油田管道结垢的成因及数值模拟结垢研究

王佳豪，王丁

（西安石油大学 石油工程学院，陕西 西安 710065）

随着油田原油的大量开采，使地下油层逐渐出现了亏空，为了弥补亏空和提高地下油层采出压力大部分油田采用注水采油的方式，同时还可以实现原油采出的高产和稳产。在进入注水采油阶段后，出现了集输装置中水结垢的问题，例如集输管线和换热设备。水结垢对管线和换热设备都有很大的影响，严重时可能造成管线出现不流通的情况，即使不堵塞管线同样会使管线在运输时沿程阻力增加；发生在换热设备时会导致换热设备的换热效率降低，使得换热设备的运行年限减少，这使得油田在生产中需要投入更多的资金；水结垢也可能在井筒内出现，如果井筒和近井区域出现水结垢，会使得油层渗透率减小，对油田的生产造成不便和经济上的负担。

近些年随着我国油田行业的发展，我国已经进入油田高含水的阶段。油田上管道和设备结垢可能会导致储层压力过高或者是让输送管道堵塞，一旦产生污垢会让管道内部实际流通面积缩小，根据伯努利效应分析可得，此时流速会增加，压力会升高，很有可能高过管道和设备的极限承压，最后导致管道和设备损坏，造成严重的事故，缩短了其使用年限。这让油田的安全生产受到了严重影响，因此大量学者在防垢和除垢方面做了许多研究[1]。

1 结垢作用机理

现在大部分研究学者认为，溶液热力学状态变化和离子的化学不相容性是引起结垢的主要原因，析晶污垢的沉积主要发生在换热面上[2]。这种现象的原因是，由于加热器的加热作用引起溶液的热力学状态变化，使溶液达到了过饱和状态，当溶液达到过饱和状态后，溶液中的离子开始聚集形成晶核，晶核在流固表面形成，晶核通过吸引流体中带有电荷的成垢离子使其不断生长为晶体微粒，析出的晶体微粒在换热壁面不断聚集并生长进而形成了污垢层。

当溶液流过换热面时，流体的热力学状态发生变化，进而使流体中的盐离子达到过饱和状态，溶液中的离子沉积在换热面，成为质地坚硬的污垢，这就是通常所说的析晶污垢。工业生产中常见的析晶型污垢有CaCO3、CaSO4以及 BaSO4等[3]。

析晶污垢的析出是由于溶液达到了过饱和状态致使污垢从溶液中析出，不管水溶液是处于冷却状态还是加热状态均可以析出污垢，同时，流体在冷却状态下析出的污垢通常为正溶解度的盐，而在加热状态下析出的污垢通常为负溶解度的盐。颗粒污垢主要由固体颗粒和在流体中析出的晶体结合形成的污垢。化学反应污垢是溶液中的离子重新组合并沉积在换热壁面上的固体。腐蚀污垢一般是指由于换热面的金属与流体中的离子发生化学反应形成的氧化腐蚀污垢。生物污垢一般是指当金属表面形成腐蚀污垢后就形成了微生物生存的环境，进而使得微生物在换热面沉积生存下来形成的。凝固污垢一般是指当流体中的物质温度较高时，突然遇到冷水从流体中析出进而沉积在换热面上的污垢。从上面可以看出，每一种污垢的生成都是在多种条件的作用下，如果是混合污垢，其形成的机制会有更加复杂。在现实的生产中，一般不会出现单一污垢的情况，经常是多种污垢共同作用的结果，使得其解决并不是那么容易。

2 影响因素

2.1 温度

油田管道中比较常见的垢物有硫酸钙、碳酸钙、碳酸镁、重晶石等，这些垢物在水中的溶解度的变化对温度十分的敏感。碳酸钙由于是反溶性的盐，其溶解度会随着温度的升高而减小；重晶石的主要成分是硫酸钡，在一个较低的温度环境下，硫酸钡的溶解度会随着温度的升高有少量的增加，在较高的温度环境下，溶解度则会随着温度的上升而减少；而硫酸钙的溶解度则随着温度升高而先增大并在40 ℃左右达到最值后随着温度继续升高而减小[4]。生成污垢的反应都为吸热的化学反应，而这些垢类也大都为反溶性的盐，所以随着温度的升高，会有大量的污垢过饱和析出。

2.2 压力

通常压力对 CaCO3、CaSO4以及 BaSO4等溶液结垢都会产生影响，特别是CaCO3，因为CO2气体会参与到化学反应中，所以反应受压力的影响更为明显一些。在输油管道中，压力一般沿着管线流动都是下降的，所以结垢率随着流动逐渐增大[12]。

2.3 管内流体的速度

无论是哪种污垢，结垢的快慢与流体的速度呈负相关，这可以理解为，管道污垢沉积率会随着管道内液体的流速增大而有一定量的增幅，但是液体的流速越高对污垢的剥蚀率也就越大，生成的污垢容易被液体冲刷掉，进而导致整个结垢的增长率会有显著的减小。当管道内液体流速较低的时候，溶液中的微生物和一些杂质颗粒不容易被带走，在重力的作用下堆积在管道底部，形成沉积物[5-6]。

2.4 pH 值

研究发现，增大溶液的pH 值，增加了部分反溶盐溶液的结晶与成核速度，加快了污垢的生长。但如果溶液的 pH 值过低，又会增加管道内部的腐蚀，形成腐蚀污垢[7]。

3 结垢预测模型

在管道结垢中，结垢预测是一项很重要的研究，对于了解结垢趋势有重大意义。结垢这一问题出现后，人们开始研究结垢的因素和机理，开始寻找一些除垢的方法，此时为被动结垢，即在结垢发生后，寻找原因，去除污垢。随着研究的发展，过渡到利用数学和传热学的知识预测结垢的趋势，早期的结垢预测模型，大多是根据传热学公式建立的数学模型。近些年，通过研究，人们从被动变为主动，也就是集结聚垢，通过一些外部条件，使液体流过某一设备时，主动地大面积结垢，从而直接去除液体中的成垢离子，让其在其余地方不会结垢。污垢沉积模型对于污垢的预测起着重要的作用。污垢模型可以通过软件模拟来获取大量的数据，在这些数据中还有一部分是一些无法进行实验的数据，这既可以验证污垢的理论，也可以对于实验研究的发展起到指导作用。此外，通过用软件来模拟污垢模型可以为现场应用做出一些参考依据和标准，使得现场解决问题时拥有一定的理论依据。

CFD 软件是一个模拟流体流动状态的计算机软件，也叫计算流体力学。近些年，利用CFD 软件对管道和换热设备的结垢模拟预测越来越多，也越来越成熟。CFD 被开发出来是在 20世纪，在当时由于计算机的技术还相对落后，所以并没有得到推广。但是近年来随着计算机模拟软件的兴起，计算机技术也得到了空前的发展，CFD 逐渐被人们广为应用。除此之外 CFD 被广为应用的原因就是实验所需的成本较高，而 CFD 很好地解决了这个问题，同时可以得出不错的效果，通过 CFD 模拟的结果对于实验研究具有一定的指导意义。其主要步骤为：先利用内部软件或者第三方软件绘制换热表面的物理模型；然后进行网格的划分，即就是将模型离散化，便于求解方程，物理模型若为不规则的，需要用非结构网格进行划分；最后导入到Fluent 里，设置好边界条件及参数，结合编程然后进行模拟，求解出模型的温度分布图以及结垢的速率等重要参 数[8]。

计算流体力学主要用于研究和描述各种自然界或者生产生活中流动现象，将流体域和固体域离散划分，然后对流场、温度场和浓度场建立积分或者微分形式的控制方程，运用计算机编制相应的数值计算算法来求解这些代数方程式，从而得到各方程对应的数值解。在用 CFD 进行数值模拟时，CFD允许用户对源项等进行自定义，而用户通过自定义功能可以解决 CFD 数学模型的不足之处。

3.1 前处理阶段

在数值模拟中，前处理阶段是个很重要的过程，在这个过程中需要做的工作主要有：绘制所需的几何模型、对几何模型进行网格划分、定义边界条件、设置所需的物性参数，同时还可以根据需要使用编程软件对源项进行定义[9]。

3.1.1 几何建模

可以通过 CFD 自带的软件来完成几何模型的绘制，同时还可以在该软件中直接进行网格划分，这样虽然省去了导入的过程，但由于自带的软件并非专业的画图软件所以绘制过程比较复杂。一般选择使用的是 SOLIDWORKS 这种专业的画图软件，虽然该软件绘制图形比较方便，但同样有一定的缺点：一方面是绘制完成几何模型后需要导入到网格绘制软件中；另一方面是可能会出现面与面之间连接出现问题，因此需要后面网格划分时对其进行修复。

3.1.2 网格划分

简单模拟采用的是结构化网格，所形成的计算区域中的点都是相互关联的，且相互之间的关系直接写进了所划分的网格中，这种划分方式能够很好地适应边界的拟合。使用结构化网格可以快速完成网格的划分，同时拥有较好的质量[10]。在一些复杂的模型中需要划分非结构网格，非结构网格绘制起来较为复杂，但可以在一些不规则的模型中进行使用，达到比较好的效果。

3.1.3 设定边界条件

在数值模拟过程中，边界条件的设置是很重要的一部分，设置边界条件是规定好流体变量和能量变量，使得模拟的速度场和温度场出现唯一解。主要设定的边界条件有：入口速度、入口温度、入口浓度、进口压力以及流固表面边界条件。

3.1.4 设定物性参数

在数值模拟开始前需要对模拟所需的物性参数进行设置，这同样是模拟的重要部分。在数值模拟过程中有些参数需要激活特定的模型才会出现，同时为了使模拟更加贴近实际需要根据实际来设定[11]。

3.2 求解阶段

在利用 CFD 进行数值计算时，可以根据需要进行选择物理模型，常用的模型为湍流模型及组分运输和反应模型。

3.3 后处理阶段

经过众多开发人员对 CFD 的完善，目前其提供了越来越多可视化技术，模拟后能得到更加准确的数据或者流动图形。其中这些开发的后处理软件中，Fluent 是使用最多的一个软件，该软件在求解时对网格要求低，可以应用于流体的流动或者传热，甚至涉及到化学反应也能在 Fluent 中进行模拟，功能强大且包容性强。

4 结 论

1）管道内壁大量结垢会让管道内部实际流通面积缩小，根据伯努利效应分析可得，此时流速会增加，压力会升高，很有可能高过管道和设备的极限承压，最后导致管道和设备损坏，损失大量的人力、物力和财力，因此做好管道的防垢、除垢工作十分重要。

2）管道结垢是由于管材、外部环境和管道结构共同造成的,考虑时只有将这3 个因素综合起来，管道结垢才能得到有效预防，达到最大程度降低结垢的目的。

3）随着 CFD 在科学研究上的流行，CFD 在数值算法的应用越来越多，数值模拟在研究流体的流动和传热方面体现出了良好的效果。

4）结垢预测是一项长久而困难的任务，对油田开发生产有着举足轻重的意义，必须重视它的理论研究和发展。