油田管道結垢的成因及數值模擬結垢研究

王佳豪，王丁

（西安石油大學 石油工程學院，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，同時還可以實現原油采出的高產和穩產。在進入注水采油階段后，出現了集輸裝置中水結垢的問題，例如集輸管線和換熱設備。水結垢對管線和換熱設備都有很大的影響，嚴重時可能造成管線出現不流通的情況，即使不堵塞管線同樣會使管線在運輸時沿程阻力增加；發生在換熱設備時會導致換熱設備的換熱效率降低，使得換熱設備的運行年限減少，這使得油田在生產中需要投入更多的資金；水結垢也可能在井筒內出現，如果井筒和近井區域出現水結垢，會使得油層滲透率減小，對油田的生產造成不便和經濟上的負擔。

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

1 結垢作用機理

現在大部分研究學者認為，溶液熱力學狀態變化和離子的化學不相容性是引起結垢的主要原因，析晶污垢的沉積主要發生在換熱面上[2]。這種現象的原因是，由于加熱器的加熱作用引起溶液的熱力學狀態變化，使溶液達到了過飽和狀態，當溶液達到過飽和狀態后，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。

當溶液流過換熱面時，流體的熱力學狀態發生變化，進而使流體中的鹽離子達到過飽和狀態，溶液中的離子沉積在換熱面，成為質地堅硬的污垢，這就是通常所說的析晶污垢。工業生產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致使污垢從溶液中析出，不管水溶液是處于冷卻狀態還是加熱狀態均可以析出污垢，同時，流體在冷卻狀態下析出的污垢通常為正溶解度的鹽，而在加熱狀態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合形成的污垢。化學反應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生化學反應形成的氧化腐蝕污垢。生物污垢一般是指當金屬表面形成腐蝕污垢后就形成了微生物生存的環境，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流體中的物質溫度較高時，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雜。在現實的生產中，一般不會出現單一污垢的情況，經常是多種污垢共同作用的結果，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升高而減小[4]。生成污垢的反應都為吸熱的化學反應，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等溶液結垢都會產生影響，特別是CaCO3，因為CO2氣體會參與到化學反應中，所以反應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，所以結垢率隨著流動逐漸增大[12]。

2.3 管內流體的速度

無論是哪種污垢，結垢的快慢與流體的速度呈負相關，這可以理解為，管道污垢沉積率會隨著管道內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，進而導致整個結垢的增長率會有顯著的減小。當管道內液體流速較低的時候，溶液中的微生物和一些雜質顆粒不容易被帶走，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

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

3 結垢預測模型

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

CFD 軟件是一個模擬流體流動狀態的計算機軟件，也叫計算流體力學。近些年，利用CFD 軟件對管道和換熱設備的結垢模擬預測越來越多，也越來越成熟。CFD 被開發出來是在 20世紀，在當時由于計算機的技術還相對落后，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，計算機技術也得到了空前的發展，CFD 逐漸被人們廣為應用。除此之外 CFD 被廣為應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 模擬的結果對于實驗研究具有一定的指導意義。其主要步驟為：先利用內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，物理模型若為不規則的，需要用非結構網格進行劃分；最后導入到Fluent 里，設置好邊界條件及參數，結合編程然后進行模擬，求解出模型的溫度分布圖以及結垢的速率等重要參 數[8]。

計算流體力學主要用于研究和描述各種自然界或者生產生活中流動現象，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的數值計算算法來求解這些代數方程式，從而得到各方程對應的數值解。在用 CFD 進行數值模擬時，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 數學模型的不足之處。

3.1 前處理階段

在數值模擬中，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、對幾何模型進行網格劃分、定義邊界條件、設置所需的物性參數，同時還可以根據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格劃分，這樣雖然省去了導入的過程，但由于自帶的軟件并非專業的畫圖軟件所以繪制過程比較復雜。一般選擇使用的是 SOLIDWORKS 這種專業的畫圖軟件，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入到網格繪制軟件中；另一方面是可能會出現面與面之間連接出現問題，因此需要后面網格劃分時對其進行修復。

3.1.2 網格劃分

簡單模擬采用的是結構化網格，所形成的計算區域中的點都是相互關聯的，且相互之間的關系直接寫進了所劃分的網格中，這種劃分方式能夠很好地適應邊界的擬合。使用結構化網格可以快速完成網格的劃分，同時擁有較好的質量[10]。在一些復雜的模型中需要劃分非結構網格，非結構網格繪制起來較為復雜，但可以在一些不規則的模型中進行使用，達到比較好的效果。

3.1.3 設定邊界條件

在數值模擬過程中，邊界條件的設置是很重要的一部分，設置邊界條件是規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唯一解。主要設定的邊界條件有：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 設定物性參數

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

3.2 求解階段

在利用 CFD 進行數值計算時，可以根據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模型。

3.3 后處理階段

經過眾多開發人員對 CFD 的完善，目前其提供了越來越多可視化技術，模擬后能得到更加準確的數據或者流動圖形。其中這些開發的后處理軟件中，Fluent 是使用最多的一個軟件，該軟件在求解時對網格要求低，可以應用于流體的流動或者傳熱，甚至涉及到化學反應也能在 Fluent 中進行模擬，功能強大且包容性強。

4 結 論

1）管道內壁大量結垢會讓管道內部實際流通面積縮小，根據伯努利效應分析可得，此時流速會增加，壓力會升高，很有可能高過管道和設備的極限承壓，最后導致管道和設備損壞，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）管道結垢是由于管材、外部環境和管道結構共同造成的,考慮時只有將這3 個因素綜合起來，管道結垢才能得到有效預防，達到最大程度降低結垢的目的。

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

4）結垢預測是一項長久而困難的任務，對油田開發生產有著舉足輕重的意義，必須重視它的理論研究和發展。