巨怡怡，陳咨霖

（西安石油大學(xué)，陜西西安 710065）

隨著油田開采的進(jìn)行，采出液中水分含量顯著增加，當(dāng)水與油氣一起產(chǎn)出時，在儲層或生產(chǎn)油管中會形成不同類型的垢從而導(dǎo)致結(jié)垢問題[1]，水垢的形成給石油和天然氣開發(fā)帶來了嚴(yán)重的威脅。同時結(jié)垢現(xiàn)象可能會造成設(shè)備、管道堵塞等技術(shù)問題，造成較大的破壞和經(jīng)濟(jì)損失。因此，對油田系統(tǒng)進(jìn)行防垢是非常重要的。

目前，集輸系統(tǒng)中采用的除垢技術(shù)包括化學(xué)、機械和物理三種方法?；瘜W(xué)方法一般是在水溶液中加入阻垢劑[2]，一方面可以抑制水垢晶體的形成，降低水垢的成垢速率，另一方面可以促進(jìn)水垢的分散溶解，使其與成垢離子形成絡(luò)合物，或分散碳酸鈣微晶等以防止鈣垢、鎂垢等在熱交換器表面沉積，從而達(dá)到阻垢的目的。但化學(xué)方法由于在管道中添加酸或阻垢劑，會對管道造成腐蝕，產(chǎn)生水污染。機械方法具有操作簡單、周期短、無污染的優(yōu)點[3]，但在除垢過程中該方法不僅受限于管道形狀，且去除黏結(jié)性強的硬垢時可能會在材料表面上產(chǎn)生粗糙斑點，進(jìn)而在隨后的生產(chǎn)過程中加速表面沉積物的形成。物理方法主要包括使用超聲波、電場、磁場。由于磁場可以促進(jìn)晶體的成核速率，降低成核誘導(dǎo)期[4]，具有能耗低、操作簡便、無污染等優(yōu)點，因此使用磁場促進(jìn)碳酸鈣成核，集中結(jié)垢進(jìn)而進(jìn)行整體脫除，近年來受到一些研究者的密切關(guān)注。

1 磁處理機理

一些作者認(rèn)為磁處理的主要作用在于離子物種的關(guān)聯(lián)，這些離子物種存在于溶液中，并參與碳酸鈣沉淀的成核過程。隨著暴露于磁場和低硬度水的時間，這種效果會更加明顯。同時磁場能夠干擾膠體顆粒周圍的雙離子層及其ζ 電勢[5]。HIGASHITANI 等[6]將磁處理導(dǎo)致結(jié)垢的現(xiàn)象歸因于施加在移動離子或帶電固體顆粒上的洛倫茲力。這使溶液中的顆粒在一定程度上獲得了動能，并導(dǎo)致分子中鍵的分解，隨后顆粒分裂并改變了溶液的物理化學(xué)性質(zhì)。自由運動的粒子以更高的速率相互碰撞。由于靜電排斥力對粒子的影響較小，高碰撞過程會更緊密地吸引粒子。因此，會使更多的顆粒聚集沉淀[7]。由于磁場動力學(xué)的作用，磁場的存在增加了碰撞的次數(shù)，并且從管壁中去除了更多的Ca2+。此外，先前的工作已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，磁場的存在從原始尺寸增加了碳酸鈣的尺寸[8]。

2 磁場對碳酸鈣成核結(jié)垢的影響

2.1 磁場強度

研究表明，在磁處理中，磁場強度對水溶液中結(jié)垢的速度，晶核顆粒的大小影響較大[9]。蒲瑜[10]將不同磁場強度的磁處理溶液在恒溫條件下靜置。通過實驗發(fā)現(xiàn)磁場強度增大，電導(dǎo)率隨之降低，這表明磁場強度促進(jìn)了成核速率。宋甲甲[12]通過實驗發(fā)現(xiàn)隨著磁場強度的增加，磁化效果得到加強。經(jīng)過磁場處理后碳酸鈣的晶型由方解石向文石方向轉(zhuǎn)變。交變電磁場也可以使溶液中碳酸鈣的結(jié)晶速率加快，其中對陰離子的影響占據(jù)主導(dǎo)作用?？状滚蝃11]發(fā)現(xiàn)交變磁場對水的磁化作用與恒定磁場不同，交變磁場作用可以同時加快晶核生成和晶粒生長。WANG 等[13]研究了不同磁感應(yīng)強度的軸向交變電磁場對U 型循環(huán)冷卻水換熱管中碳酸鈣結(jié)垢的抗結(jié)垢作用。建立了污垢感應(yīng)周期和磁感應(yīng)強度的函數(shù)模型，發(fā)現(xiàn)在特定電磁場頻率（1 kHz）下，防污效果與磁感應(yīng)強度有關(guān)。

永磁場對碳酸鈣顆粒的大小也有一定影響，OTHMAN J 等[14]研究了磁場強度從0.1 T 到0.6 T 的影響，發(fā)現(xiàn)在高磁場強度下，碳酸鈣顆粒似乎具有更大的離子電荷，并且?guī)щ婎w粒振動的能量更大。粒子之間的碰撞速率增加，并在帶相反電荷的粒子之間產(chǎn)生磁引力，被吸引的顆粒團(tuán)聚，形成較大碳酸鈣顆粒。鄧愛華[15]研究水磁化處理的防垢阻垢中發(fā)現(xiàn)磁場強度越大，各溶液體系的誘導(dǎo)期越短，進(jìn)一步證明了磁場有助于在相對較低的過飽和度下成核結(jié)晶。

2.2 頻率

在電磁尺度抑制的研究中，頻率是最重要的參數(shù)之一。目前對頻率的研究主要集中在頻率對參數(shù)影響的實驗分析和最佳頻率范圍的實驗探索。ZHU 等[16]通過施加不同頻率的交變電場，研究了Mg2+雜質(zhì)對氯化鈣水溶液的影響。實驗結(jié)果表明，具有特定頻率的電場可以促進(jìn)Ca2+和配位水分子之間的水合作用。而頻率的變化會導(dǎo)致碳酸鈣晶核的形態(tài)發(fā)生變化。龔?fù)淖兞瞬煌姶艌龅念l率范圍，分析了相同工況下碳酸鈣晶核的標(biāo)度特性。同時，通過SEM 觀察了碳酸鈣晶體的形態(tài)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在沒有電磁場的情況下，碳酸鈣晶核的形態(tài)主要呈現(xiàn)不規(guī)則的塊狀，團(tuán)簇和六邊形方解石結(jié)構(gòu)，具有清晰的邊緣和角落。隨著電磁場頻率的增加，碳酸鈣晶核的形態(tài)發(fā)生不同的變化。當(dāng)電磁場頻率為70～75 kHz 時，碳酸鈣晶核的形態(tài)發(fā)生最明顯的變化，成為以細(xì)長的針和柱為特征的文石結(jié)構(gòu)。在其他電磁場頻率范圍內(nèi)，碳酸鈣的晶體形態(tài)主要由塊狀和顆粒狀方解石組成，只有很少的晶體轉(zhuǎn)化為針狀文石。ZHAO 等[17]和MIAO 等[18]研究了變頻電磁場對碳酸鈣晶體形成的影響，并證明了碳酸鈣沉淀的程度取決于脈沖的頻率以及微晶的大小和形態(tài)。趙建德研究了高壓靜電場和脈沖變頻電磁場聯(lián)合作用對碳酸鈣沉淀的影響。他們認(rèn)為高壓靜電場和脈沖頻率參數(shù)的設(shè)置對于碳酸鈣不同晶相的形成非常重要。

2.3 流速

流體流速對磁場中碳酸鈣結(jié)晶沉淀有較大的影響。高流速會加劇水分子之間的碰撞，增加Ca2+和CO32-之間的碰撞幾率，但如果溶液的流速太快，水受到磁處理設(shè)備的作用效果就會大大降低。李陳等[19]通過實驗發(fā)現(xiàn)，流速在0～6 m/s 內(nèi)，溶液通過磁場的流速越高，磁處理后碳酸鈣晶核聚集效果更低。LEE 等[20]在研究流速對磁場中碳酸鈣結(jié)垢效果影響情況關(guān)系的實驗中，通過對比0.6、1.2、1.5、2.0 m/s 四種流速的實驗條件，發(fā)現(xiàn)了隨著流速增快，碳酸鈣結(jié)垢效果越低。

同時，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)，加入磁場的溶液促進(jìn)了方解石向文石的轉(zhuǎn)變[21]，形成松軟的碳酸鈣垢，而流速過大有利于削弱污垢與接觸面的黏結(jié)力，迫使污垢被流體攜帶走。如ABDULLAH 等[22]使用循環(huán)裝置研究了磁場對結(jié)垢的影響，實驗發(fā)現(xiàn)在不同流速下，銅管外表面上累積的垢有明顯不同。水的流速越大，銅表面的結(jié)垢量越少。

2.4 pH 值

磁處理會影響溶液的pH 值。磁處理的效果與pH值是緊密相關(guān)的，一些研究表明[23]，pH 值對碳酸鈣體系影響較明顯，這可能是因為磁處理促進(jìn)了CO2的溶解與脫氣，進(jìn)而影響了其pH 值。SAHIN 等[24]的研究有類似的結(jié)果，而且指出磁場對低濃度和高pH 值溶液的影響更加明顯。黃征青等[25]對Ca（OH）2溶液進(jìn)行磁處理后發(fā)現(xiàn)溶液的pH 值從9.2 降至8.5。其變化的程度取決于電磁場的強度。

磁處理中的pH 值對碳酸鈣成核效果也會產(chǎn)生一定的影響。SAKSONO 等[26]研究了磁場對碳酸鈣沉淀的影響，并在pH 值為8.5 的碳酸鈣超飽和條件下觀察到高沉淀。ALIMI 等[27]對溶液中沉淀的碳酸鈣量進(jìn)行測定，結(jié)果表明，當(dāng)pH 值增加時，磁處理水支持均勻的成核效果增加。當(dāng)pH=6 時，在有或沒有磁場施加的情況下，沉淀的均質(zhì)碳酸鈣量隨流速的增加而增加。而該量在磁處理后增加約10%。當(dāng)pH=7，在磁處理之后，該均質(zhì)碳酸鈣量僅增加5%。

2.5 作用時間與次數(shù)

磁處理作用的時間與次數(shù)也是影響結(jié)垢的重要因素之一。實際上，磁處理需要一定的時間，如果磁處理時間和溶液在磁場中的停留時間較短，循環(huán)水會以高流速快速通過磁場，大多數(shù)水分子不能被磁化，因此磁處理時間越長，則通過磁處理器的結(jié)垢速率較快。GAL等[28]研究發(fā)現(xiàn)在適宜條件下，經(jīng)多次磁處理能增加在亞穩(wěn)態(tài)下溶膠中的絮凝，從而促使新晶核形成，但也會影響結(jié)垢速率。BAKER 等[29]研究也表明，即使在最佳的磁場接觸條件下，磁處理一次后碳酸鈣的結(jié)晶速率不受影響。

磁處理作用的時間與次數(shù)不同，碳酸鈣的結(jié)垢量也會發(fā)生變化。MASCOLO[30]采用雙重或三重PK3090 裝置，在8 L/min 的水流量下，與未經(jīng)處理或用單個裝置進(jìn)行磁處理的水相比，表面沉積物質(zhì)量減少約30%，在40 L/min 的水流量下，可以觀察到進(jìn)一步的減少。相反，對于用雙重或三重裝置進(jìn)行磁處理的樣品，導(dǎo)致大量沉積物的質(zhì)量增加。特別是在8 L/min 的水流量下，質(zhì)量的增加是單個裝置處理的2.0 倍。采用相同的磁處理并在40 L/min 的水流量下，塊狀沉積物是在不存在磁場的情況下檢測到質(zhì)量的2.5 或3.0 倍。

3 結(jié)語

磁場中影響碳酸鈣成核的因素主要有磁場強度、頻率、流速、pH 值、作用時間與次數(shù)。磁場強度與頻率影響水溶液中碳酸鈣的成核速率，晶體顆粒的大小，促使碳酸鈣的晶型由方解石向文石轉(zhuǎn)變，形成了以細(xì)長的針和柱為特征的文石結(jié)構(gòu)。流速對磁場中碳酸鈣結(jié)晶沉淀有較大的影響，流速過大不利于晶核沉淀。而pH 值對碳酸鈣體系影響明顯，磁處理會影響溶液的pH 值，同時，pH 值增加時，磁處理水支持均勻的成核效果增加。作用時間越長，磁處理次數(shù)越多，則通過磁處理器的結(jié)垢速率較快。碳酸鈣成核結(jié)晶的速率也會增大。