油田水結(jié)垢機(jī)理及預(yù)測研究進(jìn)展

鄭文川 張雷 程婷婷 丁文婕 高麗娟 王多琦 黃啟玉

1中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院·城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2青海油田分公司采油一廠

3中國石化江蘇石油工程設(shè)計(jì)有限公司

油田進(jìn)入開發(fā)中后期，含水率較高，地層、油管及集輸系統(tǒng)結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)增加。目前，多數(shù)陸上油田，如大慶、河南、大港等油田原油含水率高，集輸及注水系統(tǒng)腐蝕和結(jié)垢問題比較嚴(yán)重[1]。結(jié)垢會導(dǎo)致管道或設(shè)備流通面積減小，容易引起腐蝕，增加運(yùn)維成本，嚴(yán)重時甚至造成堵管或堵井，影響油田正常生產(chǎn)[2]。國內(nèi)外學(xué)者對結(jié)垢的研究從結(jié)垢機(jī)理、結(jié)垢預(yù)測和防治等方面展開，在結(jié)垢預(yù)測領(lǐng)域仍具有較大的發(fā)展空間。總結(jié)油田水結(jié)垢機(jī)理及結(jié)垢預(yù)測方法，根據(jù)不同結(jié)垢預(yù)測方法的特點(diǎn)和適用范圍，確定合理有效的預(yù)測手段，準(zhǔn)確評估油田水的結(jié)垢情況，對保障油田安全生產(chǎn)具有十分重要的指導(dǎo)意義。

1 結(jié)垢機(jī)理

1.1 結(jié)垢原因

污垢包括析晶垢、顆粒垢、化學(xué)反應(yīng)垢、腐蝕垢等[3]。油田水結(jié)垢往往由多種原因造成，國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為包括以下結(jié)垢機(jī)理：流體不配伍理論、力學(xué)條件變化理論、吸附生長理論和微生物活動腐蝕理論等。

（1）流體不配伍理論。油田系統(tǒng)中，不同層位化學(xué)品不相容的流體混輸時，容易在井筒或者集輸系統(tǒng)中發(fā)生結(jié)垢，例如NaHCO3與CaCl2型油田水混輸后容易發(fā)生結(jié)垢。采用注水開發(fā)工藝，當(dāng)注入水與采出水不相容時，注水井或油層中也會結(jié)垢[4]。

（2）力學(xué)條件變化理論。當(dāng)熱力學(xué)或動力學(xué)條件保持穩(wěn)定時，含有化學(xué)不相容離子的過飽和溶液會處于穩(wěn)定狀態(tài)。但溫度升高、壓力降低均會使成垢鹽類溶解度降低，當(dāng)溫度升高或者壓力降低時，溶解平衡狀態(tài)的飽和溶液會發(fā)生結(jié)垢[5]。另外，油田系統(tǒng)中閥門、泵吸入口等流道突變的位置，流線、流速、壓力及密度等也會發(fā)生突變，成垢鹽類的溶解平衡狀態(tài)遭到破壞從而導(dǎo)致結(jié)垢[6-7]。

（3）吸附生長理論。管道及設(shè)備壁面是微觀毛糙面，隨著流體輸送，由于熱力學(xué)或動力學(xué)變化，溶液中析出的微粒垢會吸附在壁面，并以其為中心結(jié)晶生長[8]。

（4）微生物活動腐蝕理論。油氣田溫度、壓力及水質(zhì)時常變化，當(dāng)生產(chǎn)條件利于微生物活動時，容易引起腐蝕結(jié)垢[9]。

1.2 動態(tài)結(jié)垢過程

EPSTEIN 認(rèn)為結(jié)垢包括起始、輸運(yùn)、附著、剝蝕和老化五個階段，眾多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)和分析論證了這一觀點(diǎn)。污垢組分從開始在換熱壁面上沉積到完全覆蓋換熱壁面為結(jié)垢的起始階段；污垢組分從流體到換熱壁面為結(jié)垢的輸運(yùn)階段，在布朗擴(kuò)散、對流輸運(yùn)、外力和慣性等的共同作用下進(jìn)行；污垢粒子被輸運(yùn)至換熱壁面后，一部分粒子會附著于壁面，還有一部分粒子會被反彈，引入了“附著概率”的概念，當(dāng)污垢組分完全覆蓋壁面時，附著發(fā)生在污垢粒子間；剝蝕是指流體的沖刷作用會脫除部分換熱壁面上的污垢；老化會使沉積物性質(zhì)發(fā)生變化，受溫度的影響比較明顯，剝蝕過程會受老化過程的影響[10]。

2 結(jié)垢趨勢預(yù)測方法

2.1 碳酸鈣垢

（1）Langelier 飽和指數(shù)法。LANGELIER[11]提出了碳酸鈣飽和pH 值的概念，用pHs表示，飽和指數(shù)IL由公式（1）確定。

當(dāng)水體實(shí)際pH 值小于碳酸鈣飽和pH 值時，水體系不存在CaCO3，不發(fā)生結(jié)垢，即當(dāng)IL＜0 時，不發(fā)生結(jié)垢，IL＞0 時，可能結(jié)垢。該方法適用于含鹽量小于0.4‰的水體系，大多數(shù)油田水含鹽量遠(yuǎn)超于0.4‰。

（2）Davis-Stiff 飽和指數(shù)法。DAVIS 和STIFF[12]基于Langelier 飽和指數(shù)法，通過大量的實(shí)驗(yàn)分析，考慮溫度和離子強(qiáng)度的影響引入了K值，飽和指數(shù)SI由公式（2）確定，適用于溫度為0～100 ℃的水體系。

式中：pCa和pAlK分別為鈣離子濃度和總堿度的負(fù)對數(shù)，無因次。

當(dāng)SI＜0 時，不發(fā)生結(jié)垢；SI＞0 時，可 能結(jié)垢。

（3）Ryznar 穩(wěn)定指數(shù)法。RYZNAR[13]基于LANGELIER、DAVIS 和STIFF 等的研究，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和實(shí)際數(shù)據(jù)分析，提出了能判斷碳酸鈣結(jié)垢程度的穩(wěn)定指數(shù)，用RI表示。

當(dāng)RI≥6 時，微量結(jié)垢或不結(jié)垢；RI＜6 時，可能結(jié)垢；RI＜5 時，嚴(yán)重結(jié)垢。Ryznar 穩(wěn)定指數(shù)法適用于堿度和礦化度較高的水體系，在中原油田得到了現(xiàn)場驗(yàn)證。

（4）蘇聯(lián)飽和系數(shù)法。相比Ryznar 穩(wěn)定指數(shù)法，蘇聯(lián)飽和系數(shù)法[14]更適用于油藏含水區(qū)域Ca-CO3結(jié)垢趨勢預(yù)測。

式中：S為CaCO3的飽和系數(shù)；P(CaCO3)為CaCO3的溶度積；L(CaCO3)為系統(tǒng)中CaCO3與相應(yīng)的碳酸鹽化合物呈動態(tài)平衡時的熱力學(xué)溶度積。

當(dāng)S＞1 時，可能產(chǎn)生CaCO3沉淀；當(dāng)S＜1時，不發(fā)生CaCO3沉淀。

2.2 硫酸鹽垢

（1）Skillman 熱力學(xué)溶解度法。SKILLMAN等[15]根據(jù)熱力學(xué)溶解平衡原理，提出了CaSO4結(jié)垢趨勢預(yù)測方程，水體系CaSO4結(jié)垢趨勢預(yù)測值用S表示。

式中：X為Ca2+與SO42-的濃度差，mol/L；K為CaSO4溶度積常數(shù)。

當(dāng)S＜C（C為水體系CaSO4濃度，mol/L，取Ca2+、SO42-濃度中的最小值）時，可能結(jié)垢；S=C時，臨界狀態(tài)；S＞C時，不發(fā)生結(jié)垢。Skillman熱力學(xué)溶解度法在綏中36-1 油田進(jìn)行了應(yīng)用，預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際基本一致。

（2）Jacques 硫酸鍶垢預(yù)測方法。JACQUES等[16]通過對水溶液中Sr2+溶解性的研究，提出由Sr2+和SO42-的濃度乘積與溶度積的比值來判斷結(jié)垢趨勢，用S(SrSO4)表示。

式中：S(SrSO4)為結(jié)垢指數(shù)，無因次；[Sr2+]和[SO42-]分別為Sr2+、SO42-的濃度，mol/L；Ksp為SrSO4的溶度積。

當(dāng)S(SrSO4)＜1 時，無結(jié)垢趨勢；S(SrSO4)＞1時，有結(jié)垢趨勢；S(SrSO4)=1 時，臨界狀態(tài)。該方法適用于壓力為0.69～20.6 MPa，溫度為38～149 ℃，離子強(qiáng)度小于3.4 mol/kg 水體系。

2.3 混合垢

（1）Oddo-Tomson 飽和指數(shù)法。ODDO 和TOMSON[17-18]考慮熱力學(xué)因素、離子強(qiáng)度和CO2的影響，基于活度積、溶度積和離子締合理論建立了碳酸鹽/硫酸鹽結(jié)垢趨勢預(yù)測方程，見公式（7），能預(yù)測不同壓力、溫度下的碳酸鹽/硫酸鹽結(jié)垢趨勢。

式中：[Me]、[An] 為陽、陰離子活度，mol/L；Kc為溶度積系數(shù)，與溫度、壓力和離子強(qiáng)度有關(guān)；T為油田水溫度，℃；p為絕對壓力，MPa；μi為離子強(qiáng)度，mol/kg。

當(dāng)Is=0 時，臨界狀態(tài)；Is＜0 時，不發(fā)生結(jié)垢；Is＞0 時，可能結(jié)垢。Oddo-Tomson 方法在華池油田得到了現(xiàn)場驗(yàn)證。

（2）飽和系數(shù)法。油田水中某種成垢鹽的沉淀-溶解平衡式為

定義成垢鹽AB 的飽和系數(shù)S公式為

式中：CA和CB為油田水中A2+和B2-濃度，mol/L；Qsp為成垢鹽AB的溶度積。

當(dāng)S＞1 時，可能結(jié)垢；S＜1 時，不發(fā)生結(jié)垢；S=1 時，臨界狀態(tài)[19]。飽和系數(shù)法在岐口油田進(jìn)行了應(yīng)用，預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際基本一致。

3 結(jié)垢量預(yù)測方法

3.1 結(jié)垢預(yù)測模型

（1）Kern-Seaton 模型。KERN 和SEATON[20]認(rèn)為污垢層的形成存在沉積和脫除兩個過程：一方面，污垢在換熱壁面沉積并不斷生長，另一方面，部分沉積在壁面的污垢會在流體沖刷作用下脫離換熱壁面，實(shí)際的結(jié)垢量是換熱壁面污垢沉積物的凈增加量，污垢沉積物的熱阻能夠衡量污垢凈增加量，提出用公式（10）表達(dá)結(jié)垢速率。

式中，Rf為污垢熱阻，m2·℃/W；Φd和Φr分別為污垢的沉積率和剝蝕率，m·℃/N。

顆粒污垢在冷卻水系統(tǒng)中比較常見，對于顆粒污垢，KERN 和SEATON 假定污垢沉積率與溶液中污垢物質(zhì)的濃度和溶液流速成正比，剝蝕率與剪切力和污垢層厚度成正比。該模型經(jīng)Watkinson 的沙漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果予以驗(yàn)證。

（2）Taborek 模型。TABOREK[21]參考KERN 和SEATON 的沉積-脫除結(jié)垢理論，認(rèn)為可將析晶污垢的沉積過程看作n級反應(yīng)，沉積率與附著概率、溶液中污垢物質(zhì)的濃度、活化能以及換熱壁面溫度有關(guān)，見公式（11），剝蝕率參考Kern-Seaton 模型。該模型是需通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合關(guān)鍵參數(shù)的半理論模型，適用于冷卻水系統(tǒng)。

式中：Φd為污垢沉積率，m·℃/N；K0為系數(shù)；Pd為附著概率；Cb為溶液中污垢物質(zhì)的濃度，kg/m3；n為反應(yīng)級數(shù)；E為活化能，J/mol；R為常數(shù)；Ts為換熱壁面溫度，℃；V為溶液流速，m/s；γ取0.5。

（3）Hasson 模型。HASSON[22]認(rèn)為結(jié)晶垢的形成有兩個過程：一是溶液中Ca2+和CO32-向壁面擴(kuò)散傳質(zhì)的過程；二是Ca2+和CO32-在壁面發(fā)生結(jié)晶反應(yīng)的過程，基于離子擴(kuò)散和結(jié)晶反應(yīng)建立了結(jié)垢預(yù)測模型公式（12）。

（4）微粒和析晶混合污垢模型。徐志明等[23]認(rèn)為溶液中同時存在微粒垢與成垢物質(zhì)，一部分成垢物質(zhì)會沉積在管壁上形成結(jié)晶垢，還有一部分會沉積在微粒的表面，導(dǎo)致微粒表面積和質(zhì)量增大。

式中：R′f1為管壁結(jié)晶污垢熱阻，m2·℃/W；R′f2為微粒污垢熱阻，m2·℃/W；Δm1為管壁結(jié)晶成垢質(zhì)量，kg；Δm2為微粒表面結(jié)晶成垢質(zhì)量，kg；s1為管壁面積，m2；s2為微粒表面積之和，m2；λf為污垢導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；ρf為污垢密度，kg/m3。

（5）碳酸鈣于換熱表面結(jié)垢的模型。全貞花等[24]認(rèn)為換熱表面結(jié)垢包括沉積和剝離兩部分，其中，沉積垢包括獨(dú)立形成、互不影響的結(jié)晶垢與微粒垢，結(jié)垢速率可表示為公式（18）。結(jié)晶垢沉積速率借鑒Hasson 模型，微粒垢沉積速率為溶液中微粒垢濃度、無因次沉積速率和流體與壁面摩擦速度的乘積，污垢剝離速率與剪切剝離系數(shù)、污垢密度和污垢層厚度有關(guān)。考慮溫度場和結(jié)垢過程的互相影響，對污垢預(yù)測模型進(jìn)行了編程計(jì)算，模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的偏差大部分小于15%。

（6）動態(tài)結(jié)垢速率預(yù)測模型。王穎[25]提出了考慮多個結(jié)垢影響因素的動態(tài)結(jié)垢速率表達(dá)式，認(rèn)為結(jié)垢包括結(jié)晶成垢與微粒沉積，流體流動剪切同時作用于結(jié)晶成垢與微粒沉積過程。

式中：ω為動態(tài)結(jié)垢速率，mm/d；a，b分別為與成垢離子濃度和微粒垢濃度有關(guān)的結(jié)晶垢與微粒垢系數(shù)；t為油田水溫度，℃；pH為油田水pH 值；c為成垢離子濃度，mol/L；τ為流動剪切應(yīng)力，Pa；C為微粒垢流率，g/s；k1～k7為實(shí)驗(yàn)回歸系數(shù)。

3.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

如果訓(xùn)練樣本有代表性，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對集輸管道的結(jié)垢量預(yù)測結(jié)果是比較準(zhǔn)確可靠的。目前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法仍存在一些問題：所需數(shù)據(jù)量較大，開發(fā)持續(xù)時間較長，輸出結(jié)果的可解釋性較差等[26]。

3.3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬方法便捷、經(jīng)濟(jì)，近年來國內(nèi)外學(xué)者借助CFD 軟件對污垢的形成進(jìn)行了仿真模擬，研究了各因素對污垢層形成的影響。

SAGHATOLESLAMI[27]結(jié)合Fluent 與UDF，模擬了換熱器中脈動流的結(jié)垢，研究了不同角頻率和振幅對結(jié)垢的影響。徐志明等[28]基于析晶結(jié)垢模型，數(shù)值模擬了恒壁溫時圓管內(nèi)CaSO4垢的沉積，研究了介質(zhì)濃度和壁面溫度對污垢沉積率、剝蝕率的影響，介質(zhì)濃度和壁面溫度升高，污垢沉積率增加。張蕊[29]結(jié)合Fluent 和UDF 模擬了CaSO4析晶污垢在換熱面的沉積過程，恒熱流工況時，流體濃度越大，入口溫度越高，流體入口速度越小，污垢熱阻越大。孫卓輝[30]模擬了析晶結(jié)垢和顆粒沉積共同作用下的CaSO4污垢生成過程，顆粒沉積污垢沿流動方向占比越來越高。

3.4 預(yù)測軟件

OFISTP 軟件能預(yù)測析垢量，賈紅育等利用OFISTP 軟件預(yù)測了榆樹林、頭臺以及鄯善等油田的結(jié)垢情況，與靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合[31]。Scale SoftPitzner 軟件能根據(jù)水樣參數(shù)和生產(chǎn)條件，預(yù)測結(jié)垢類型、趨勢及結(jié)垢量等，適用于溫度不超過315 ℃、壓力不超過260 MPa和礦化度不超過700 g/L的工況。ScaleChem 軟件主要用于天然氣開采[32]。李農(nóng)等[33]利用ScaleChem 軟件預(yù)測了西南油氣田某井筒的結(jié)垢量，預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際偏差較小，認(rèn)為ScaleChem 軟件在天然氣開采中預(yù)測結(jié)果比較可靠。油田動態(tài)結(jié)垢速率預(yù)測軟件基于動態(tài)結(jié)垢速率預(yù)測模型編制，可以根據(jù)水樣和生產(chǎn)參數(shù)計(jì)算出結(jié)垢速率及年結(jié)垢厚度，對于現(xiàn)場某輸水管道，實(shí)測值與軟件預(yù)測值相對誤差為11.4%[34]。

4 結(jié)垢監(jiān)測技術(shù)

結(jié)合電化學(xué)、聲學(xué)和光學(xué)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無損、實(shí)時地監(jiān)測管道結(jié)垢情況，對實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、保障油田安全生產(chǎn)十分重要。近年來，結(jié)垢監(jiān)測技術(shù)取得了一些進(jìn)步，分為熱學(xué)法和非熱學(xué)法兩種[35]，其基本原理和特點(diǎn)見表1。

表1 油田水結(jié)垢監(jiān)測技術(shù)Tab.1 Monitoring technology for oilfield water scaling

5 結(jié)論與建議

目前，對于油田水結(jié)垢機(jī)理的研究比較成熟，結(jié)垢趨勢預(yù)測方法較多，但僅局限于預(yù)測是否結(jié)垢或結(jié)垢程度，對油田運(yùn)行的指導(dǎo)意義有限。結(jié)垢量預(yù)測技術(shù)取得了一定的進(jìn)展，包括結(jié)垢預(yù)測模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測技術(shù)、數(shù)值模擬方法以及結(jié)垢預(yù)測軟件等，其中，結(jié)垢預(yù)測軟件使用最為廣泛。為此，對結(jié)垢預(yù)測中存在的問題和發(fā)展提出幾點(diǎn)建議：

（1）結(jié)垢趨勢預(yù)測技術(shù)發(fā)展成熟，操作簡單，主要用于對油田水的結(jié)垢情況進(jìn)行初步預(yù)測，如果發(fā)生結(jié)垢，仍需采用結(jié)垢量預(yù)測技術(shù)，提高預(yù)測結(jié)果的可靠性和實(shí)用性。

（2）結(jié)垢量預(yù)測技術(shù)以結(jié)垢預(yù)測軟件最為常用。結(jié)垢預(yù)測模型缺少大量的實(shí)際工程檢驗(yàn)，多局限于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證或少量的工程驗(yàn)證。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的缺點(diǎn)限制了其在結(jié)垢預(yù)測領(lǐng)域的工程應(yīng)用，數(shù)值模擬研究結(jié)果仍需要現(xiàn)場檢驗(yàn)。綜合熱力學(xué)和動力學(xué)等因素建立能準(zhǔn)確用于預(yù)測油田水實(shí)際結(jié)垢速率的理論模型，對保證油田經(jīng)濟(jì)、安全地生產(chǎn)具有重要意義。

（3）應(yīng)結(jié)合結(jié)垢量預(yù)測技術(shù)和結(jié)垢監(jiān)測技術(shù)，通過監(jiān)測結(jié)果來檢驗(yàn)和優(yōu)化結(jié)垢量預(yù)測技術(shù)，形成一套更加有效的油田水結(jié)垢評估體系。