LH 深水油田采出水動態結垢特性及預測模型

張偉國 金顥 杜慶杰 鄭文川 李杰

1中海石油深海開發有限公司

2中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院

海上油田產量已成為我國總油氣產量的重要組成部分。在石油對外依存度高達70%以上的背景下，安全、高效地開發深水油田具有十分重要的意義[1]。與海上油田開發相比，深水油田開發具有建設復雜、維護成本高、安全風險大等特點。尤其在油田注水開發階段，由于水體之間的不相容性以及力學條件的不穩定性，在井筒、管線和地層中均會引發復雜的結垢過程[2-3]，導致注水壓力損失增加，油井產能下降造成井下維修作業、運行成本增高，嚴重影響油田開發的安全性及經濟性[4-7]。張希海[8]通過對高含水集輸管路CaCO3沉積過程的研究，發現CaCO3在凝油壁面上的沉積物形貌不同于金屬表面，并從表面特性的角度揭示了結垢機理。田野[9]從注水過程中油管、水嘴和地層結垢特性出發進行實驗，提出了結垢后注水井注水壓力的計算方法。張玉申[10]針對聯合站回注水管路的結垢問題，利用冷指結垢裝置探究了CaCO3結垢沉積機理，確定了CaCO3沉積的影響因素。然而目前對結垢的研究多基于靜態實驗，對動態結垢預測方法研究甚少，且已有的動態結垢預測方法主要存在以下問題：理論計算繁瑣，應用推廣困難，如O.J.Vetter 預測法；針對性太強，如羅明良預測法僅適用于注采過程中油水井近井帶地層內的結垢，Ali Shabani 方法只適用于低溫注水井的結垢。

LH 深水油田群地層水為CaCl2水型，D 油井在修井時發現了結垢問題。其油井參數：產液量730～1 500 m3/d，井液溫度11～52 ℃。此外，該油田B04 油井和B06 油井也出現了結垢現象。針對LH 深水油田群采出水的結垢問題，提出了一套室內動態結垢實驗模擬方法，對影響結垢特性的主要因素進行分析，基于理論分析及實驗結果建立了動態結垢速率預測模型，并開發了動態結垢速率預測軟件。

1 實驗

1.1 水質分析

對LH 油田群主力區塊的不同井位水質進行分析（表1），以確定水中的主要成分。由表1 可知，目標區塊礦化度較高，主要結垢離子為Ca2+、Mg2+。

表1 水質分析結果Tab.1 Water quality analysis results

1.2 實驗裝置

搭建了室內結垢模擬實驗裝置（圖1），主要由實驗介質循環系統、水伴熱循環系統及實驗段組成。

圖1 結垢實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of scaling experimental equipment

1.3 實驗方法

將水浴溫度調節至指定溫度，純水加熱至指定溫度后倒入實驗容器。加入稀釋好的MgCl2、CaCl2和NaHCO3溶液，開始實驗。為保障實驗過程中水相離子濃度恒定，每30 min 換水并標定流速。實驗結束后取出結垢管段，烘干30 min 后再進行稱重。變更實驗條件時，徹底清洗實驗管段，烘干、稱重后再進行實驗。

依據實驗管道內壁的剪切力等于實際管道內壁剪切力的方法確定實驗流速，實際管道的管壁處紊流剪切速率計算公式為

式中：γ˙為管壁處剪切速率，s-1；Re為管內流體的雷諾數，；d為管道內徑，m；u為流速，m/s。

根據對目標區塊工況的調研情況，確定了實驗方案（表2）。

表2 實驗方案Tab.2 Experimental plan

2 實驗結果與討論

2.1 離子濃度對結垢特性的影響

壁面溫度為50 ℃、60 ℃，溶液溫度為25℃時，在不同剪切應力下，結垢速率隨溶液離子濃度的變化關系如圖2 所示。

由圖2 可知，隨鈣鎂離子濃度的增大，結垢速率明顯上升。結垢速率隨離子濃度變化的原因歸結于管道中無機垢的形成，無機垢來源于結晶成垢及由于過飽和而在溶液中成核，生長形成顆粒垢。離子濃度影響結晶垢生成的同時也影響顆粒垢。影響顆粒垢生成的最主要原因是生成沉淀的量，并不是所有生成沉淀的顆粒都會附著在管壁上，附著沉積下來的成分主要是熱邊界層的顆粒垢。

圖2 結垢速率隨離子濃度的變化Fig.2 Scaling rate varies with ion concentration

2.2 pH 值對結垢特性的影響

通過滴加HCl 溶液（0.1 mol/L）和NaOH 溶液（0.1 mol/L）調節出了pH 值分別為6.5、7.9、8.6 和9.1 的溶液。分別利用不同pH 值的溶液在壁溫50 ℃、溶液溫度25 ℃條件下進行結垢實驗，結果如圖3 所示。

圖3 結垢速率隨pH 的變化Fig.3 Scaling rate varies with pH value

由圖3 可知，結垢速率隨溶液pH 值的升高而逐漸增大。溶液pH 值由6.5 增加至9.1 時，結垢速率由0.076 mm/d 上升至0.137 mm/d。這是由于H+濃度減小促使OH-電離，促進了溶液中HCO3-轉換為CO32-的過程，從而利于CaCO3、MgCO3的生成。pH值對結垢速率的影響主要表現在結晶垢上，pH 值改變時只有H+的濃度發生變化，對于已經形成沉淀的顆粒垢沒有影響，因此在顆粒垢的影響因素中不需要考慮pH 值。pH 值升高會增加結垢量，但pH 值太低會加大腐蝕，因此，需同時考慮這兩方面的因素以選擇合適的溶液pH 值。

2.3 剪切應力對結垢特性的影響

結垢速率隨剪切應力的變化關系如圖4 所示，結垢速率隨剪切應力的增大呈下降趨勢。這是由于剪切應力增大會使流體對管壁的沖刷作用增強，結垢速率變小。同時，剪切應力會影響熱邊界層內顆粒垢流率，改變垢的沉積，所以剪切應力對結垢速率的影響與結垢離子濃度的大小有關。對于結垢離子濃度較高的情況，以壁溫50 ℃和60 ℃為例，對剪切應力對結垢速率的影響進行探研，結果見圖5。

圖4 結垢速率隨剪切應力的變化(Mg2+濃度0.011 mol/L)Fig.4 Scaling rate varies with shear stress（[Mg2+]=0.011 mol/L）

由圖5 可知，Mg2+高濃度條件下，結垢速率隨著剪切應力增大而上升。分析其原因：Mg2+高濃度下，顆粒垢較多，剪切應力升高使得熱邊界層內顆粒垢流率增大，無機垢沉積率上升幅度大于剝除率上升幅度，整體表現為結垢速率增大；低濃度下，顆粒垢較少，以結晶成垢為主，隨剪切應力的升高，剝除率的上升幅度高于沉積率上升幅度，整體表現為結垢速率減小。實際油田水中的結垢陽離子濃度之和大多低于0.06 mol/L[11]，因此，隨著剪切應力的增大，結垢速率主要呈減小趨勢。

圖5 結垢速率隨剪切應力的變化（Mg2+濃度0.093 mol/L）Fig.5 Scaling rate varies with shear stress（[Mg2+]=0.093 mol/L）

2.4 溫度對結垢特性的影響

為探究結垢特性與溫度的關系，選定30～90 ℃壁面溫度范圍進行實驗探究，溶液溫度為25 ℃，溶液pH 值為8.0，實驗結果見圖6。從圖中可以看出，不同剪切應力下鈣鎂混合垢結垢速率均隨壁面溫度升高而增加。分析其原因：CaCO3具有反常溶解度，隨著溫度升高會產生更多的CaCO3垢；實驗結垢壁面與水相溫差較大時，容易導致結晶垢的產生；溫差較小時，結晶垢的量很少，顆粒垢沉積起主導作用。

圖6 結垢速率隨壁面溫度的變化Fig.6 Scaling rate varies with wall temperature

3 動態結垢速率預測模型及軟件

3.1 模型建立

綜合兩種結垢方式的相互作用，建立動態結垢速率預測模型：

式中：ω為結垢速率，mm/d；ω1為結晶垢結垢速率，mm/d；ω2為顆粒垢結垢速率，mm/d。

用熱邊界層內顆粒垢流率來表示濃度對顆粒垢的影響，結垢速率與離子濃度之間的關系可表示為

式中：c為有效鈣鎂離子濃度之和，mol/L；C為熱邊界層內顆粒垢流率，g/s；a、b為待定系數。

顆粒垢流率計算式為

式中：δ為熱邊界層厚度，mm；d為管道內徑，m；v為管內介質流速，m/s；m為單位體積顆粒垢的量，g/L。

根據動態結垢實驗結果，確定了影響管道結垢速率的主要因素：離子濃度、pH 值、剪切應力、溫度。假設無機垢層特征參數相同且分布均勻，不考慮無機垢表面粗糙度及誘導期的影響，按照公式（3）的形式，利用軟件迭代回歸，得到結垢速率模型為

式中：t為結垢壁面的溫度，℃。

基于實驗結果及機理，分析確定了當油田采出水有效鈣鎂離子濃度之和在0.01～0.03 mol/L 時，結晶垢系數a和顆粒垢系數b取值分別為0.05 和0.000 4。

對預測模型進行檢驗（圖7），最大相對偏差為25.75%，最小相對偏差0.21%，平均相對偏差為9.07%。

圖7 實驗值與預測模型計算值的比較Fig.7 Comparison of experimental values and predicted model calculation value

3.2 模型修正

利用ScaleChem 軟件分析了在其他條件相同時，鈣鎂混合垢的結垢量隨壓力的變化情況（圖8）。

由圖8 可知，結垢量隨壓力升高呈線性降低趨勢，且當溫度由25 ℃升高至80 ℃后，結垢量受壓力影響的敏感性降低，其變化程度較25 ℃時降低了50%左右，這是由于CaCO3結垢有氣體參加反應，壓力降低使CO2在水中的溶解度下降，導致HCO3-減少。HCO3-的電離平衡為：

圖8 結垢量隨壓力的變化Fig.8 Scaling rate varies with pressure

當壓力升高時，電離平衡向左進行，表現為結垢量減少。高溫條件時CaCO3溶解度隨壓力的變化程度小于低溫時其溶解度隨壓力的變化程度。

考慮壓力因素，對預測模型進行修正，在一定溫度下，結垢速率隨壓力呈線性變化，故將模型修正為

其中，不同溫度下的結垢速率隨壓力線性變化的修正系數kt如表3 所示。

表3 結垢速率的壓力修正系數ktTab.3 Pressure coefficient of scaling rate kt

3.3 動態結垢速率預測軟件的編制

為了能夠方便、快捷地預測LH 深水油田群采出水的結垢情況，基于動態結垢速率預測模型，利用Python 編制了動態結垢速率預測軟件。該軟件可根據陽離子濃度、陰離子濃度、pH 值、流體介質密度、動力黏度、溫度、壓力、流速、管道內徑等運行參數，計算出剪切應力、顆粒垢流率、結垢速率及年結垢厚度，計算界面見圖9。

圖9 軟件計算界面Fig.9 Computing interface of software

4 動態結垢速率預測模型驗證

選取某輸水管道進行結垢預測，計算結果界面見圖10。在管道內徑0.422 m，溫度60 ℃，流速2 m/s，鎂離子濃度0.005 34 mol/L，鈣離子濃度0.006 57 mol/L 條件下，預測結垢速率為0.010 9 mm/d，年結垢厚度為3.797 8 mm。

圖10 軟件計算結果界面Fig.10 Computing result interface of software

利用該管路進行現場試驗，對模型進行驗證。該輸水管線原設計壁厚11.1 mm，經過9 年零兩個月反算當量壁厚為42.3 mm，平均一年結垢3.41 mm，與軟件預測相對誤差為11.4%，由此驗證了預測模型的正確性。

5 結論

（1）地層水的組成決定了管線結垢的類型，無機垢的形成是結晶成垢與顆粒沉積共同作用的結果。

（2）其他條件一定時，結垢離子濃度越低、pH 值越小，越不利于結晶垢的生成；溫度降低不利于顆粒垢的沉積；顆粒垢流率與剪切應力有關，高結垢離子濃度條件下，體系中結垢沉積率上升幅度高于剝除率，隨剪切應力的增大，表現為結垢速率增大；在低濃度下，剝除率的上升幅度高于沉積率，隨剪切應力的增大，表現出結垢速率減小趨勢。

（3）基于理論分析及實驗探究建立了動態結垢速率預測模型，LH 深水油田群采出水由于沉積和沖刷的相互作用，在一定溫度、剪切應力、壓力等條件下，管道壁面上的結垢量預測結果與現場試驗結果相比，相對誤差為11.4%。