环道实验研究碳酸钙结垢规律

刘 振, 王丽玲

（中国石油大学（北京）， 北京 102249）

环道实验研究碳酸钙结垢规律

刘 振, 王丽玲

（中国石油大学（北京）， 北京 102249）

我国出产的石油大多数属于重油，结垢问题严重。通过设计环道实验，发现随着流速的增大，碳酸钙结垢诱导期加长，结垢速率减小，渐进污垢热阻减小；表面温度越高，结垢速率越大。之前的文献中很少讨论碱度对换热表面结垢的影响，本文对不同硬度及碱度含量的水质进行了实验研究发现，碱度越大结垢越严重；随着溶液硬度的增大，结垢速率先是增大，待增大至一定浓度时降低。

环道；碳酸钙；结垢

1 国内管线结垢现状及应对措施

在油田生产过程中，特别是在油气井生产开采的后期，随着高含水阶段带来的整体原油含水量高、矿化程度高、出砂出泥高等现象，造成了沿线集输管线结垢严重的后果，结垢给油田生产带来大量问题：降低传热系数，降低换热效率，带来生产隐患，减小管径，增大沿途摩阻等。我国出产的石油大多数属于重油，结垢问题严重[1]。

针对油井管道的结垢问题，国内外应用较为广泛的除垢方法主要是化学除垢法和机械除垢法。[2]化学除垢法是使用化学防垢剂，因为防垢剂具有增溶、静电斥力、晶体畸变、分散和去活化等作用，可以用来阻止无机盐在溶液和流体通道壁上结晶沉淀。化学除垢法的弊端在于，需要不断补充新药剂，难以准确把握药剂用量，除垢效果时好时坏，容易造成环境污染，损害工人健康。机械除垢的方法大致为高压水喷射除垢，即利用柱塞泵产生的高压水经过特殊喷嘴喷向垢层，除垢彻底，效率高，与其他方式相比操作更简便、价格低、施工人员少、施工周期短等好处。但是，清管器为直线运动，若要较为彻底的清理干净管线内壁的垢层，一般需要重复清洗 5～6 遍，有时多达 10 遍（表 1）。

表 1 机械、化学和超声波除垢方式对比Table1 Comparison of mechanical, chemical and ultrasoniccleaning methods

根据现场经验及大量文献可知，碳酸钙是油田最常见的一种碳酸盐垢型。通常而言，结垢的过程通常分为四个过程：①水中的相关离子结合形成低溶解度的盐类分子；②低溶解度分子相结合并形成微小的晶粒，产生晶粒化过程；③大量晶体在特定部位堆积长大；④在不同的部位形成结垢[4]。CaCO3垢主要是由于 Ca2+和 CO32-或 HCO3-结合反应生成，其基本原理如下所示[5]:

2 确定环道参数

环道实验流程图如图1。

图 1 环道实验流程图Fig.1 Ring road experiment flow chart

2.1 确定实验段长度

2.2 确定泵的流量和扬程

对于换热器，实验中的热水循环系统管程流速为 0.5～3.0 m/s，实验中的实验介质循环系统壳层的流速为 0.2～1. 5 m/s。实验所设计的换热器的内径为12 mm，环形空间的当量直径为 9 mm，其管程流量在 0.2～1.2 m3/h 范围内，壳层的流量在 0.17～1.2 m3/h范围内，根据达西公式可以求得整个实验介质循环系统所需能头小于 40 m，整个热水循环系统所需能头小于 30 m。综合流量范围与所需能头的范围，并参考所给离心泵的特性参数，最终选择德国威乐泵。型号分别为 WHI203 和 WHI204，前者扬程 33 m，流量范围 0～5 m3/h； 后者扬程 45 m，流量范围 0～5 m3/h。

2.3 选择压力仪表

根据达西公式可以求得在实验管段中壳层的压降在 0.2～2.3 kPa 范围内，管程的压降在 0.24～5.69 kPa 范围内，因此选择 0～10 kPa 的差压计，调节差压计的量程，一支差压计量程调为 0～4 kPa，另一支调为 0～7 kPa，以求达到较高的测量精度。

3 对流换热的理论计算

对于实验段的换热情况现做如下假设：

（1）换热段与周围环境绝热，并无散热损失，此时只有冷热流体之间发生热交换；

（2）忽略沿管道轴向方向的热传导；

（3）忽略流体势能和动能的变化；

（4）流体的热物性参数在一定的温度范围内恒定；

（5）流体都处于热充分发展阶段。

在实验段的冷、热流体的流量以及进口温度已知晓的情况下可以运用公式求得冷、热流体的出口温度，管道的内、外壁温度，表面传热系数以及总传热系数。所涉及到的公式有能量平衡关系式（1）和（2）、传热方程（3）、迪斯图-贝尔特经验公式（4）和（5）、牛顿冷却公式（7）和（8）、格尼林斯基经验公式（9）和（10）等。具体如下：

式中：Φ—热流量，W；

cp,h、 cp,c—热、冷流体 的比热容，J/(kg•k)；

m˙h、 m˙c—热 、冷流体的质量流 量，kg/s；

k—总传热系数，W/(m2·k)；

L—实验段长度，m；

Nuh、 Nuc—热、冷流体 的努塞尔数；

do、 di、 de—换热管的内 径、外径及壳层的 当量直径，m；

Rem,h、R em,c—热、冷流体 的雷诺数；

Prm,h、Prm,c、P rw,i、Prw,o—热、冷流体、换热管内壁及外壁的普朗克数；

hh、 hc—冷 、热流体的对流换 热系数，W/(m2•k)；

λh、 λc、 λ—热、冷流体 及换热管的热导率 ，W/(m•k)；

Th,i、 Th,o、 Tc,i、 Tc,o、 Tm,h、 Tm,c、 Tw,i、Tw,o— 热 流 体 进出 口 温 度、 冷 流体进出口温度、热、冷流体的平均温度、换热管内壁及外壁的温度，℃；

Δ Tm—对数平均温差，℃。

3.1 计算实验段壳层的当量直径

3.2 计算冷流体出口温度

假设多个热流体出口温度 Th,o，计算得出多个相应的冷流体的出口温度 Tc,o：

公式（1）和（2）

3.3 求解平均温差

计算热、冷流体在实验段的平均温度，并求解对数平均温差：

3.4 计算总传热系数

通过传热方程（3）计算总传热系数 k：

3.5 经验公式求解总传热系数

3.5.1 运用迪斯图-贝尔特经验公式初算对流换热系数

由公式（4）和（5）得到努塞尔数，再通过式（6）得出对流换热系数：

3.5.2 运用牛顿冷却公式求解换热管壁温度

由式（7）和（8）得：

根据此温度得到换热管壁的普朗克数。

3.5.3 求解对流换热系数和出口温度

由式（9）和（10）得出努塞尔数，再根据式（6）求解得到对流换热系数。重复循环步骤，直到所得对流换热系数的值与前一次所求之差在允许范围之内，此时就得到了最终的对流换热系数。由式（11）可以得到总传热系数k值，将上述所求k值进行差值，差值最小的所对应的热、冷流体出口温度就是所求的温度。

4 实验结果分析

4.1 流速对结垢过程的影响

流速为 0.6 m/s 时，诱导期为 360 min，渐进污垢厚度为 2.25×10-4m。流速为 1.7 m/s 时，诱导期为600 min，渐进污垢厚度为 0.57×10-4m（图 2）。

图 2 流速对碳酸钙结垢的影响Fig.2 The effect of flow velocity on calcium carbonate scaling

随着流速的增大，结垢诱导期加长，结垢速率减小，渐进污垢热阻减小。另外，从实验中发现污垢的密度与导热系数的乘积随流速的增大而增大。

4.2 换热表面温度对结垢过程的影响

结垢表面温度增加 20 ℃，污垢压降增加为原来的 3.5 倍。可以看出，表面温度越高，结垢速率越大，污垢压降也越大，结垢诱导期越短。Hasson[6]实验中表面温度增加 15.5 ℃，结垢速度仅有 20%的增加；而 Story[7]实验中表面温度发生 33 ℃变化时，污垢热阻有20倍的变化，本文污垢压降的影响介于两者之间（图 3）。

图 3 换热表面温度对结垢的影响Fig.3 Influence of heat transfer surface temperature on fouling

4.3 pH 值对结垢过程的影响

文献中很少讨论碱度对换热表面结垢的影响。Morse 和 Knudsen[8]考察了碱度对冷却塔水中 CaCO3在传热面结垢的影响，发现所生成污垢的强度与水的碱度有关。本文对不同硬度及碱度含量的水质进行了实验研究（图 4）。

图 4 pH 对碳酸钙结垢过程的影响Fig.4 Effect of pH on calcium carbonate fouling process

溶液的碱度对结垢有非常重要的影响，碱度越大结垢越严重。另外，根据实验发现，溶液碱度对垢质的物性也有很大的影响。碱度越大垢质越疏松，碱度越小垢质越硬。

4.4 离子浓度对结垢过程的影响

随着溶液硬度的增大，结垢速率及压降先是增大 ， 待 增 大 至 一 定 浓 度 时 降 低 。Chernozubov[9]及Watkinson[10]等也发现了类似的规律（图 5）。

图 5 浓度对碳酸钙结垢过程的影响Fig.5 Effect of concentration of calcium carbonate on fouling process

［1］霍文兰，温俊峰. 超声波辅助法在输油管道除垢、防垢中的应用[J].应用化工,2009,38(6).

［2］师柱，赵刚. 三元复合驱油井管道超声波除垢技术研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学, 2011.

［3］佟帅，李明伟. 超声波防垢除垢机理及提高效率的方法研究[D]. 大连：大连理工大学, 2008.

［4］段黎明,郭艳萍，闫凤平．碳酸钙结垢预测方法及应用效果对比[J]．辽宁化工，2011,40(5): 511-514.

［5］唐灵，杨琳，何健．油田注入水碳酸钙结垢预测研究[J]．海洋石油，2009,29(1): 75-78.

［ 6］D. Hasson, M. Avriel, W. Resnick, et al. Mechanism of Calcium Carbonate Scale Deposition on Heat Transfer Surfaces[J]. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals,1968, 7: 59-65.

［7］M K Story. Surface Temperature Effects on the Fouling Characteristics of Cooling Water[R]. M.Sc Thesis of Oregon State University (USA), 1975.

［8］R W Morse, J G Knudsen. Effect of Alkalinity on the Scaling of Simulated Cooling Tower Water[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 1977, 55: 272-278.

［9］V B Chernozubov, L P Karnauhov. On the Rate of Calcium Carbonate Scale Deposition[R]. 4th International Symosium on Fresh Water From the Sea. 1973-02:57.

［10］A P Watkinson, O Martinez. Scaling of Heat Exchanger Tubes by Calcium Carbonate[J]. Journal of Heat Transfer,1975, 97: 504-508.

惠云钛业助力云安县循环经济

循环经济如何变废为宝？日前，由钛白行业主导的“全国钛白粉产业技术创新战略联盟技术创新推介会”在云浮市举行。笔者在一生产车间看到，由惠云钛业有限公司生产钛白粉后产生的钛石膏污泥，经过超高压污泥压榨机烘干脱水后，形成了一块块干泥巴。这些原本需要当垃圾处理的污泥，经过压榨后将作为水泥原料、或制作成为环保砖等下游产品，由以往要花钱处理的“垃圾”变成会来钱的“宝贝”。这是云安县大力发展循环经济，积极引导企业实现循环经济链上变废为宝的又一硕果。

Experimental Research on Calcium Carbonate Scaling Rules by Annular Pipeline Test

LIU Zhen，WANG Li-ling
(China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China)

The produced oil in our country is mostly heavy oil, with serious scaling problem. According to the annular pipeline test, with the increasing of the flow rate, induction period becomes longer, the scaling rate decreases and scaling resistance reduces; the higher the temperature on surface, the higher the scaling rate. While, there is little discussion about the effect of alkalinity on scaling of heat exchanging surface in literature. In this paper, an experimental research on water with diverse hardness and alkalinity contents was carried out. The research results show that, the higher the alkalinity, the heavier the scaling. With the increasing of the hardness of solution, scaling rate firstly increases, and then decreases when the hardness reaches to some extent.

Annular pipeline; Calcium carbonate; Scaling

TQ 132.3+2

： A文献标识码： 1671-0460（2014）07-1181-04

2013-12-05

刘振（1987-），男，山东菏泽人，中国石油大学（北京）机械学院石油与天然气工程在读硕士，研究方向：从事油气长距离管输技术、多相管流及油气田集输技术。E-mail：liuzhen09@126.com。