隨著原油開(kāi)采進(jìn)入中后期，必須采用二次或三次采油技術(shù)來(lái)提高原油采收率。水驅(qū)、氣驅(qū) （包括CO2、空氣和N2） 和聚合物驅(qū)是目前我國(guó)東部成熟油氣田普遍采用的技術(shù)，但是隨之帶來(lái)的問(wèn)題是采出液中含水率越來(lái)越高，有時(shí)甚至高達(dá)95%,由此造成了嚴(yán)重的腐蝕和結(jié)垢問(wèn)題。集輸管道結(jié)垢，會(huì)使得回注水流體的橫截面積變小，注水壓力增大，對(duì)管道設(shè)備的耐壓強(qiáng)度等級(jí)要求增大。與此同時(shí)，注水量增加，浪費(fèi)資源與能源，不利于油田的節(jié)能降耗。此外，注水管道內(nèi)的有機(jī)與無(wú)機(jī)垢層會(huì)阻礙緩蝕劑與鋼鐵管道的接觸，使得垢下濃差腐蝕和垢下微生物腐蝕風(fēng)險(xiǎn)急劇增加，導(dǎo)致管線(xiàn)穿孔泄露。

本文調(diào)研了典型油田注水的結(jié)垢機(jī)理、結(jié)垢類(lèi)型和影響結(jié)垢的因素。通過(guò)對(duì)結(jié)垢監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，達(dá)到預(yù)測(cè)油田結(jié)垢趨勢(shì)、結(jié)垢量以及結(jié)垢對(duì)地層造成的危害。只有準(zhǔn)確獲得油田管道的結(jié)垢趨勢(shì)及可能的結(jié)垢位置，才能提出合理的材料選擇和完善的防垢除垢措施。

1 結(jié)垢分類(lèi)

 

基于物理/化學(xué)過(guò)程，油田回注水垢主要分為結(jié)晶垢、顆粒垢、生物垢和腐蝕垢4大類(lèi)。

結(jié)晶垢類(lèi)型的污垢主要是來(lái)自溶液中含有不溶解的無(wú)機(jī)鹽，比如CaCO3、CaSO4、BaSO4等。結(jié)晶垢的形成通常與溫度有關(guān)。大多數(shù)鹽都具有溶解度，其溶解度隨溫度的上升而增加。然而，還有一些鹽則與此相反，在一些范圍內(nèi)，其溶解度隨溫度的上升而減小。每種鹽在給定的溫度下都有一個(gè)溶解度限制，如果超過(guò)了這種限制，結(jié)晶便會(huì)發(fā)生。結(jié)晶垢主要是由于過(guò)飽和鹽的存在。

顆粒污垢是來(lái)自含有懸浮固體的流體中顆粒的累積。這些累積的顆粒因重力作用產(chǎn)生不同程度的沉淀。

回注水中含有各種微生物，這些微生物主要包括細(xì)菌、真菌、藻類(lèi)等。流體中的微生物積聚而形成污垢，這種污垢形成后產(chǎn)生粘泥，粘泥附著在管道上，各種微生物就在粘泥中繁殖生長(zhǎng)，從而加劇了管道的結(jié)垢程度。

流體會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生不同程度的腐蝕，溫度、酸堿值、流體組分都會(huì)對(duì)腐蝕程度有一定的影響。這些腐蝕產(chǎn)物主要是Fe的氧化物、氫氧化物、硫化物等，這些腐蝕產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物積聚在管道表面形成腐蝕垢。腐蝕垢的存在為其他垢的生長(zhǎng)提供了良好的附著位點(diǎn)。

2 結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)

 

結(jié)垢趨勢(shì)的預(yù)測(cè)是一個(gè)需要考慮多因素的工作量大的系統(tǒng)工程，前人在這方面進(jìn)行了大量的研究，并提出了一系列相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)方法。本文主要討論結(jié)晶垢的預(yù)測(cè)方法，因?yàn)榻Y(jié)晶垢最為常見(jiàn)，同時(shí)這類(lèi)垢對(duì)管道的影響非常大。油田較常用的是飽和指數(shù)法和穩(wěn)定指數(shù)法。

2.1 單一碳酸鈣結(jié)垢預(yù)測(cè)方法

 

1936年，Langelier針對(duì)工業(yè)循環(huán)水提出了水的穩(wěn)定性指標(biāo)，用以確定是否有CaCO3從水中沉淀；后來(lái)，Davis和Stiff將這一指標(biāo)用于油田水，提出用結(jié)垢指數(shù)SI來(lái)判斷是否有CaCO3垢析出；Ryznar提出了用穩(wěn)定指數(shù)RI判斷水的穩(wěn)定性；Oddo和Tomson提出了飽和指數(shù)Is;翁永基等用pH-pHs判別水腐蝕性的模型等等。但是當(dāng)把這些判據(jù)用于高礦化度的油田污水結(jié)垢傾向判斷時(shí)有較大偏差。

2.1.1 Langelier飽和指數(shù)法 Langelier根據(jù)下述平衡關(guān)系，提出了飽和pH值和飽和指數(shù)的概念，以此來(lái)判斷水質(zhì)的CaCO3結(jié)垢趨勢(shì)。CaCO3溶解在水中達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，存在著下列動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系：

 

從以上反應(yīng)式可見(jiàn),如往水中加堿,則H+被中和,pH值升高,反應(yīng) (3) 向右方進(jìn)行,反應(yīng) (4) 向左方進(jìn)行,CaCO3易析出。如果CaCO3在水中呈飽和狀態(tài),則反應(yīng) (2)、(3) 和 (4) 處于平衡狀態(tài),Ca(HCO3)2既不分解成CaCO3,CaCO3也不會(huì)繼續(xù)溶解,此時(shí)水的pH值稱(chēng)為飽和pH值,以pHs表示。Langelier推導(dǎo)出了計(jì)算pHs的公式,并以水的實(shí)際pH值與其飽和pH值 (pHs) 的差值來(lái)判斷水的結(jié)垢趨勢(shì),此差值稱(chēng)為朗格利爾飽和指數(shù),用Is表示。

 

當(dāng)Is>0時(shí)，CaCO3會(huì)析出，這種水屬結(jié)垢型水；當(dāng)Is<0時(shí)，原有CaCO3垢層會(huì)被溶解，這種水有腐蝕性，稱(chēng)作腐蝕性水；當(dāng)Is=0時(shí)，CaCO3既不析出，原有CaCO3垢層也不會(huì)被溶解掉，這種水屬于穩(wěn)定型水。由于該方法是一般的經(jīng)驗(yàn)式，簡(jiǎn)單方便，應(yīng)用較為廣泛，目前許多地方都仍在使用這種方法來(lái)判斷油氣田的結(jié)垢趨勢(shì)。這種方法的缺陷比較明顯，它僅僅考慮了熱力學(xué)條件，這使得預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)結(jié)果之間存在一定的偏差。

2.1.2 Davis-Stiff飽和指數(shù)法 Davis-Stiff飽和指數(shù)法主要用于預(yù)測(cè)碳酸鹽垢，相比Langerlier飽和指數(shù)法，該飽和指數(shù)法的進(jìn)步之處在于考慮了對(duì)溫度、壓力和離子強(qiáng)度進(jìn)行校正。該法的缺點(diǎn)是在現(xiàn)場(chǎng)取出水樣后，必須立即測(cè)定pH值、CO32-、HCO3-等，因?yàn)闃悠芬坏╇x開(kāi)壓力系統(tǒng)，這些參數(shù)變化得非常快，所以使用此預(yù)測(cè)方法會(huì)有些偏差。Davis-Stiff飽和指數(shù)法對(duì)CO2的逸度和CO2在油、水中的分配均未考慮。但是該預(yù)測(cè)方法在國(guó)內(nèi)外油田對(duì)碳酸鈣垢的預(yù)測(cè)結(jié)果還是得到了廣泛的認(rèn)可。Davis-Stiff飽和指數(shù)法主要考慮了系統(tǒng)中的熱力學(xué)條件。Liu等結(jié)合水質(zhì)離子濃度分析，使用飽和系數(shù)法對(duì)大慶油田注水中的碳酸鈣和硫酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。飽和指數(shù)SI按以下方法進(jìn)行計(jì)算：

 

式中，SI為飽和指數(shù)，K為修正指數(shù)，為礦化度和水溫度的函數(shù)，由離子強(qiáng)度與水溫度關(guān)系曲線(xiàn)查得。pCa為Ca2+的濃度 （mol/L） 的負(fù)對(duì)數(shù)，pAlk為總堿度 （mol/L） 的負(fù)對(duì)數(shù)，[CO32-]為CO32-的濃度 （mol/L），[HCO3-]為HCO3-的濃度 （mol/L），μ為離子強(qiáng)度，ci為第i種離子濃度 （mol/L），zi為第i種離子濃度 （mol/L），SI>0,有結(jié)垢趨勢(shì)；SI=0,臨界狀態(tài)；SI<0,無(wú)結(jié)垢趨勢(shì)。飽和指數(shù)法適用的溫度范圍在0~100 ℃。

2.1.3 Ryznar指數(shù)法 在Davis和Stiff提出飽和指數(shù)法之后，Ryznar進(jìn)一步結(jié)合給水系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行總結(jié)，提出了穩(wěn)定指數(shù)的概念 （SAI）。

 

式中，SAI為穩(wěn)定指數(shù)。

利用Ryznar穩(wěn)定指數(shù)判定是否結(jié)垢的標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)4.0<SAI<5.0時(shí)，水質(zhì)體系嚴(yán)重結(jié)垢；當(dāng)5.0<SAI<6.0時(shí)，水質(zhì)體系會(huì)少量結(jié)垢；當(dāng)6.0<SAI<7.0時(shí)，水質(zhì)體系有微量結(jié)垢和腐蝕；當(dāng)7.0<SAI<7.5時(shí)，水質(zhì)體系有明顯腐蝕傾向；當(dāng)SAI>7.5時(shí)，水質(zhì)體系會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕。

Ryznar指數(shù)法相比Davis-Stiff飽和指數(shù)法，它的進(jìn)步之處在于根據(jù)數(shù)值來(lái)具體判斷水的趨勢(shì)。當(dāng)體系的堿度、礦化度較高時(shí)，用穩(wěn)定指數(shù)法進(jìn)行預(yù)測(cè)是比較準(zhǔn)確的，它的預(yù)測(cè)結(jié)果也可用來(lái)表示氣田水的穩(wěn)定性；穩(wěn)定指數(shù)法僅考慮了碳酸鈣的溶解平衡，但由于實(shí)際系統(tǒng)中溫度會(huì)發(fā)生變化，因此整個(gè)系統(tǒng)很難達(dá)到溶解平衡；而且集輸管道的結(jié)垢物成分復(fù)雜，因此穩(wěn)定指數(shù)法并不能用于整個(gè)系統(tǒng)。

2.1.4 Vetter預(yù)測(cè)法 Vetter預(yù)測(cè)法[15]考慮了油田水的流量、CO2含量及其分壓、P-V-T特性以及井下參數(shù)等多種因素，根據(jù)平衡方程、電離方程、亨利公式等，最終建立了碳酸鈣沉淀模型的狀態(tài)方程，Vetter預(yù)測(cè)法的預(yù)測(cè)結(jié)果更接近油田生產(chǎn)中的實(shí)際結(jié)垢情況。Vetter預(yù)測(cè)法的缺點(diǎn)是應(yīng)用推廣困難，這是由于其理論計(jì)算較多、而且繁瑣，技術(shù)人員使用起來(lái)很困難。對(duì)于Vetter預(yù)測(cè)法，應(yīng)該綜合研究結(jié)垢因素，并在其中找到影響結(jié)垢的主因，進(jìn)而對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。

2.1.5 John預(yù)測(cè)方法 John等[6]提出了一個(gè)高溫、高壓下CaCO3飽和度的計(jì)算公式，為注水摻熱液系統(tǒng)結(jié)垢預(yù)測(cè)提供了有效的方法。這個(gè)公式的具體表達(dá)式如下所示。

 

式中，TCa為總鈣濃度 （mol/L），Alk為HCO3-濃度 （mol/L），I為離子強(qiáng)度 （mol/L），pT為總壓 （psi）， XCO2XCO2 為氣相中CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，T為溫度 （℃）。

John的預(yù)測(cè)方法主要適用于注水摻熱液系統(tǒng)中的結(jié)垢預(yù)測(cè)。該方法實(shí)際上是一個(gè)高溫高壓下碳酸鈣飽和度的計(jì)算公式，它的計(jì)算結(jié)果就是其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)計(jì)算結(jié)果大于零時(shí)，有結(jié)垢傾向；若小于零，則沒(méi)有結(jié)垢傾向。John預(yù)測(cè)方法的缺點(diǎn)：由于化學(xué)動(dòng)力學(xué)的關(guān)系，一部分飽和水結(jié)垢幾率大，另一部分飽和水的結(jié)垢幾率很小，所以在判斷結(jié)垢趨勢(shì)時(shí)，John預(yù)測(cè)方法存在有一定的誤差。

2.1.6 碳酸鈣最大結(jié)垢量預(yù)測(cè)方法 Valone和Skillern[16,17,18]綜合考慮井下和地面流體之間的溫度和pH之間的差異，提出了碳酸鈣最大結(jié)垢量預(yù)測(cè)模型。可以采用該模型對(duì)碳酸鈣的結(jié)垢量進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體公式如下所示：

 

式中，pd為井下壓力 （MPa），ps為地面壓力 （MPa），Td為井下溫度 （℃），Ts為地面溫度 （℃）。

結(jié)垢量的分析標(biāo)準(zhǔn)如下：當(dāng)PTB<0時(shí)，體系無(wú)垢；當(dāng)0<PTB<100時(shí)，體系會(huì)產(chǎn)生少量的垢；當(dāng)100<PTB<250時(shí)，體系會(huì)產(chǎn)生足夠多而硬的垢；當(dāng)PTB>250時(shí)，體系的結(jié)垢現(xiàn)象會(huì)極其嚴(yán)重。

采用Valone和Skillern的預(yù)測(cè)方法不僅可以判斷結(jié)垢趨勢(shì)，而且還可以定量地預(yù)測(cè)碳酸鈣的結(jié)垢量。

2.2 硫酸鹽結(jié)垢預(yù)測(cè)方法

 

2.2.1 硫酸鈣的結(jié)垢預(yù)測(cè)方法 根據(jù)熱力學(xué)和溶解平衡原理，Skillman等在進(jìn)行硫酸鈣的結(jié)垢趨勢(shì)的預(yù)測(cè)時(shí)，提出了熱力學(xué)溶解法，它的預(yù)測(cè)方程如下所示：

 

式中，S為CaSO4結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)值 （mmol/L），Ksp為CaSO4溶度積常數(shù)，X為鈣離子與硫酸根離子的濃度差 （mmol/L），由水中實(shí)測(cè)的Ca2+和SO42-的濃度，再計(jì)算出水中CaSO4實(shí)際含量c （c取Ca2+和SO42-的濃度的最小值mmol/L），將S與c進(jìn)行比較。

判斷標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)S<c時(shí)，存在結(jié)垢趨勢(shì)；當(dāng)S=c時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)；當(dāng)S>c時(shí)，沒(méi)有結(jié)垢趨勢(shì)。

Skillman熱力學(xué)溶解度法[9]計(jì)算簡(jiǎn)單，且預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際基本相符。在需要大體測(cè)算硫酸鈣的結(jié)垢傾向時(shí)，很受科研工作者的青睞。該方法的缺點(diǎn)也比較明顯：硫酸鈣垢容易受水中的離子的含量、成分、溫度及壓力等因素影響，此外多種晶體會(huì)在結(jié)垢過(guò)程中形成，并且溫度、壓力以及離子濃度的增加都會(huì)提高硫酸鈣的溶解的可能性。

2.2.2 硫酸鍶結(jié)垢的預(yù)測(cè)方法 Jaeques等[18]基于對(duì)Sr2+在氯化鈉水溶液中溶解性的研究，導(dǎo)出了壓力為689~20684 kPa、溫度為38~149 ℃、總離子強(qiáng)度為0~3.43的溶解性數(shù)字模型，求出了水樣中Sr2+與SO42-的濃度乘積與溶度積常數(shù)的比值，作為是否發(fā)生結(jié)垢的判據(jù)。

SrSO4的結(jié)垢趨勢(shì)的計(jì)算公式如下所示：

 

式中，S為Sr2+和SO42-的濃度積沉積，[Sr2+]為Sr2+的濃度，[SO42-]為SO42-的濃度。

SrSO4結(jié)垢趨勢(shì)的判斷方法：當(dāng)S>Ksp（SrSO4），有結(jié)垢趨勢(shì)；當(dāng)S=Ksp（SrSO4），處于臨界狀態(tài)；當(dāng)S<Ksp（SrSO4），沒(méi)有結(jié)垢趨勢(shì)。該方法原理簡(jiǎn)單，方便實(shí)用，可以用來(lái)預(yù)測(cè)SrSO4結(jié)垢趨勢(shì)的判斷。

2.2.3 復(fù)合硫酸垢的預(yù)測(cè)方法

 

油氣田結(jié)垢絕不是單一的，雖然有時(shí)某種垢物占主要成分，但往往是多種復(fù)合共生的垢物，因而對(duì)復(fù)合垢的預(yù)測(cè)十分重要。

Vetter等提出Vescal II模擬程序，該模擬程序旨在計(jì)算不相溶注入水與地層水混合時(shí)BaSO4、SrSO4以及CaCO3等復(fù)合硫酸鹽垢的產(chǎn)生趨勢(shì)。該程序能處理各種陽(yáng)離子競(jìng)爭(zhēng)同一陰離子 （SO42-） 的情況 （即共沉淀問(wèn)題），考慮了水的組成、混合比、溫度和壓力等因素的影響，可以預(yù)測(cè)油氣田不同部位 （如油氣藏、井底、井筒、井口及地面管線(xiàn)等） 的結(jié)垢。該程序的不足之處：一是假定成垢鹽所處的是NaCl環(huán)境中，而未考慮其他鹽類(lèi)。井下環(huán)境復(fù)雜，多種物質(zhì)會(huì)共同存在，互相影響；二是只考慮了微溶性的BaSO4對(duì)溶解性較大的SrSO4和CaCO3沉淀的影響，未考慮相反的影響，比如CaCO3對(duì)BaSO4沉淀的影響。

2.3 混合垢的預(yù)測(cè)方法

 

2.3.1 Oddo-Tomson飽和指數(shù)法 Oddo-Tomson飽和指數(shù)[22, 23]考慮了熱力學(xué)條件及離子強(qiáng)度進(jìn)行校正因素，還考慮了CO2的逸度及在油水中的分配，使用活度積、溶度積及離子締合理論建立了硫酸鹽和碳酸鈣結(jié)垢預(yù)測(cè)模型。該方法可預(yù)測(cè)任何生產(chǎn)井中在不同壓力、溫度下碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鍶或硫酸鋇微溶物的結(jié)垢傾向。其預(yù)測(cè)模型如下：

 

式中，Is是Oddo-Tomson飽和指數(shù)，[Me],[An],t,p,μ分別表示陽(yáng)離子活度、陰離子活度、溫度、壓力、離子強(qiáng)度。

判斷是否生成垢的標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)Is=0時(shí)，表示溶液與固體垢相平衡；Is>0時(shí)表示過(guò)飽和狀態(tài)，能形成結(jié)垢；Is<0時(shí)表示欠飽和狀態(tài)，不能形成垢。

Oddo-Tomson飽和指數(shù)法主要用于預(yù)測(cè)在不同壓力、溫度下，碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鍶或硫酸鋇微溶物的結(jié)垢傾向。這種方法的缺陷是，在碳酸鈣預(yù)測(cè)方面，由其具體表達(dá)式可以看出它需要大量的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，比如，氣相中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)，CO2的逸度系數(shù)以及液相中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)等，這些數(shù)據(jù)從集輸系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況來(lái)看不易得到。

2.3.2 飽和系數(shù)法 飽和系數(shù)法考慮了離子間的不同離子效應(yīng)、溫度、壓力、以及水體系的多元化對(duì)結(jié)垢的影響，并根據(jù)熱力學(xué)平衡原理，最終提出了針對(duì)復(fù)雜多元體系的結(jié)垢預(yù)測(cè)方法。對(duì)于實(shí)際存在的多個(gè)平衡，若水體系中某種成垢物質(zhì)的平衡方程式為：

 

成垢物質(zhì)AB的飽和系數(shù)S的計(jì)算公式如下：

 

式中，S是飽和系數(shù)，CA2+是A2+離子的濃度，CB2-是B2-離子的濃度，Qsp是AB溶度積常數(shù)。結(jié)垢的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是：當(dāng)S>1時(shí)，AB有結(jié)垢傾向；當(dāng)S=1時(shí)，處于飽和狀態(tài)；當(dāng)S<1時(shí)，體系中沒(méi)有AB結(jié)垢傾向。

3 結(jié)垢趨勢(shì)

 

監(jiān)測(cè)最早進(jìn)行結(jié)垢監(jiān)測(cè)方面的研究機(jī)構(gòu)是美國(guó)的傳熱研究協(xié)會(huì)[26]。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，各種污垢監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸興起，按照污垢在線(xiàn)監(jiān)測(cè)手段可以分為熱學(xué)法和非熱學(xué)法。

3.1 熱學(xué)法

 

3.1.1 溫差法 結(jié)垢的溫差表示方法是通過(guò)水管道的材質(zhì)和冷取水的進(jìn)出口溫差的變化來(lái)反映污垢的沉積情況。這個(gè)模型非常簡(jiǎn)單，讓一段污臟的流體流過(guò)一段管道，保持另一側(cè)的溫度均勻不變，污臟流體的流速和入口速度恒定，則污臟流體溫升的變化 （出口溫度的變化） 就反映了污垢的沉積狀況。

 

式中，在運(yùn)行過(guò)程中用終端差 （簡(jiǎn)稱(chēng)端差） Δt 的變化來(lái)描述冷卻水側(cè)換熱面的污臟程度。ts為管內(nèi)壁污垢表面溫度，tw,O為冷卻水出口溫度。隨著垢層厚度的增加，tw,O必然減小，而 Δt?t 增大。

該方法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單直觀，可以連續(xù)、實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)垢的沉積情況，是目前生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)實(shí)用的監(jiān)測(cè)結(jié)垢程度的方法。

但是，溫差法也有局限性。這種方法適合換熱器管道內(nèi)的結(jié)垢監(jiān)測(cè)，而且影響因素非常多，如熱流密度、冷卻水用量、工作設(shè)備等。因此，該方法的可信度較差，需要用其他方法對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)。

3.1.2 熱阻法 熱阻法的原理是利用污垢熱阻的變化來(lái)衡量污垢的生長(zhǎng)狀態(tài)的，是用潔凈與結(jié)垢狀態(tài)時(shí)管道表面的總的傳熱系數(shù)的變化來(lái)描述成垢量的變化。

Kuwahara等基于發(fā)電廠的運(yùn)作數(shù)據(jù)，提出了一種監(jiān)測(cè)熱虹吸再沸器污垢熱阻的方法，通過(guò)相關(guān)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與計(jì)算所得的數(shù)據(jù)一致。

Li等提出了一種實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠冷凝器污垢在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，基于操作原理和耦合效應(yīng)，建立了一個(gè)用來(lái)模擬燒煤發(fā)電廠運(yùn)作的ACMM模型。該模型在模擬計(jì)算發(fā)電廠的數(shù)據(jù)方面具有非常好的準(zhǔn)確性，而且還可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)控。所測(cè)的參數(shù)都是基于傳熱系數(shù)的溫度。對(duì)于不正常的污垢熱阻，該系統(tǒng)也會(huì)發(fā)出警報(bào)。

Izadi等提出冷凝器和中間冷卻器等一系列管狀熱交換器的污垢先進(jìn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。首先，建立了管式熱交換器中結(jié)垢熱阻的數(shù)學(xué)模型。該模型基于所考慮的熱交換器的應(yīng)用熱功率、內(nèi)部傳熱系數(shù)和幾何特性。所得到的模型是測(cè)量量的函數(shù)，例如水和管壁溫度、流體流速、以及管內(nèi)流體的一些物理性質(zhì)，如粘度、電導(dǎo)率和密度。其次，構(gòu)建了在線(xiàn)結(jié)垢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量了所選溶液的傳熱熱阻。通過(guò)碳酸氫鈉、氯化鈉、氯化鈣等污染物和碳酸氫鈉和氯化鈣的混合物實(shí)驗(yàn)，研究濃度和化學(xué)反應(yīng)對(duì)結(jié)垢的影響。不確定性分析表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可以接受的，實(shí)驗(yàn)裝置適用于測(cè)量工業(yè)應(yīng)用中的結(jié)垢熱阻。

Yang等提出了一種動(dòng)力學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)海水熱交換器中的海水污染過(guò)程。新模型結(jié)合海水污垢沉積和去除行為的表達(dá)公式采用Kern-Seaton模型。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型吻合良好，在不同條件下獲得參數(shù)。實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行SEM和EDX分析，結(jié)果表明，海水污垢的主要成分為氫氧化鎂和氫氧化鋁。通過(guò)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估了表面溫度、流速和表面自由能的影響，結(jié)果表明，隨著表面溫度升高到一定范圍，海水污垢加劇，海水污染熱阻隨著海水流速的增加而降低。此外，分析了金屬表面自由能的影響，表明降低表面自由能減輕了海水污垢的積聚。

這種方法的缺點(diǎn)比較明顯，測(cè)量比較困難。而且在污垢監(jiān)測(cè)的初始階段存在熱阻值出現(xiàn)負(fù)值的情況，其工程實(shí)用性差。

3.2 非熱學(xué)法

 

3.2.1 稱(chēng)重法 稱(chēng)重法是利用直接稱(chēng)重結(jié)垢的質(zhì)量來(lái)判斷結(jié)垢情況。Bott等為了研究析晶污垢，在測(cè)量設(shè)備上安裝一塊質(zhì)量極輕的、易于拆卸的沉積片，在不同運(yùn)行時(shí)間取下進(jìn)行干燥稱(chēng)重，獲取結(jié)垢量。王芳通過(guò)結(jié)垢重量法對(duì)延河水、地層水配伍性進(jìn)行研究，采用微孔濾膜過(guò)濾水樣得到沉淀，然后用分析天平稱(chēng)重，計(jì)算結(jié)垢率，進(jìn)一步分析和預(yù)測(cè)清、污混配的結(jié)垢趨勢(shì)。魏平方等采用沉淀重量法，對(duì)幾種市售除垢劑與自制新型除垢劑QX進(jìn)行了除垢效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，除垢劑QX是一種理想的硫酸鋇鍶垢除垢劑。該法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、直觀，對(duì)結(jié)垢量很大的體系非常實(shí)用。稱(chēng)重法常常用于實(shí)驗(yàn)室的研究，需要離線(xiàn)監(jiān)測(cè)，不符合現(xiàn)代工業(yè)高效、安全、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的原則。

3.2.2 石英天平法 石英天平法是稱(chēng)重法的發(fā)展。石英天平的發(fā)展始于上世紀(jì)60年代初期，它是一種非常靈敏的質(zhì)量檢測(cè)儀器，其測(cè)量精度可達(dá)納克級(jí)。石英晶體微天平利用了石英晶體的壓電效應(yīng)，將石英晶體電極表面因垢沉積導(dǎo)致的微小質(zhì)量變化轉(zhuǎn)化為石英晶體振蕩電路輸出的頻率變化，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算機(jī)等其他輔助設(shè)備獲得高精度的數(shù)據(jù)，即利用石英晶片對(duì)質(zhì)量的敏感實(shí)現(xiàn)結(jié)垢監(jiān)測(cè)。劉宗昭等采用電化學(xué)石英晶體微天平技術(shù)可以準(zhǔn)確而快速地對(duì)含聚合物采出水進(jìn)行碳酸鈣加速結(jié)垢評(píng)價(jià)。王虎等為深入分析碳酸鈣垢生長(zhǎng)規(guī)律和阻垢劑對(duì)垢生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的影響，使用電化學(xué)石英晶體微天平快速測(cè)垢的方法研究了施加的恒電壓、溫度、Ca2+濃度對(duì)碳酸鈣結(jié)垢的影響，評(píng)價(jià)了羥基乙叉二膦酸 （HEDP）、膦酰基羧酸 （POCA） 和氨基三甲叉膦酸 （ATMP） 三種阻垢劑的阻垢性能，并對(duì)結(jié)垢過(guò)程進(jìn)行了分段線(xiàn)性擬合。

石英天平法也有局限性，如成垢致密性低、易剝離，探頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的結(jié)垢監(jiān)測(cè)。此外，垢層增厚還會(huì)影響石英晶體薄片的壽命和靈敏度。

3.2.3 壓降法 美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)推薦采用的壓降法污垢監(jiān)測(cè)裝置來(lái)監(jiān)測(cè)冷卻水管道中的污垢。這種方法的測(cè)試原理是：當(dāng)流體流經(jīng)管道且摩擦系數(shù)變化不明顯時(shí)，由于結(jié)垢，流通截面縮小，引起的阻塞效應(yīng)就成為壓降的主要原因，壓降將隨污垢的積聚而增加。因此，只需要測(cè)量結(jié)垢前后管道的進(jìn)出口壓差，通過(guò)壓差的變化來(lái)反映污垢的沉積情況。

壓降法常配合溫差法和熱阻法進(jìn)行使用，共同監(jiān)測(cè)管道中結(jié)垢情況。林春光提出的溫差比較法和壓降比較法，無(wú)需監(jiān)測(cè)換熱器的流量，具有投資少、精度高、實(shí)施簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)，也適用于其它形式的換熱器。

3.2.4 超聲波檢測(cè)法 超聲波技術(shù)憑借其作用距離長(zhǎng)、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，成為了在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域新的發(fā)展方向。超聲波在管道中沿管壁傳播，相較其他傳播途徑，其衰減很小，傳播距離可達(dá)到幾十米乃至上百米。超聲波檢測(cè)法具有使用方便、快速、測(cè)量精度高、適用材料范圍廣以及實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)等諸多優(yōu)勢(shì)，在管道及換熱設(shè)備的污垢檢測(cè)方面有著很大的應(yīng)用前景。

馮丹龍對(duì)基于超聲導(dǎo)波的管道結(jié)垢檢測(cè)及去除技術(shù)進(jìn)行了初步研究，結(jié)合超聲導(dǎo)波對(duì)管道內(nèi)結(jié)垢檢測(cè)及結(jié)垢去除的原理，對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行分析，超聲導(dǎo)波在結(jié)垢層前端、結(jié)垢層后端以及管道尾端均會(huì)發(fā)生反射，結(jié)垢層前端的超聲導(dǎo)波反射信號(hào)可對(duì)管道內(nèi)結(jié)垢進(jìn)行定位，結(jié)垢層前后端的超聲波反射信號(hào)可用于估計(jì)結(jié)垢區(qū)域的長(zhǎng)度。結(jié)垢層前后端的超聲導(dǎo)波反射信號(hào)強(qiáng)度與結(jié)垢層的厚度存在一定關(guān)系。通過(guò)ABAQUS有限元軟件建立了基于超聲導(dǎo)波的管道內(nèi)結(jié)垢檢測(cè)的仿真模型。

孫靈芳等為解決化工換熱管道中傳統(tǒng)熱阻法無(wú)法實(shí)現(xiàn)污垢定量分析的問(wèn)題，提出采用超聲時(shí)域檢測(cè)法，結(jié)合ComsolMultipysics多物理場(chǎng)仿真軟件，對(duì)聲-固耦合加速度邊界進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，開(kāi)展化工換熱污垢管道超聲檢測(cè)瞬態(tài)傳播特性研究，實(shí)現(xiàn)污垢厚度特征定量提取。

馮國(guó)亮分析了超聲波技術(shù)的原理與特點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了超聲波發(fā)射接收電路，采用超聲波脈沖時(shí)域反射法進(jìn)行平板及管道內(nèi)的污垢的檢測(cè)研究。

超聲法的局限性也比較明顯，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，結(jié)垢層的分布不均勻、雜波干擾等使得超聲檢測(cè)的接收信號(hào)復(fù)雜，給反射波的時(shí)間差的確定造成了較大的困難。由于傳統(tǒng)的污垢監(jiān)測(cè)熱力學(xué)方法信度低，Yang等提出了超聲回波法監(jiān)測(cè)污垢。通常，設(shè)備的污垢層薄，回波重疊和混亂，難以從信號(hào)中提取特征。引入逆濾波方法將難以區(qū)分的延遲信息在時(shí)域上轉(zhuǎn)換為頻域信息。然后采用高階累積量與MUSIC頻譜估計(jì)結(jié)合的信號(hào)處理方法，實(shí)現(xiàn)了污垢回波信息提取。模擬信號(hào)和實(shí)際信號(hào)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

超聲法的優(yōu)點(diǎn)在于適用于對(duì)油氣管道內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)分層裂紋敏感，容易判定厚度方向上的缺陷部位，被檢物厚度上限制很大，裝置小、輕便，響應(yīng)快速，成本低，易于管理和自動(dòng)化。其缺點(diǎn)是對(duì)于鑄件和焊縫以及密集氣孔、縮孔、氣孔、焊縫鎖孔、夾渣等缺陷檢出相對(duì)射線(xiàn)照相法較差。

3.2.5 紅外檢測(cè)法 紅外檢測(cè)由于其非接觸、無(wú)損傷、可靠性高等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。紅外技術(shù)根據(jù)溫差來(lái)進(jìn)行測(cè)量，由于結(jié)垢管道傳熱存在溫度差，可以用溫度差的大小來(lái)判斷污垢的有無(wú)、厚度和大小。

康文秀等利用紅外測(cè)溫技術(shù)獲得長(zhǎng)圓筒形、球形熱設(shè)備外表面的溫度分布，即可計(jì)算出內(nèi)壁污垢層的厚度分布，從而為此類(lèi)熱設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。但是，其假設(shè)的條件是污垢為均勻地生長(zhǎng)在管壁上，這是一種理想狀態(tài)。所以，還需要根據(jù)具體的情況進(jìn)行相應(yīng)的修正。

3.3 其它方法Chen等研發(fā)了一種水處理微濾過(guò)程的集成式污垢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用光學(xué)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，原位監(jiān)測(cè)污垢層的結(jié)構(gòu)、厚度以及膜過(guò)濾的水質(zhì)。但是，目前仍處于試驗(yàn)階段，應(yīng)用與實(shí)際生產(chǎn)還有一段很長(zhǎng)的距離。

Zhao等提出了一種使用低成本和日常可用的船上冷卻器監(jiān)測(cè)冷凝器結(jié)垢狀態(tài)的方法 （虛擬污垢監(jiān)測(cè)傳感器）。所提出的虛擬污垢監(jiān)測(cè)傳感器能在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)各種工作運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。此外，所提出的虛擬污垢監(jiān)測(cè)傳感器也在實(shí)驗(yàn)室以外的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)施和評(píng)估。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，所提出的方法為檢測(cè)冷凝器中的結(jié)垢故障提供了良好和穩(wěn)健的保證。所提出的方法很有可能被實(shí)現(xiàn)，從而成為單獨(dú)的結(jié)垢監(jiān)測(cè)傳感器工具，并結(jié)合在商用冷卻器FDD（缺陷檢測(cè)與診斷） 工具中，或嵌入在機(jī)體上的控制系統(tǒng)中以自動(dòng)監(jiān)測(cè)冷凝器結(jié)垢狀態(tài)。

Zhang等應(yīng)用激光檢測(cè)的方法并結(jié)合SI指數(shù)，研究了中東油田蒸汽驅(qū)裝置中的CaSO4結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)問(wèn)題。激光穿透待測(cè)溶液試樣中，通過(guò)檢測(cè)探頭接收的激光信號(hào)強(qiáng)度來(lái)探討CaSO4結(jié)垢成核動(dòng)力學(xué)機(jī)理。該方法可以量化結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，還可以?xún)?yōu)化阻垢劑的處理方案。

目前管道污垢監(jiān)測(cè)裝置自動(dòng)化程度較低，進(jìn)一步改進(jìn)其測(cè)量原理，創(chuàng)新測(cè)試方法，將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到污垢監(jiān)測(cè)設(shè)備，提高其自動(dòng)化水平是其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

 

4 結(jié)論與展望

 

通過(guò)對(duì)油田注水結(jié)垢機(jī)理和垢晶分析，討論了結(jié)垢量、結(jié)垢周期及結(jié)垢部位對(duì)管道的危害性。此外，本文還對(duì)管道結(jié)垢的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法和結(jié)垢預(yù)測(cè)模型做了一些回顧。要點(diǎn)如下：

（1） 建立科學(xué)的模型必須對(duì)結(jié)垢機(jī)理進(jìn)行深入研究，還應(yīng)考慮結(jié)晶動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)等因素對(duì)結(jié)垢的影響。

（2） 數(shù)學(xué)模型的建立。根據(jù)結(jié)垢機(jī)理建立相應(yīng)模型及化學(xué)方程，模型的求解構(gòu)成復(fù)雜的數(shù)值模擬，可采用數(shù)值計(jì)算的迭代原理。按照最優(yōu)化理論合理選用初值，向真值逐步逼近。

（3） 形成相關(guān)的預(yù)測(cè)軟件。作為軟件系統(tǒng)要具備如下功能：準(zhǔn)確計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果，可靠度高，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)、操作簡(jiǎn)單。各油氣田應(yīng)將預(yù)測(cè)理論與油氣田水質(zhì)、溫度、壓力、含鹽量及酸堿度等情況相結(jié)合，選用或提出適合于本油氣田的結(jié)垢預(yù)測(cè)方法。

 

（4） 采用簡(jiǎn)便無(wú)損的方法來(lái)監(jiān)測(cè)管道結(jié)垢趨勢(shì)是十分必要的，結(jié)合電化學(xué)和聲學(xué)、光學(xué)等多種方法的組合，來(lái)感知水質(zhì)結(jié)垢的嚴(yán)重程度，預(yù)測(cè)結(jié)垢位置，對(duì)于提高管輸效率降低能耗是十分重要的。