LH 深水油田采出水動(dòng)態(tài)結(jié)垢特性及預(yù)測(cè)模型

張偉國(guó) 金顥 杜慶杰 鄭文川 李杰

1中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司

2中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院

海上油田產(chǎn)量已成為我國(guó)總油氣產(chǎn)量的重要組成部分。在石油對(duì)外依存度高達(dá)70%以上的背景下，安全、高效地開(kāi)發(fā)深水油田具有十分重要的意義[1]。與海上油田開(kāi)發(fā)相比，深水油田開(kāi)發(fā)具有建設(shè)復(fù)雜、維護(hù)成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)。尤其在油田注水開(kāi)發(fā)階段，由于水體之間的不相容性以及力學(xué)條件的不穩(wěn)定性，在井筒、管線和地層中均會(huì)引發(fā)復(fù)雜的結(jié)垢過(guò)程[2-3]，導(dǎo)致注水壓力損失增加，油井產(chǎn)能下降造成井下維修作業(yè)、運(yùn)行成本增高，嚴(yán)重影響油田開(kāi)發(fā)的安全性及經(jīng)濟(jì)性[4-7]。張希海[8]通過(guò)對(duì)高含水集輸管路CaCO3沉積過(guò)程的研究，發(fā)現(xiàn)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(jié)垢機(jī)理。田野[9]從注水過(guò)程中油管、水嘴和地層結(jié)垢特性出發(fā)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提出了結(jié)垢后注水井注水壓力的計(jì)算方法。張玉申[10]針對(duì)聯(lián)合站回注水管路的結(jié)垢問(wèn)題，利用冷指結(jié)垢裝置探究了CaCO3結(jié)垢沉積機(jī)理，確定了CaCO3沉積的影響因素。然而目前對(duì)結(jié)垢的研究多基于靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，對(duì)動(dòng)態(tài)結(jié)垢預(yù)測(cè)方法研究甚少，且已有的動(dòng)態(tài)結(jié)垢預(yù)測(cè)方法主要存在以下問(wèn)題：理論計(jì)算繁瑣，應(yīng)用推廣困難，如O.J.Vetter 預(yù)測(cè)法；針對(duì)性太強(qiáng)，如羅明良預(yù)測(cè)法僅適用于注采過(guò)程中油水井近井帶地層內(nèi)的結(jié)垢，Ali Shabani 方法只適用于低溫注水井的結(jié)垢。

LH 深水油田群地層水為CaCl2水型，D 油井在修井時(shí)發(fā)現(xiàn)了結(jié)垢問(wèn)題。其油井參數(shù)：產(chǎn)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(xiàn)了結(jié)垢現(xiàn)象。針對(duì)LH 深水油田群采出水的結(jié)垢問(wèn)題，提出了一套室內(nèi)動(dòng)態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法，對(duì)影響結(jié)垢特性的主要因素進(jìn)行分析，基于理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了動(dòng)態(tài)結(jié)垢速率預(yù)測(cè)模型，并開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)結(jié)垢速率預(yù)測(cè)軟件。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 水質(zhì)分析

對(duì)LH 油田群主力區(qū)塊的不同井位水質(zhì)進(jìn)行分析（表1），以確定水中的主要成分。由表1 可知，目標(biāo)區(qū)塊礦化度較高，主要結(jié)垢離子為Ca2+、Mg2+。

表1 水質(zhì)分析結(jié)果Tab.1 Water quality analysis results

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

搭建了室內(nèi)結(jié)垢模擬實(shí)驗(yàn)裝置（圖1），主要由實(shí)驗(yàn)介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、水伴熱循環(huán)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)段組成。

圖1 結(jié)垢實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of scaling experimental equipment

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將水浴溫度調(diào)節(jié)至指定溫度，純水加熱至指定溫度后倒入實(shí)驗(yàn)容器。加入稀釋好的MgCl2、CaCl2和NaHCO3溶液，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。為保障實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水相離子濃度恒定，每30 min 換水并標(biāo)定流速。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取出結(jié)垢管段，烘干30 min 后再進(jìn)行稱重。變更實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，徹底清洗實(shí)驗(yàn)管段，烘干、稱重后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)壁的剪切力等于實(shí)際管道內(nèi)壁剪切力的方法確定實(shí)驗(yàn)流速，實(shí)際管道的管壁處紊流剪切速率計(jì)算公式為

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

根據(jù)對(duì)目標(biāo)區(qū)塊工況的調(diào)研情況，確定了實(shí)驗(yàn)方案（表2）。

表2 實(shí)驗(yàn)方案Tab.2 Experimental plan

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 離子濃度對(duì)結(jié)垢特性的影響

壁面溫度為50 ℃、60 ℃，溶液溫度為25℃時(shí)，在不同剪切應(yīng)力下，結(jié)垢速率隨溶液離子濃度的變化關(guān)系如圖2 所示。

由圖2 可知，隨鈣鎂離子濃度的增大，結(jié)垢速率明顯上升。結(jié)垢速率隨離子濃度變化的原因歸結(jié)于管道中無(wú)機(jī)垢的形成，無(wú)機(jī)垢來(lái)源于結(jié)晶成垢及由于過(guò)飽和而在溶液中成核，生長(zhǎng)形成顆粒垢。離子濃度影響結(jié)晶垢生成的同時(shí)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(huì)附著在管壁上，附著沉積下來(lái)的成分主要是熱邊界層的顆粒垢。

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

2.2 pH 值對(duì)結(jié)垢特性的影響

通過(guò)滴加HCl 溶液（0.1 mol/L）和NaOH 溶液（0.1 mol/L）調(diào)節(jié)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(jìn)行結(jié)垢實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 結(jié)垢速率隨pH 的變化Fig.3 Scaling rate varies with pH value

由圖3 可知，結(jié)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(shí)，結(jié)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(jìn)了溶液中HCO3-轉(zhuǎn)換為CO32-的過(guò)程，從而利于CaCO3、MgCO3的生成。pH值對(duì)結(jié)垢速率的影響主要表現(xiàn)在結(jié)晶垢上，pH 值改變時(shí)只有H+的濃度發(fā)生變化，對(duì)于已經(jīng)形成沉淀的顆粒垢沒(méi)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(huì)增加結(jié)垢量，但pH 值太低會(huì)加大腐蝕，因此，需同時(shí)考慮這兩方面的因素以選擇合適的溶液pH 值。

2.3 剪切應(yīng)力對(duì)結(jié)垢特性的影響

結(jié)垢速率隨剪切應(yīng)力的變化關(guān)系如圖4 所示，結(jié)垢速率隨剪切應(yīng)力的增大呈下降趨勢(shì)。這是由于剪切應(yīng)力增大會(huì)使流體對(duì)管壁的沖刷作用增強(qiáng)，結(jié)垢速率變小。同時(shí)，剪切應(yīng)力會(huì)影響熱邊界層內(nèi)顆粒垢流率，改變垢的沉積，所以剪切應(yīng)力對(duì)結(jié)垢速率的影響與結(jié)垢離子濃度的大小有關(guān)。對(duì)于結(jié)垢離子濃度較高的情況，以壁溫50 ℃和60 ℃為例，對(duì)剪切應(yīng)力對(duì)結(jié)垢速率的影響進(jìn)行探研，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4 結(jié)垢速率隨剪切應(yīng)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(jié)垢速率隨著剪切應(yīng)力增大而上升。分析其原因：Mg2+高濃度下，顆粒垢較多，剪切應(yīng)力升高使得熱邊界層內(nèi)顆粒垢流率增大，無(wú)機(jī)垢沉積率上升幅度大于剝除率上升幅度，整體表現(xiàn)為結(jié)垢速率增大；低濃度下，顆粒垢較少，以結(jié)晶成垢為主，隨剪切應(yīng)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(xiàn)為結(jié)垢速率減小。實(shí)際油田水中的結(jié)垢陽(yáng)離子濃度之和大多低于0.06 mol/L[11]，因此，隨著剪切應(yīng)力的增大，結(jié)垢速率主要呈減小趨勢(shì)。

圖5 結(jié)垢速率隨剪切應(yīng)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(duì)結(jié)垢特性的影響

為探究結(jié)垢特性與溫度的關(guān)系，選定30～90 ℃壁面溫度范圍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，溶液溫度為25 ℃，溶液pH 值為8.0，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖中可以看出，不同剪切應(yīng)力下鈣鎂混合垢結(jié)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(huì)產(chǎn)生更多的CaCO3垢；實(shí)驗(yàn)結(jié)垢壁面與水相溫差較大時(shí)，容易導(dǎo)致結(jié)晶垢的產(chǎn)生；溫差較小時(shí)，結(jié)晶垢的量很少，顆粒垢沉積起主導(dǎo)作用。

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

3 動(dòng)態(tài)結(jié)垢速率預(yù)測(cè)模型及軟件

3.1 模型建立

綜合兩種結(jié)垢方式的相互作用，建立動(dòng)態(tài)結(jié)垢速率預(yù)測(cè)模型：

式中：ω為結(jié)垢速率，mm/d；ω1為結(jié)晶垢結(jié)垢速率，mm/d；ω2為顆粒垢結(jié)垢速率，mm/d。

用熱邊界層內(nèi)顆粒垢流率來(lái)表示濃度對(duì)顆粒垢的影響，結(jié)垢速率與離子濃度之間的關(guān)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(nèi)顆粒垢流率，g/s；a、b為待定系數(shù)。

顆粒垢流率計(jì)算式為

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

根據(jù)動(dòng)態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了影響管道結(jié)垢速率的主要因素：離子濃度、pH 值、剪切應(yīng)力、溫度。假設(shè)無(wú)機(jī)垢層特征參數(shù)相同且分布均勻，不考慮無(wú)機(jī)垢表面粗糙度及誘導(dǎo)期的影響，按照公式（3）的形式，利用軟件迭代回歸，得到結(jié)垢速率模型為

式中：t為結(jié)垢壁面的溫度，℃。

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果及機(jī)理，分析確定了當(dāng)油田采出水有效鈣鎂離子濃度之和在0.01～0.03 mol/L 時(shí)，結(jié)晶垢系數(shù)a和顆粒垢系數(shù)b取值分別為0.05 和0.000 4。

對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行檢驗(yàn)（圖7），最大相對(duì)偏差為25.75%，最小相對(duì)偏差0.21%，平均相對(duì)偏差為9.07%。

圖7 實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)模型計(jì)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(shí)，鈣鎂混合垢的結(jié)垢量隨壓力的變化情況（圖8）。

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

圖8 結(jié)垢量隨壓力的變化Fig.8 Scaling rate varies with pressure

當(dāng)壓力升高時(shí)，電離平衡向左進(jìn)行，表現(xiàn)為結(jié)垢量減少。高溫條件時(shí)CaCO3溶解度隨壓力的變化程度小于低溫時(shí)其溶解度隨壓力的變化程度。

考慮壓力因素，對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正，在一定溫度下，結(jié)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(jié)垢速率隨壓力線性變化的修正系數(shù)kt如表3 所示。

表3 結(jié)垢速率的壓力修正系數(shù)ktTab.3 Pressure coefficient of scaling rate kt

3.3 動(dòng)態(tài)結(jié)垢速率預(yù)測(cè)軟件的編制

為了能夠方便、快捷地預(yù)測(cè)LH 深水油田群采出水的結(jié)垢情況，基于動(dòng)態(tài)結(jié)垢速率預(yù)測(cè)模型，利用Python 編制了動(dòng)態(tài)結(jié)垢速率預(yù)測(cè)軟件。該軟件可根據(jù)陽(yáng)離子濃度、陰離子濃度、pH 值、流體介質(zhì)密度、動(dòng)力黏度、溫度、壓力、流速、管道內(nèi)徑等運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算出剪切應(yīng)力、顆粒垢流率、結(jié)垢速率及年結(jié)垢厚度，計(jì)算界面見(jiàn)圖9。

圖9 軟件計(jì)算界面Fig.9 Computing interface of software

4 動(dòng)態(tài)結(jié)垢速率預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

選取某輸水管道進(jìn)行結(jié)垢預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果界面見(jiàn)圖10。在管道內(nèi)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(yù)測(cè)結(jié)垢速率為0.010 9 mm/d，年結(jié)垢厚度為3.797 8 mm。

圖10 軟件計(jì)算結(jié)果界面Fig.10 Computing result interface of software

利用該管路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。該輸水管線原設(shè)計(jì)壁厚11.1 mm，經(jīng)過(guò)9 年零兩個(gè)月反算當(dāng)量壁厚為42.3 mm，平均一年結(jié)垢3.41 mm，與軟件預(yù)測(cè)相對(duì)誤差為11.4%，由此驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型的正確性。

5 結(jié)論

（1）地層水的組成決定了管線結(jié)垢的類型，無(wú)機(jī)垢的形成是結(jié)晶成垢與顆粒沉積共同作用的結(jié)果。

（2）其他條件一定時(shí)，結(jié)垢離子濃度越低、pH 值越小，越不利于結(jié)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(yīng)力有關(guān)，高結(jié)垢離子濃度條件下，體系中結(jié)垢沉積率上升幅度高于剝除率，隨剪切應(yīng)力的增大，表現(xiàn)為結(jié)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(yīng)力的增大，表現(xiàn)出結(jié)垢速率減小趨勢(shì)。

（3）基于理論分析及實(shí)驗(yàn)探究建立了動(dòng)態(tài)結(jié)垢速率預(yù)測(cè)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(yīng)力、壓力等條件下，管道壁面上的結(jié)垢量預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相比，相對(duì)誤差為11.4%。