谢 辉
（大庆油田有限责任公司第五采油厂工程技术大队，黑龙江 大庆 163000）
摘 要：目前，对油田生产中设备及管材成垢原因的常规研究方法为实验测量法，该方法往往受到模型尺寸、实验精度等方面的限制，此外需要一定的人力、物力、财力的支出，以及施工周期长等困难，计算流体力学方法恰好弥补了单纯实验测试和单纯理论分析的不足，可以形象地再现流动情景。本文对不同流速、温度下盐垢进行模拟，获得成垢的机理及主要影响参数。同时大大降低研究周期和工作量，并具有预测的前瞻性，对生产现场有指导意义。
关键词：计算流体力学；油田污垢；生成机理
1 问题的提出
近年来，油田配套设施的腐蚀、结垢问题表现得日趋突出。严重影响正常生产和设备使用寿命。管道结垢后使管道缩径，流通截面积变小，造成压力损失及管道堵塞；设备结垢影响运行时率，降低处理效率。同时，这些垢物为细菌提供了很好的繁殖环境，加快了设备的腐蚀速度，给油田的正常开发带来一定影响。因此，防垢措施研究对油田开发有重要的现实意义。
目前解决设备污垢主要有化学法、物理法等除垢技术。虽然具有清洗方便、影响生产时间短等优点，但是清洗效率低、效果差且保持时间短。杏西联含油污水深度处理站及新肇联含油污水深度处理站采用溶气气浮进行悬浮物和油类分离，建设规模分别为 25m3/h 和 20m3/h，溶气泵排量为4m3/h。应用过程中发现，溶气泵体内锈蚀结垢严重，运行 2～4 个月左右需要进行拆卸清洗。
齐北一联热水站内管线及设备结垢严重。一是运行管线规格为 DN200，管内结垢层厚已达 70mm，可用管径仅为 DN50左右，影响管线正常通过量；二是热水炉盘管结垢严重，每年酸洗 3～4 次，酸洗后温度仍只达到 60℃左右，不能满足洗井水温度要求（80℃～90℃）。
2 除垢技术现状
2.1 化学除垢
化学除垢是通过化学药剂的作用使被清洗设备中的水垢溶解、疏松、脱落或剥离。对于管线一般采用在管线中添加阻垢剂或软化剂的方法，来阻止或延缓管线的结垢，延长管线的使用时间。
所有的化学处理方法都存在一个共同的缺点：使用的阻垢剂和除垢剂，受水质和环境的不同，需要有针对性的研制不同的化学配方。同时也会对设备和管线造成腐蚀,对环境造成污染。
化学除垢的主要缺点有以下四方面：
一是化学除垢会引起设备腐蚀，缩短设备的使用寿命；
二是添加了化学药剂的流体排放时会污染周围环境；
三是化学药剂损害操作人员的健康；
四是化学阻垢和除垢需要投入大量的人工和药剂费用。
2.2 物理除垢
物理除垢主要包括高强声机波除垢法、高压水射流除垢法、机械除垢法等。物理除垢最大的优势是对环境、地层体系无污染，对设备无腐蚀，对人体无健康危害，但除垢范围受限制，往往只能针对于地面管线进行除垢。
（1）高强声机波除垢法: 利用声激仪产生高强声激波震掉、击碎较松散的垢物，最终随液流带出地面、流出管道。该方法只适用于较松散的垢物，对致密坚硬的垢物并不奏效。
（2）高压水射流除垢法：以清水为介质，利用高压泵使水形成高压，作用与被清洗的管壁表面，达到清洗除垢的目的，该方法具有对环境无污染，劳动强度小等优点。
（3）机械除垢法：是利用铣刀和类似的切削工具，对系统器壁施加一个力进行刮蚀除垢，但铣刀等切削工具在作业的过程中会损害管柱的完整性，而且它们的尺寸受到限制，因此它只适用于直管、无阻塞的管道，不适合不规则的管道。
3 CFD 技术及应用
以上方法虽然存在不同的特点及适用性，但是清洗效率低、效果差且保持时间短。有必要进行除垢措施研究，前提是弄明白结垢机理。
目前常采用实验测量方法来了解成垢的原因，然而往往受到模型尺寸、实验精度等方面的限制，此外需要较大的人力、物力、财力的支出，以及施工周期长等困难，CFD 技术恰好弥补了单纯实验测试和单纯理论分析的不足，可以形象地再现流动情景。
3.1 CFD 技术介绍
CFD 是计算流体动力学的简称。简单地说，CFD 相当于“虚拟”地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。该方法从成垢机理出发，对影响成垢的诸多参数进行数值模拟，模拟结果明晰、省时、省力，并可完成多参数模拟，从而具有广泛的适用性。CFD 方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系。
3.2 CFD 技术应用
对杏西联气浮装置进行现场取样，共取得四点，分别是气浮装置进口样液、气浮装置出口样液、气浮处理过程中样液、电脱水器出口样液。并进行了水样分析，得出水样 pH值及各元素含量。通过化验分析，水质总体呈现弱碱性，其它离子含量可为数值模拟提供相应的边界设定条件，更真实的反应现场生产效果。
（1）建立物理模型
物理模型采用内直径d=20mm，管长L=500mm，壁厚为5mm 的光管。画网格如图 4 所示。
（2）模拟工况
影响污垢沉积的因素很多，但最主要的还是流体的流速和流体的温度。流体的温度主要是影响流体中 CaCO3的扩散速度和溶解度，而影响流体的温度的因素主要是流体与壁面的换热。
所以模拟工况主要从流体的流速和流体的温度两个方面进行设计的。
流速分别为：0.1m/s，0.2m/s，0.5m/s。入口流体温度为：300K，320K。根据表 1 可知入口 CaCO3的浓度为 15.2mg/L。
（3）模拟结果
首先 T 液=300K，在入口流速分别为 0.1m/s，0.2m/s，0.5m/s 的工况下进行模拟，管内温度场分布如图 5 所示，从 3 个不同流速下温度分布图的对比可以看出：管内的平均温度随着入口流速的增加是逐渐降低的，而沿着管道长度上是逐渐增加的，这与理论分析和实际情况都是吻合的。由于CaCO3的溶解度随着温度的升高单调递减，因此，入口流速越大越不易结垢，入口流速越小，结垢越严重。
其次 T 液=320K，在入口流速分别为 0.1m/s，0.2m/s，0.5m/s 的工况下进行模拟，管内温度场分布如图 6 所示，和图 5 进行对比发现管内温度变化趋势相同，T 液=320K 管内温度变化缓慢，但温度高，所以结垢多。
4 几点认识
一是油田配套设施的腐蚀、结垢问题表现得日趋突出，严重影响正常生产和设备使用寿命，防垢措施研究对油田开发有重要的现实意义。
二是生产中污垢主要以 CaCO3为主，系统中温度越高结垢越严重，而温度与流速有一定关系，流速越大温度越低，越不易结垢。
三是 CFD 方法可以获得成垢的机理及主要影响参数，同时大大降低研究周期和工作量，省时省力，并具有预测的前瞻性，对生产现场有指导意义。
四是 CFD 方法通用性强，可适应复杂的几何形状和边界条件，有较多的灵活性，与室内实验相比更吻合生产要求。在今后的研究工作中应进一步深入开展，并有一定的推广前景。
注：
1.文章转载自《化学工程与装备》2016 年 第 1 期
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附：
量子管通环，为物理水处理法
在阻垢、缓蚀上有化学法所无法比拟的优点，只要水能够达到的地方都能够进行处理，特别是化学法无法很好处理的一些高温设备和水流死角。 而量子管通环的阻垢、缓蚀性能好坏只与它定制的振动波有关系， 水质本身对处理效果的影响并不大，所以，对水汽车间高碱度、高硬度循环水的阻垢、缓蚀处理可以尝试使用量子管通环。
量子管通环由特种合成材料（硅和铝等）组成，是一种在亚原子级能够稳定储存和记忆及释放量子信息（超精微振动波）的高科技产品。
德国 IAB 公司利用 LPL 激光振动技术将超精微振动波刻录到量子管通环中， 在量子管通环安装于管道上的瞬间， 超精微振动波即被持续恒量地释放出来，透过管壁传入水中。水接纳这种振动波并将其按水流方向传播开， 其速度远远高于水本身的流速， 就连管路中很少流动的死角也被载上这种振动波，在振动波的作用下，水的活性得到极大加强，大的水分子团变成小的分子团，甚至单个的水分子，溶解和包含垢的能力增强，对已形成的锈/垢进行分化瓦解。
同时，超精微振动波作用于水中的钙、铁、镁等相关物质，使其物理特征发生改变。
比如碳酸钙晶体的微观结构从针晶状（比表面积大，容易吸附成团形成致密的硬垢）变为圆球状（比表面积小，晶体之间不容易吸附），在有水流的情况下被带走，在静态的水中呈软絮状沉淀于容器底部，而不易板结成硬垢。新安装的管道不会结硬垢、生锈或长菌藻，旧管道中的原有锈蚀、老垢等也逐步溶解消除，并最终在管道内壁形成保护性氧化层，管道内壁不再出现腐蚀。
通过以上对量子管通环作用原理的分析， 其功能特性比较适合处理水汽车间高碱度、高硬度循环水。
量子管通环应用于管道上
量子管通环应用于板式热换器
量子水处理技术作为一种全新的防垢，缓蚀，除菌藻，清洁、环保水处理技术，具有其他方法所不能比拟的特点:
(1)主要试剂是“超精微震动波”，不需要添加任何化学试剂，不会产生二次污染，自然环保;使用期间不仅能达到阻蚀、除垢除锈、杀菌灭藻的效果，而且长时间保持稳定。
(2)安装简便:没有电源，不用切割管道，两个半环用螺栓紧固即可，对现有管道系统不造成任何影响，是目前所有除垢装置中安装最为简便的。
(3)零维护、运行费用:一旦安装即不用任何检测和维护，不用电源，无人工、药剂、检测等运行费用。
(4)节能节水效果好:由于结垢，管路系统热传导效率降低最多可达50%以上，系统补充用水量可高达1倍以上，能源消耗增加可达10%以上。
(5)延长系统使用寿命:对管路系统在内壁形成保护膜，若管道外无腐蚀，理论上管道寿命将无限期延长。
(6)效费比高:在达到药剂处理同等效果的条件下，综合考虑节省人工、药剂、维护、能耗、延长管道寿命等因素，其效费比是传统化学除垢方法的3～10倍。
