢方面做了許多研究[1]。

1 結(jié)垢作用機理

現(xiàn)在大部分研究學(xué)者認(rèn)為，溶液熱力學(xué)狀態(tài)變化和離子的化學(xué)不相容性是引起結(jié)垢的主要原因，析晶污垢的沉積主要發(fā)生在換熱面上[2]。這種現(xiàn)象的原因是，由于加熱器的加熱作用引起溶液的熱力學(xué)狀態(tài)變化，使溶液達到了過飽和狀態(tài)，當(dāng)溶液達到過飽和狀態(tài)后，溶液中的離子開始聚集形成晶核，晶核在流固表面形成，晶核通過吸引流體中帶有電荷的成垢離子使其不斷生長為晶體微粒，析出的晶體微粒在換熱壁面不斷聚集并生長進而形成了污垢層。

當(dāng)溶液流過換熱面時，流體的熱力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，進而使流體中的鹽離子達到過飽和狀態(tài)，溶液中的離子沉積在換熱面，成為質(zhì)地堅硬的污垢，這就是通常所說的析晶污垢。工業(yè)生產(chǎn)中常見的析晶型污垢有CaCO3、CaSO4以及 BaSO4等[3]。

析晶污垢的析出是由于溶液達到了過飽和狀態(tài)致使污垢從溶液中析出，不管水溶液是處于冷卻狀態(tài)還是加熱狀態(tài)均可以析出污垢，同時，流體在冷卻狀態(tài)下析出的污垢通常為正溶解度的鹽，而在加熱狀態(tài)下析出的污垢通常為負溶解度的鹽。顆粒污垢主要由固體顆粒和在流體中析出的晶體結(jié)合形成的污垢?；瘜W(xué)反應(yīng)污垢是溶液中的離子重新組合并沉積在換熱壁面上的固體。腐蝕污垢一般是指由于換熱面的金屬與流體中的離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的氧化腐蝕污垢。生物污垢一般是指當(dāng)金屬表面形成腐蝕污垢后就形成了微生物生存的環(huán)境，進而使得微生物在換熱面沉積生存下來形成的。凝固污垢一般是指當(dāng)流體中的物質(zhì)溫度較高時，突然遇到冷水從流體中析出進而沉積在換熱面上的污垢。從上面可以看出，每一種污垢的生成都是在多種條件的作用下，如果是混合污垢，其形成的機制會有更加復(fù)雜。在現(xiàn)實的生產(chǎn)中，一般不會出現(xiàn)單一污垢的情況，經(jīng)常是多種污垢共同作用的結(jié)果，使得其解決并不是那么容易。

2 影響因素

2.1 溫度

油田管道中比較常見的垢物有硫酸鈣、碳酸鈣、碳酸鎂、重晶石等，這些垢物在水中的溶解度的變化對溫度十分的敏感。碳酸鈣由于是反溶性的鹽，其溶解度會隨著溫度的升高而減小；重晶石的主要成分是硫酸鋇，在一個較低的溫度環(huán)境下，硫酸鋇的溶解度會隨著溫度的升高有少量的增加，在較高的溫度環(huán)境下，溶解度則會隨著溫度的上升而減少；而硫酸鈣的溶解度則隨著溫度升高而先增大并在40 ℃左右達到最值后隨著溫度繼續(xù)升高而減小[4]。生成污垢的反應(yīng)都為吸熱的化學(xué)反應(yīng)，而這些垢類也大都為反溶性的鹽，所以隨著溫度的升高，會有大量的污垢過飽和析出。

2.2 壓力

通常壓力對 CaCO3、CaSO4以及 BaSO4等溶液結(jié)垢都會產(chǎn)生影響，特別是CaCO3，因為CO2氣體會參與到化學(xué)反應(yīng)中，所以反應(yīng)受壓力的影響更為明顯一些。在輸油管道中，壓力一般沿著管線流動都是下降的，所以結(jié)垢率隨著流動逐漸增大[12]。

2.3 管內(nèi)流體的速度

無論是哪種污垢，結(jié)垢的快慢與流體的速度呈負相關(guān)，這可以理解為，管道污垢沉積率會隨著管道內(nèi)液體的流速增大而有一定量的增幅，但是液體的流速越高對污垢的剝蝕率也就越大，生成的污垢容易被液體沖刷掉，進而導(dǎo)致整個結(jié)垢的增長率會有顯著的減小。當(dāng)管道內(nèi)液體流速較低的時候，溶液中的微生物和一些雜質(zhì)顆粒不容易被帶走，在重力的作用下堆積在管道底部，形成沉積物[5-6]。

2.4 pH 值

研究發(fā)現(xiàn)，增大溶液的pH 值，增加了部分反溶鹽溶液的結(jié)晶與成核速度，加快了污垢的生長。但如果溶液的 pH 值過低，又會增加管道內(nèi)部的腐蝕，形成腐蝕污垢[7]。

3 結(jié)垢預(yù)測模型

在管道結(jié)垢中，結(jié)垢預(yù)測是一項很重要的研究，對于了解結(jié)垢趨勢有重大意義。結(jié)垢這一問題出現(xiàn)后，人們開始研究結(jié)垢的因素和機理，開始尋找一些除垢的方法，此時為被動結(jié)垢，即在結(jié)垢發(fā)生后，尋找原因，去除污垢。隨著研究的發(fā)展，過渡到利用數(shù)學(xué)和傳熱學(xué)的知識預(yù)測結(jié)垢的趨勢，早期的結(jié)垢預(yù)測模型，大多是根據(jù)傳熱學(xué)公式建立的數(shù)學(xué)模型。近些年，通過研究，人們從被動變?yōu)橹鲃?，也就是集結(jié)聚垢，通過一些外部條件，使液體流過某一設(shè)備時，主動地大面積結(jié)垢，從而直接去除液體中的成垢離子，讓其在其余地方不會結(jié)垢。污垢沉積模型對于污垢的預(yù)測起著重要的作用。污垢模型可以通過軟件模擬來獲取大量的數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)中還有一部分是一些無法進行實驗的數(shù)據(jù)，這既可以驗證污垢的理論，也可以對于實驗研究的發(fā)展起到指導(dǎo)作用。此外，通過用軟件來模擬污垢模型可以為現(xiàn)場應(yīng)用做出一些參考依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，使得現(xiàn)場解決問題時擁有一定的理論依據(jù)。

CFD 軟件是一個模擬流體流動狀態(tài)的計算機軟件，也叫計算流體力學(xué)。近些年，利用CFD 軟件對管道和換熱設(shè)備的結(jié)垢模擬預(yù)測越來越多，也越來越成熟。CFD 被開發(fā)出來是在 20世紀(jì)，在當(dāng)時由于計算機的技術(shù)還相對落后，所以并沒有得到推廣。但是近年來隨著計算機模擬軟件的興起，計算機技術(shù)也得到了空前的發(fā)展，CFD 逐漸被人們廣為應(yīng)用。除此之外 CFD 被廣為應(yīng)用的原因就是實驗所需的成本較高，而 CFD 很好地解決了這個問題，同時可以得出不錯的效果，通過 CFD 模擬的結(jié)果對于實驗研究具有一定的指導(dǎo)意義。其主要步驟為：先利用內(nèi)部軟件或者第三方軟件繪制換熱表面的物理模型；然后進行網(wǎng)格的劃分，即就是將模型離散化，便于求解方程，物理模型若為不規(guī)則的，需要用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行劃分；最后導(dǎo)入到Fluent 里，設(shè)置好邊界條件及參數(shù)，結(jié)合編程然后進行模擬，求解出模型的溫度分布圖以及結(jié)垢的速率等重要參 數(shù)[8]。

計算流體力學(xué)主要用于研究和描述各種自然界或者生產(chǎn)生活中流動現(xiàn)象，將流體域和固體域離散劃分，然后對流場、溫度場和濃度場建立積分或者微分形式的控制方程，運用計算機編制相應(yīng)的數(shù)值計算算法來求解這些代數(shù)方程式，從而得到各方程對應(yīng)的數(shù)值解。在用 CFD 進行數(shù)值模擬時，CFD允許用戶對源項等進行自定義，而用戶通過自定義功能可以解決 CFD 數(shù)學(xué)模型的不足之處。

3.1 前處理階段

在數(shù)值模擬中，前處理階段是個很重要的過程，在這個過程中需要做的工作主要有：繪制所需的幾何模型、對幾何模型進行網(wǎng)格劃分、定義邊界條件、設(shè)置所需的物性參數(shù)，同時還可以根據(jù)需要使用編程軟件對源項進行定義[9]。

3.1.1 幾何建模

可以通過 CFD 自帶的軟件來完成幾何模型的繪制，同時還可以在該軟件中直接進行網(wǎng)格劃分，這樣雖然省去了導(dǎo)入的過程，但由于自帶的軟件并非專業(yè)的畫圖軟件所以繪制過程比較復(fù)雜。一般選擇使用的是 SOLIDWORKS 這種專業(yè)的畫圖軟件，雖然該軟件繪制圖形比較方便，但同樣有一定的缺點：一方面是繪制完成幾何模型后需要導(dǎo)入到網(wǎng)格繪制軟件中；另一方面是可能會出現(xiàn)面與面之間連接出現(xiàn)問題，因此需要后面網(wǎng)格劃分時對其進行修復(fù)。

3.1.2 網(wǎng)格劃分

簡單模擬采用的是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，所形成的計算區(qū)域中的點都是相互關(guān)聯(lián)的，且相互之間的關(guān)系直接寫進了所劃分的網(wǎng)格中，這種劃分方式能夠很好地適應(yīng)邊界的擬合。使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以快速完成網(wǎng)格的劃分，同時擁有較好的質(zhì)量[10]。在一些復(fù)雜的模型中需要劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格繪制起來較為復(fù)雜，但可以在一些不規(guī)則的模型中進行使用，達到比較好的效果。

3.1.3 設(shè)定邊界條件

在數(shù)值模擬過程中，邊界條件的設(shè)置是很重要的一部分，設(shè)置邊界條件是規(guī)定好流體變量和能量變量，使得模擬的速度場和溫度場出現(xiàn)唯一解。主要設(shè)定的邊界條件有：入口速度、入口溫度、入口濃度、進口壓力以及流固表面邊界條件。

3.1.4 設(shè)定物性參數(shù)

在數(shù)值模擬開始前需要對模擬所需的物性參數(shù)進行設(shè)置，這同樣是模擬的重要部分。在數(shù)值模擬過程中有些參數(shù)需要激活特定的模型才會出現(xiàn)，同時為了使模擬更加貼近實際需要根據(jù)實際來設(shè)定[11]。

3.2 求解階段

在利用 CFD 進行數(shù)值計算時，可以根據(jù)需要進行選擇物理模型，常用的模型為湍流模型及組分運輸和反應(yīng)模型。

3.3 后處理階段

經(jīng)過眾多開發(fā)人員對 CFD 的完善，目前其提供了越來越多可視化技術(shù)，模擬后能得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)或者流動圖形。其中這些開發(fā)的后處理軟件中，F(xiàn)luent 是使用最多的一個軟件，該軟件在求解時對網(wǎng)格要求低，可以應(yīng)用于流體的流動或者傳熱，甚至涉及到化學(xué)反應(yīng)也能在 Fluent 中進行模擬，功能強大且包容性強。

4 結(jié) 論

1）管道內(nèi)壁大量結(jié)垢會讓管道內(nèi)部實際流通面積縮小，根據(jù)伯努利效應(yīng)分析可得，此時流速會增加，壓力會升高，很有可能高過管道和設(shè)備的極限承壓，最后導(dǎo)致管道和設(shè)備損壞，損失大量的人力、物力和財力，因此做好管道的防垢、除垢工作十分重要。

2）管道結(jié)垢是由于管材、外部環(huán)境和管道結(jié)構(gòu)共同造成的,考慮時只有將這3 個因素綜合起來，管道結(jié)垢才能得到有效預(yù)防，達到最大程度降低結(jié)垢的目的。

3）隨著 CFD 在科學(xué)研究上的流行，CFD 在數(shù)值算法的應(yīng)用越來越多，數(shù)值模擬在研究流體的流動和傳熱方面體現(xiàn)出了良好的效果。

4）結(jié)垢預(yù)測是一項長久而困難的任務(wù)，對油田開發(fā)生產(chǎn)有著舉足輕重的意義，必須重視它的理論研究和發(fā)展。