油田管道結(jié)垢的成因及數(shù)值模擬結(jié)垢研究

王佳豪，王丁

（西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

隨著油田原油的大量開(kāi)采，使地下油層逐漸出現(xiàn)了虧空，為了彌補(bǔ)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(shí)還可以實(shí)現(xiàn)原油采出的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。在進(jìn)入注水采油階段后，出現(xiàn)了集輸裝置中水結(jié)垢的問(wèn)題，例如集輸管線和換熱設(shè)備。水結(jié)垢對(duì)管線和換熱設(shè)備都有很大的影響，嚴(yán)重時(shí)可能造成管線出現(xiàn)不流通的情況，即使不堵塞管線同樣會(huì)使管線在運(yùn)輸時(shí)沿程阻力增加；發(fā)生在換熱設(shè)備時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備的換熱效率降低，使得換熱設(shè)備的運(yùn)行年限減少，這使得油田在生產(chǎn)中需要投入更多的資金；水結(jié)垢也可能在井筒內(nèi)出現(xiàn)，如果井筒和近井區(qū)域出現(xiàn)水結(jié)垢，會(huì)使得油層滲透率減小，對(duì)油田的生產(chǎn)造成不便和經(jīng)濟(jì)上的負(fù)擔(dān)。

近些年隨著我國(guó)油田行業(yè)的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入油田高含水的階段。油田上管道和設(shè)備結(jié)垢可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層壓力過(guò)高或者是讓輸送管道堵塞，一旦產(chǎn)生污垢會(huì)讓管道內(nèi)部實(shí)際流通面積縮小，根據(jù)伯努利效應(yīng)分析可得，此時(shí)流速會(huì)增加，壓力會(huì)升高，很有可能高過(guò)管道和設(shè)備的極限承壓，最后導(dǎo)致管道和設(shè)備損壞，造成嚴(yán)重的事故，縮短了其使用年限。這讓油田的安全生產(chǎn)受到了嚴(yán)重影響，因此大量學(xué)者在防垢和除垢方面做了許多研究[1]。

1 結(jié)垢作用機(jī)理

現(xiàn)在大部分研究學(xué)者認(rèn)為，溶液熱力學(xué)狀態(tài)變化和離子的化學(xué)不相容性是引起結(jié)垢的主要原因，析晶污垢的沉積主要發(fā)生在換熱面上[2]。這種現(xiàn)象的原因是，由于加熱器的加熱作用引起溶液的熱力學(xué)狀態(tài)變化，使溶液達(dá)到了過(guò)飽和狀態(tài)，當(dāng)溶液達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)后，溶液中的離子開(kāi)始聚集形成晶核，晶核在流固表面形成，晶核通過(guò)吸引流體中帶有電荷的成垢離子使其不斷生長(zhǎng)為晶體微粒，析出的晶體微粒在換熱壁面不斷聚集并生長(zhǎng)進(jìn)而形成了污垢層。

當(dāng)溶液流過(guò)換熱面時(shí)，流體的熱力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而使流體中的鹽離子達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，溶液中的離子沉積在換熱面，成為質(zhì)地堅(jiān)硬的污垢，這就是通常所說(shuō)的析晶污垢。工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)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(dá)到了過(guò)飽和狀態(tài)致使污垢從溶液中析出，不管水溶液是處于冷卻狀態(tài)還是加熱狀態(tài)均可以析出污垢，同時(shí)，流體在冷卻狀態(tài)下析出的污垢通常為正溶解度的鹽，而在加熱狀態(tài)下析出的污垢通常為負(fù)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(jié)合形成的污垢?；瘜W(xué)反應(yīng)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的氧化腐蝕污垢。生物污垢一般是指當(dāng)金屬表面形成腐蝕污垢后就形成了微生物生存的環(huán)境，進(jìn)而使得微生物在換熱面沉積生存下來(lái)形成的。凝固污垢一般是指當(dāng)流體中的物質(zhì)溫度較高時(shí)，突然遇到冷水從流體中析出進(jìn)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(jī)制會(huì)有更加復(fù)雜。在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)中，一般不會(huì)出現(xiàn)單一污垢的情況，經(jīng)常是多種污垢共同作用的結(jié)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(jiàn)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(duì)溫度十分的敏感。碳酸鈣由于是反溶性的鹽，其溶解度會(huì)隨著溫度的升高而減?。恢鼐闹饕煞质橇蛩徜^，在一個(gè)較低的溫度環(huán)境下，硫酸鋇的溶解度會(huì)隨著溫度的升高有少量的增加，在較高的溫度環(huán)境下，溶解度則會(huì)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(dá)到最值后隨著溫度繼續(xù)升高而減小[4]。生成污垢的反應(yīng)都為吸熱的化學(xué)反應(yīng)，而這些垢類也大都為反溶性的鹽，所以隨著溫度的升高，會(huì)有大量的污垢過(guò)飽和析出。

2.2 壓力

通常壓力對(duì) CaCO3、CaSO4以及 BaSO4等溶液結(jié)垢都會(huì)產(chǎn)生影響，特別是CaCO3，因?yàn)镃O2氣體會(huì)參與到化學(xué)反應(yīng)中，所以反應(yīng)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(dòng)都是下降的，所以結(jié)垢率隨著流動(dòng)逐漸增大[12]。

2.3 管內(nèi)流體的速度

無(wú)論是哪種污垢，結(jié)垢的快慢與流體的速度呈負(fù)相關(guān)，這可以理解為，管道污垢沉積率會(huì)隨著管道內(nèi)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(duì)污垢的剝蝕率也就越大，生成的污垢容易被液體沖刷掉，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)垢的增長(zhǎng)率會(huì)有顯著的減小。當(dāng)管道內(nèi)液體流速較低的時(shí)候，溶液中的微生物和一些雜質(zhì)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(fā)現(xiàn)，增大溶液的pH 值，增加了部分反溶鹽溶液的結(jié)晶與成核速度，加快了污垢的生長(zhǎng)。但如果溶液的 pH 值過(guò)低，又會(huì)增加管道內(nèi)部的腐蝕，形成腐蝕污垢[7]。

3 結(jié)垢預(yù)測(cè)模型

在管道結(jié)垢中，結(jié)垢預(yù)測(cè)是一項(xiàng)很重要的研究，對(duì)于了解結(jié)垢趨勢(shì)有重大意義。結(jié)垢這一問(wèn)題出現(xiàn)后，人們開(kāi)始研究結(jié)垢的因素和機(jī)理，開(kāi)始尋找一些除垢的方法，此時(shí)為被動(dòng)結(jié)垢，即在結(jié)垢發(fā)生后，尋找原因，去除污垢。隨著研究的發(fā)展，過(guò)渡到利用數(shù)學(xué)和傳熱學(xué)的知識(shí)預(yù)測(cè)結(jié)垢的趨勢(shì)，早期的結(jié)垢預(yù)測(cè)模型，大多是根據(jù)傳熱學(xué)公式建立的數(shù)學(xué)模型。近些年，通過(guò)研究，人們從被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，也就是集結(jié)聚垢，通過(guò)一些外部條件，使液體流過(guò)某一設(shè)備時(shí)，主動(dòng)地大面積結(jié)垢，從而直接去除液體中的成垢離子，讓其在其余地方不會(huì)結(jié)垢。污垢沉積模型對(duì)于污垢的預(yù)測(cè)起著重要的作用。污垢模型可以通過(guò)軟件模擬來(lái)獲取大量的數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)中還有一部分是一些無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，這既可以驗(yàn)證污垢的理論，也可以對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展起到指導(dǎo)作用。此外，通過(guò)用軟件來(lái)模擬污垢模型可以為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用做出一些參考依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，使得現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題時(shí)擁有一定的理論依據(jù)。

CFD 軟件是一個(gè)模擬流體流動(dòng)狀態(tài)的計(jì)算機(jī)軟件，也叫計(jì)算流體力學(xué)。近些年，利用CFD 軟件對(duì)管道和換熱設(shè)備的結(jié)垢模擬預(yù)測(cè)越來(lái)越多，也越來(lái)越成熟。CFD 被開(kāi)發(fā)出來(lái)是在 20世紀(jì)，在當(dāng)時(shí)由于計(jì)算機(jī)的技術(shù)還相對(duì)落后，所以并沒(méi)有得到推廣。但是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)模擬軟件的興起，計(jì)算機(jī)技術(shù)也得到了空前的發(fā)展，CFD 逐漸被人們廣為應(yīng)用。除此之外 CFD 被廣為應(yīng)用的原因就是實(shí)驗(yàn)所需的成本較高，而 CFD 很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，同時(shí)可以得出不錯(cuò)的效果，通過(guò) CFD 模擬的結(jié)果對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究具有一定的指導(dǎo)意義。其主要步驟為：先利用內(nèi)部軟件或者第三方軟件繪制換熱表面的物理模型；然后進(jìn)行網(wǎng)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(guī)則的，需要用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分；最后導(dǎo)入到Fluent 里，設(shè)置好邊界條件及參數(shù)，結(jié)合編程然后進(jìn)行模擬，求解出模型的溫度分布圖以及結(jié)垢的速率等重要參 數(shù)[8]。

計(jì)算流體力學(xué)主要用于研究和描述各種自然界或者生產(chǎn)生活中流動(dòng)現(xiàn)象，將流體域和固體域離散劃分，然后對(duì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)建立積分或者微分形式的控制方程，運(yùn)用計(jì)算機(jī)編制相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算算法來(lái)求解這些代數(shù)方程式，從而得到各方程對(duì)應(yīng)的數(shù)值解。在用 CFD 進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，CFD允許用戶對(duì)源項(xiàng)等進(jìn)行自定義，而用戶通過(guò)自定義功能可以解決 CFD 數(shù)學(xué)模型的不足之處。

3.1 前處理階段

在數(shù)值模擬中，前處理階段是個(gè)很重要的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中需要做的工作主要有：繪制所需的幾何模型、對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、定義邊界條件、設(shè)置所需的物性參數(shù)，同時(shí)還可以根據(jù)需要使用編程軟件對(duì)源項(xiàng)進(jìn)行定義[9]。

3.1.1 幾何建模

可以通過(guò) CFD 自帶的軟件來(lái)完成幾何模型的繪制，同時(shí)還可以在該軟件中直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這樣雖然省去了導(dǎo)入的過(guò)程，但由于自帶的軟件并非專業(yè)的畫圖軟件所以繪制過(guò)程比較復(fù)雜。一般選擇使用的是 SOLIDWORKS 這種專業(yè)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(diǎn)：一方面是繪制完成幾何模型后需要導(dǎo)入到網(wǎng)格繪制軟件中；另一方面是可能會(huì)出現(xiàn)面與面之間連接出現(xiàn)問(wèn)題，因此需要后面網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。

3.1.2 網(wǎng)格劃分

簡(jiǎn)單模擬采用的是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，所形成的計(jì)算區(qū)域中的點(diǎn)都是相互關(guān)聯(lián)的，且相互之間的關(guān)系直接寫進(jìn)了所劃分的網(wǎng)格中，這種劃分方式能夠很好地適應(yīng)邊界的擬合。使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以快速完成網(wǎng)格的劃分，同時(shí)擁有較好的質(zhì)量[10]。在一些復(fù)雜的模型中需要?jiǎng)澐址墙Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格繪制起來(lái)較為復(fù)雜，但可以在一些不規(guī)則的模型中進(jìn)行使用，達(dá)到比較好的效果。

3.1.3 設(shè)定邊界條件

在數(shù)值模擬過(guò)程中，邊界條件的設(shè)置是很重要的一部分，設(shè)置邊界條件是規(guī)定好流體變量和能量變量，使得模擬的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)出現(xiàn)唯一解。主要設(shè)定的邊界條件有：入口速度、入口溫度、入口濃度、進(jìn)口壓力以及流固表面邊界條件。

3.1.4 設(shè)定物性參數(shù)

在數(shù)值模擬開(kāi)始前需要對(duì)模擬所需的物性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這同樣是模擬的重要部分。在數(shù)值模擬過(guò)程中有些參數(shù)需要激活特定的模型才會(huì)出現(xiàn)，同時(shí)為了使模擬更加貼近實(shí)際需要根據(jù)實(shí)際來(lái)設(shè)定[11]。

3.2 求解階段

在利用 CFD 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇物理模型，常用的模型為湍流模型及組分運(yùn)輸和反應(yīng)模型。

3.3 后處理階段

經(jīng)過(guò)眾多開(kāi)發(fā)人員對(duì) CFD 的完善，目前其提供了越來(lái)越多可視化技術(shù)，模擬后能得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)或者流動(dòng)圖形。其中這些開(kāi)發(fā)的后處理軟件中，F(xiàn)luent 是使用最多的一個(gè)軟件，該軟件在求解時(shí)對(duì)網(wǎng)格要求低，可以應(yīng)用于流體的流動(dòng)或者傳熱，甚至涉及到化學(xué)反應(yīng)也能在 Fluent 中進(jìn)行模擬，功能強(qiáng)大且包容性強(qiáng)。

4 結(jié) 論

1）管道內(nèi)壁大量結(jié)垢會(huì)讓管道內(nèi)部實(shí)際流通面積縮小，根據(jù)伯努利效應(yīng)分析可得，此時(shí)流速會(huì)增加，壓力會(huì)升高，很有可能高過(guò)管道和設(shè)備的極限承壓，最后導(dǎo)致管道和設(shè)備損壞，損失大量的人力、物力和財(cái)力，因此做好管道的防垢、除垢工作十分重要。

2）管道結(jié)垢是由于管材、外部環(huán)境和管道結(jié)構(gòu)共同造成的,考慮時(shí)只有將這3 個(gè)因素綜合起來(lái)，管道結(jié)垢才能得到有效預(yù)防，達(dá)到最大程度降低結(jié)垢的目的。

3）隨著 CFD 在科學(xué)研究上的流行，CFD 在數(shù)值算法的應(yīng)用越來(lái)越多，數(shù)值模擬在研究流體的流動(dòng)和傳熱方面體現(xiàn)出了良好的效果。

4）結(jié)垢預(yù)測(cè)是一項(xiàng)長(zhǎng)久而困難的任務(wù)，對(duì)油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)有著舉足輕重的意義，必須重視它的理論研究和發(fā)展。