结垢预测
郑雅-淖尔油田结垢预测
淖尔油田结垢预测郑雅（采油工艺研究院油田化学研究室）摘要：对结构预测技术发展进行研究，并针对Oddo-Tomson饱和指数法预测油气田结垢的预测只能预测结垢趋势的缺陷，使用OLI ScaleChem垢化学分析系统对淖尔油田结垢趋势进行预测，得到最大结垢量和垢的物相成分等各方面数据，从而为下一步防腐阻垢工作提供更准确的数据参考。
关键词：结垢预测技术、结垢预测的发展、ScaleChem垢化学分析系统引言油水系统中的许多问题都是由结垢引起的。
严重的结垢将会堵塞地层孔隙或裂缝、炮眼、井筒、地面管线和集输设备，阻碍油气生产，并造成一系列生产事故，从而大大降低开采的经济效益和社会效益。
管道的腐蚀与管道的结垢有密切的联系，结垢对油田生产管道的腐蚀有促进作用，结垢区域一般也是严重点蚀现象的发生区。
此外，结垢为SRB（硫酸盐还原菌）的繁殖提供了极其有利的条件，结垢使缓蚀剂与金属表面难接触成膜，使缓蚀剂达不到应有的效果。
结垢还会降低注水管道和油管的输送能力，严重时还会引起管道和设备的堵塞。
淖尔油田自投入开发生产以来，随着油田含水量的不断上升，特别是自1997年以来，注水、集输系统的腐蚀结垢问题逐渐暴露，并且日趋严重。
深入系统地研究油气生产过程中井筒和集输管线的结垢和腐蚀机理，找出影响其结垢和腐蚀状况的主要原因，探讨其有效的防护措施或预测手段，作好油气生产系统的结垢和腐蚀防护工作将产生巨大的经济效益和社会效益。
结垢预测是开展阻垢工作的关键步骤，过去使用的Oddo-Tomson饱和指数法只能预测油气田无机垢的结垢倾向，不能进行定量的分析，因此，本文就此问题使用ScaleChem垢化学分析系统对淖尔油田结垢趋势进行预测。
1 油气田结垢机理概述1.1结垢的形成一般可分成下面4 步:第1 步:水中离子结合形成溶解度很小的盐类分子,包括碳酸钙、硫酸钙、碳酸钡、硫酸钡、碳酸镁、硫酸镁和硫酸锶。
第2 步:结晶作用,分子结合和排列形成微晶体,然后产生晶粒化过程。
结垢预测
结垢预测结垢机理研究1.1 理论分析水垢一般都是具有反常溶解度的难溶或微溶盐类，它具有固定晶格，单质水垢较坚硬致密。
水垢的生成主要决定于盐类是否过饱和以及盐类结晶的生长过程。
水是一种很强的溶剂，当水中溶解盐类的浓度低于离子的溶度积时，他将仍然以离子状态存在于水中，一旦水中溶解盐类的浓度达到饱和状态时，设备粗糙的表面和杂质对结晶过程的催化作用就促使这些饱和盐类溶液以水垢形态结晶析出。
水垢的种类有很多，但通常油田水中只含有其中少数几种水垢。
最常见的水垢有碳酸盐类水垢，组成为CaCO3、MgCO3，但易被酸化去除，危害相对较小；而硫酸盐垢，组成成分有CaSO4、BaSO4、SrSO4，常常采用防垢方法加以阻止；铁化物垢组成为FeCO3、FeS、Fe（OH）2、Fe2O3。
实际上一般的结垢都不是单一的组成，往往是混合垢，只不过是以某种垢为主而已。
表2-13 常见垢的溶度积垢溶度积垢溶度积BaSO4 1.1×10-10SrSO4 3.2×10-7CaCO3 2.8×10-9FeS 8.3×10-13CaSO49.1×10-8FeCO3 3.2×10-11MgCO3 3.5×10-8Fe（OH）28.0×10-13注：溶度积温度为18～25℃（1）不相容论两种化学不相容的液体（不同层位含有不相容的离子的地层水、地层水与地面水、清水与污水）相混，因为含有不同离子或不同浓度的离子，就会产生不稳定的、易于沉淀的固体。
如宝浪油田，两个不同层位的水一混合就结垢，主要是因为一层含有SO42-，另一层含有Ba2+、Sr2+较多，混合后就生成BaSO4、SrSO4。
（2) 热力学条件变化当井下热力学和动力学条件不变时，即使有不相容的离子，并且为过饱和溶液也会处于稳定的状态。
在油井生产的过程中，压力的下降，温度的上升或流速的变化，均会导致高矿化度水结垢。
注水井井筒中碳酸钙结垢预测
为井深, m; $和 E分别为注水管管壁的绝对粗糙度
和相对粗糙度; R eN 为流动雷诺数; Qm 为水的密度, m3 / s; Lm 为水的黏度, P a# s。
设 p0 为地面泵压, 则井下压力为 pw = p0 + Qmg (H w - H K ) @ 10- 6.
114 注水井中 pH 值的计算
杨肖曦 1, 赵 磊2, 张丁涌 2, 谭红旗3
( 1. 中国石油大学 储运与建筑工程学院, 山东 东营 257061; 2. 胜利油田 现河采油厂, 山东 东营 257068; 3. 中国石油工程建设公司, 北京 100011)
摘要: 以注水井井筒为研究对象, 根 据注水沿井筒 的流动过 程与地 层间的 传热过 程, 将传热学 理论和 结垢预 测技术
式处理的对流热阻、套管壁导热热阻和水泥环的导
热热阻, m # e /W; R f 为地层 热阻, 这是一 无界热 阻, 其值与加热 ( 或冷却 ) 的作用时间有关; Ke 为环 形空间流体的当量导热系数, 按有限空间自然对流
公式计算求得; r 为水泥环的外半径, m; a 为地层的 导温系数或热扩散系数, m2 / s; Kf 为地层的导热系 数, W / ( m2 # e ) ; S为加热 (或冷却 )作 用时间, s;
油井结垢预测技术研究
油井结垢预测技术研究【摘要】油井结垢会导致油气生产受阻，影响经济效益和社会效益。
本文针对胜利油田实际情况，开展了结垢预测技术的研究，建立起油井结垢的数学模型，预测系统可以预测油井结垢趋势、结垢类型、最大结垢量、结垢位置等重要参数，经验证具有较高的准确性和可靠性，可用于分析现场油井结垢情况，为防垢提供一定的指导意义。
【关键词】结垢预测研究1 前言油井结垢会使地层通道和管道截面积变小，设备处理能力降低，增加能耗，结垢产物也会增加对油层的损害程度，阻碍油气生产，从而大大降低开采的经济效益和社会效益。
因此，对油井结垢的预测越来越重要。
针对胜利油田实际情况，研究油井结垢机理、影响结垢的因素，为结垢预测技术研究提供理论基础。
通过预测技术的研究，可以预测油井结垢趋势、结垢类型、最大结垢量等重要参数，以便于采用最有效的防垢措施达到最佳的防垢效果，以提高油井开采的效益。
本文通过实验分析和理论指导，建立起油井结垢的数学模型，逐步优化并应用于现场，以确定具有较高的准确性和可靠性，可用于分析现场油井结垢情况，为采用适当的阻垢措施具有重要的指导意义。
2 油井结垢预测技术研究2.1 结垢预测油井结垢预测主要采用Stiff--Davis的饱和指数（SI）法。
预测公式为：SI—稳定指数，如果是负数，那么表示水中碳酸钙未达到饱和，也就不大可能结垢，如果为正值，就可能结垢2.2 最大结垢量预测最大结垢量指的是在产出水中离子在井口条件下达到平衡时单位体积内所能产生的结垢数量。
最大结垢量的计算常常采用以下公式。
当PTB＜0时无垢；当0＜PTB＜100时产生很少的垢；当100＜PTB＜260时产生的垢较多且比较硬；当PTB＞260时，产生严重的垢。
2.3 结垢位置预测饱和指数方法可以预测在任意温度和任意压力下某溶液体系的结垢趋势，即可以判断在某温度和压力条件下，某溶液体系是否会生成CaCO3垢。
根据油井生产的要求，预测模型应该能够较准确预测油田生产系统中结垢的位置，即解决在什么位置会结垢的问题。
出砂、结蜡、结垢及腐蚀预测和防护措施技术思路
出砂、结蜡、结垢及腐蚀预测和防护措施技术思路1、结蜡预测及防护措施一、技术思路：根据油气井地质油藏特征、构造特征及岩石特性等，进行出砂机理研究，找到出砂主要影响因素，应用相关软件进行出砂预测，找到易出砂层段。
在以上研究的基础上，进行合理生产制度研究，给出合理的生产压差；应用粒度分析资料进行防砂筛网目数的预测，从而达到防砂的目的。
二、技术路线三、研究内容：1.出砂机理研究包括岩石力学性质及其影响因素进行研究，如岩石强度、岩石成分、结构特征及粘土矿物特征等。
2. 出砂影响因素分析（1）内因：油藏物性、地质构造、岩石特性等；（2）外因：完井、油保、开发参数及生产阶段等。
3.油气井出砂预测综合出砂机理研究及主要影响因素分析，应用相关专业软件，可以对油气井各产层进行地层强度预测，找出易出砂层段。
4.防砂研究（1）合理生产制度研究：在以上研究的基础上，应用相关软件计算地层强度，给出合理的生产压差。
（2）对防砂方法、防砂工艺参数优化提供技术支持；可以用多种方法对防砂筛网目数的预测，包括岩心粒度分析资料与测井GR 资料拟合确定粒度中值、岩屑/岩心粒度分析对比确定粒度中值、粒度分析与测井孔隙度/渗透率拟合确定粒度中值。
（3）对防砂井进行产能预测与评价。
2、结蜡预测及防护措施1）结蜡通过对储层流体特征的地面和地下研究，分析蜡的类型，探讨结蜡的机理。
对地层、井底和管线的结蜡趋势进行预测，并提出切实可行的防垢措施。
分析项目：原油含蜡、凝固点、析蜡点、蜡分布、PVT等分析技术路线研究内容（1）储层流体分析，包括油气田的地质概况、油气水分析资料和蜡类型研究（2）结蜡机理研究，包括温度压力以及溶解气对蜡的析出机理和影响因素分析研究。
（3）预测结蜡趋势，包括井筒结蜡预测、管线中结蜡预测。
（4）提出防蜡及清蜡建议，包括机械清蜡和化学方法防蜡。
3、结垢研究思路通过对储层流体特征的研究，分析成垢的类型，探讨结垢的机理。
运用多种预测方法对地层、井底和管线的结垢趋势进行预测。
油田结垢预测及防垢技术研究
中图分 类号 ： Ｔ Ｅ ３ ５
文 献标 识码 ：Ａ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一 际
地层结 垢预测 方法 阴离子 ，那么 只要这 两种水 混合 ，离子最 具 有 代 表 性 的 预 测 模 型 包 括 ：１ ９ ５ ２ 终 浓度达 到过饱 和状态 ，就会 产生 结垢 。 年 Ｓ ｔ ｉ ｆ和 Ｄ ａ ｖ ｉ ｓ ，１ ９ ６ ９年 Ｓ ｋ ｉ ｌ ｌ ｍ ａ ｎ ，１ ９ ７ ０ 所 以在 注水开 发过程 中 ， 对一 般 的循 环水 ， 年 Ｖ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ和 Ｐ ｈ ｌ ｉ ｌ ｉ ｐ ｓ ，１ ９ ８ ２年 Ｏ ｄ ｉ ｔ ｏ和 可 以采用 软化水 的方 法 ，以减少或 除去成 Ｔ ｏ ｍ ｓ ｏ ｎ ，１ ９ ８ ９年 Ｔ ｏ ｄ ｄ和 Ｙ ｕ ａ ｎ等 。 早 期 垢 离子 。 预 测 方 法 简 单 ，使 用 方 便 ，但 忽 略 了压 １ － ３ 增 大油水 流在 管 内的流速 力 、 温度 、离 子 强 度 以 及 其 它 因 素 ，使 在 流 体 流 速 高 的 时候 ，盐 的沉 淀 过 应用 的有效 性受 到影 响 。１ ９ ９ ４年 Ｏ ｄ ｄ ｏ 和 程 可 以延 缓 ，这是 由于过饱 和溶液 在工艺 Ｔ ｏ ｍ ｓ ｏ ｎ在 以前 的基 础上 得 到 了更 完 善 的 设 备 中停 留时 间缩短 以及微 晶在设 备 内表 预测模 型 。我 国专 业人 士也编 制了许 多预 面 附着强 度有所 下降 的缘故 。可 以用这种 测软 件 ，如袁 明东 等人 的迭代 法 ，吉 林油 方 法保护 个别 区段 ，例如油水 井 ，但是不 田的 Ｐ Ｉ Ｏ Ｓ ，Ｊ Ｈ Ｃ Ｐ Ｓ 软 件 及 朱 义 吾 等 人 的 能 避免整 个工艺 循环 中后边 和前边 区段 的 Ｓ Ｄ Ｃ Ｑ Ｐ Ｃ系 统 ，都 是 比较 出色 的软件 。 结 垢 ，增 加了水 力损耗 。 二 、油 田常见 防垢 方法 １ ． ４ 采 用 内表 面有 涂层 的管子及 设备 １ 工艺 法 采用内表面有涂层 （ 如 玻 璃 钢 、特 工 艺 法 防垢 措 施 对 于 一切 可 能 结 垢 种 漆等 ）的油管 ，这是 转移 结垢点 的局部 的流 体环境 都有其 特点 和功效 。但是 ，从 措施 ，在某 些重 要部件 上 ，如 沉没泵 ，可 垢物形 成 的外部条 件来看 ，采用 工艺法 是 以采 用这 种薄膜 涂层 ， 会 收到 明显 的效果 。 有效 的也是 必要 的。 １ ． ５ 增 加沉没 泵 的下 放深 度 工艺法的具体措施有 ： 杆 式 泵或 者 电动 沉 没 离 心泵 下 放 到 ① 正 确选 用 注 水水 源 ，确 保 注入 水 最 大深度 时多数 情况下 都能显 著地 减少这 与地层 水在 化学性 质上配 伍 ，这 就要求 事 些 装 置 里 的 结 垢 。 因为 这 个 时 候 ， 由于 先对地 层水进 行必要 的化 学测试 ，掌握有 沉 没深 度 的增 加而 引 起泵 区压 力 的提 高 ， 关性 质数据 ； 即使 在高 温条件 下也可 以避免 水 的蒸 发和 ② 控制油 气井投 产流 速和生 产压差 ， Ｃ Ｏ ， 的释放 。 以免 因此而加 快垢 物形成 和生长 ； ２物理 法 ③ 封 堵采 油井 中 的大小 层 段 ；采用 影 响 结垢 的 因 素有 温度 、压 力 、水 有 套层 的装置 及管柱 ； 中含盐 量 、 ｐ Ｈ值 、成 垢 离子 浓 度 以及 水 ④ 提高管 内油水 液流 速度 ； 的流 动状态 、管线 形状 以及其 它环境 条件 ⑤ 人 为地 使井 中油水 混 合 液形 成紊 等 ，我们可 以控制 其 中的某些条 件 ，就可 流状态 ； 以改 变盐垢 的析 出程度 。 从设计 角度来 说 ， ⑥ 加深泵 挂深度 ； 输油 管线 的内壁应 光滑 或施 以涂 层 ，减 少 ⑦ 把尾管 下至油 层底部 。 弯管 ， 增 加水 的流速 等 。 采用 磁场 、电场 、 具 体实施 时 ，以上工 艺法各有 利弊 ， 声波 以及其 它组合 处理 产出注入 水 。 不 可多 种措施 同时使用 ，应 根据油 田的实 ２ ． １ 磁 防垢技术 际情况酌 情选用 。 水 的磁 处 理 方 法 比较 广泛 的应 用 于 １ ． １ 油水混 合物在 井 内紊 乱 各种 热交换 装置 和供 水 系统 中 ，以 防止 形 可 以 使 体 系 更均 匀 化 ，避 免水 相 与 成致密 的无 机盐沉 淀物 。无 论装 置与设 备 管 子 ，设 备表 面的直接 接触 ， ． 从而 减小 了 的结构 特点 如何 ， 磁 处理 水 的本 质都在 于 结 垢 的可 能 性 。该 方 法 只 有 形 成油 包 水 使液体流经一个或者几个磁场 ，因此 ，实 型 双相混合 物 时才有效 ，采用 专用 喷嘴 ， 施的工 艺流程 非常简 单 。前 苏联 阿塞拜 疆 阻流器等即可形成紊流。不足之处是随着 石油科 学研 究设计 院研制 了一种 磁处理 装 Ｃ Ｏ 的放 出 ， 相应 地 降低 了碳 酸盐稳定 性 ， 置 ，它建立 了多级顺 序相 接 的磁 力线 ，这 所 以液体 可能 脱气 。 些磁力线 极性 交错 。装 置的各部 件呈 圆筒 １ ． ２ 有 选择 地封堵 出水层 和夹层 形，它们保证了磁场强度在工作间隙中均 用 来 限 制那 些 混 合 时 能 出 现强 烈 结 匀分 布 ，同时还保证 了混合 物在 所有工 作 垢 的水 流 ， 如果 能够避 免不相 容 的水 混合 ， 间隙 中等速 运动条件 下 的水力磨 阻最小 。 就 可以 防止产 生不溶性 的沉 淀物 。如果一 ２ ． ２ 电极 脉冲技 术 种水 高含成 垢 阳离子 ，另一种 水高含 成垢 带 电离 子 在 直 流 电 场作 用 下 在 一 定
油田水碳酸钙结垢预测及实验验证
２ ４ 压 力 的 影 响 ．
在 两相 系统 中 ，碳 酸钙溶 解度 随压力 的增 大而增 大 。蒋 官 澄等 人对 大 港 油 田采 油三 厂 ［ 做 了研 究 ， ４
在保持 其它 因素不 变 的条件下 ，注 水压力 １ ａ逐 渐增 加 到 ３ ＭＰ 时 ，在 现场 压 力 范 围 内 ，结垢 量 随 ＭＰ ５ ａ
第 ３ 卷第 １ ２ 期
管丽等 ：油 田水碳酸钙结垢预测及实验验证
２ ３ 温 度 的 影 响 ．
与 大多数物 质 的性 质相 反 ，当温度 增高 时 ，碳 酸钙 的溶解 度降 低 ，即水温较 高时 就会结 更 多的碳 酸
钙垢 。陈小 砖等 人进行 了模 拟实验 ，来 考察 流体温 度对碳 酸钙 结垢过 程 的影响 ，从得 到的 实验结果 来 看 ，温度影 响 了水 垢热 阻 ，即流体 温度越 高 ，溶液 的稳定 时间越 短 。
值 。水 中三种碳 酸在平 衡时 的浓度 比例 与水 的 ｐ 值有 完全 相应 的关系 。水 在 ｐ 值 较高 时就 容 易产生 Ｈ Ｈ 更 多的碳 酸钙沉 淀 ，反 之不 易产生 沉淀 。
［ 收稿 日期］２ ０ —１ ０ ９ ０—１ ３ ［ 基金项 目］国家大学生创新性试验计划项 目 （ ８ ０８ ０ ） ０ １ ４ ９８ 。 ［ 作者简介］管丽 （９ ８一 ，女 ，长江大学石油工程专业 １ ６ ４ １８ ） ０ ０ 班大四学生 ，现从 事油气 田开发方面的学 习和研究工作。
结垢预测软件（SCALECHEM）在油田注水中的应用
结垢预测软件（SCALECHEM）在油⽥注⽔中的应⽤结垢预测软件(SCALECHEM)在油⽥注⽔中的应⽤摘要：SCALECHEM软件是⼀种结垢预测软件。
⽤该软件对清⽔和污⽔分别作随压⼒、温度变化的结垢趋势分析。
为了解清⽔注⼊地层后与地层⽔是否会发⽣沉淀反应，对混配⽔在地层中的结垢情况进⾏了分析。
现场应⽤结果表明，该软件对注⽔过程中的结垢预测准确，有利于提⾼注⽔质量。
关键词：油⽥开发;注⽔;沉淀;结垢;预测引⾔注⽔是油⽥⽣产中重要的⼆次采油措施，注⽔质量直接关系到原油产量。
注⽔质量的⾼低反映在注⽔量、注⽔压⼒、注⽔层位的对应性上。
注⼊⽔与地层⽔是否配伍以及不同混合⽔是否会产⽣新沉淀都是油藏⼯程师所关⼼的问题，因此在注⽔前需对注⼊⽔进⾏结垢预测，采取相应的预防措施。
常⽤的结垢预测⽅法为Stif—Davis饱和度指数法，但这种⽅法预测单种⽔较为⽅便，若为⼏种⽔相互混合，且温度压⼒发⽣变化时，预测则较为⿇烦。
SCALECHEM结垢软件利⽤数学模型⼤⼤减少了计算⋯，可预测注⼊⽔从井⼝到井下以及地层整个过程中的结垢变化情况，为了解整个井筒的结垢情况提供参考。
1 SCALECHEM 软件基本原理结垢预测包括单个⽔样在不同温度压⼒下的结垢趋势分析、不同⽐例混合的⽔样的结垢分析。
根据⽔样分析数据得出结垢指数ST，由ST的⼤⼩判断⽔样结垢程度。
ST的计算模型如下(以⽯膏CaSO4·2H2O为例)当ST<1时，只有很⼩的结垢趋势，可以认为不会产⽣影响。
当1150时，⽤现有技术还⽆法去除已经产⽣的垢。
2 常规结垢预测⽅法在油⽥⽣产中，常⽤的结垢预测⽅法是Stiff-— Davis法3．2 SCALECHEM软件预测结果⾸先对清⽔和污⽔分别作随压⼒、温度变化的结垢趋势分析.可以看出⽔源井1的清⽔从地⾯到井底的过程中，碳酸钙沉淀量从41．4mg/L增加到90．6mg／L，ST值则在6．7—25之间变化，有⼀定的结垢趋势，但由于结垢量不⼤，可通过添加阻垢剂等化学⽅法减缓结垢趋势，从⽽降低结垢量。
油田水结垢趋势预测方法
油田水结垢趋势预测方法油田水结垢是指在石油开采和生产过程中，由于油田水中含有大量的溶解性盐类和难溶性盐类，当水蒸发或温度升高时，这些盐类会沉积在设备表面形成固体结垢。
结垢会导致油田设备的堵塞、腐蚀和损坏，从而影响油田的正常生产。
因此，准确预测油田水结垢趋势对于油田的安全运行和经济效益至关重要。
油田水结垢趋势预测方法主要包括经验模型法、物化模型法和数学模型法三种。
经验模型法是一种根据历史数据和经验规律进行预测的方法。
它基于运营人员对油田水结垢的经验总结而得出，通过分析历史数据中的结垢情况，推断出未来的结垢趋势。
这种方法简单易行，但需要较长时间的数据积累和丰富的经验支持，且预测结果的准确性也受限于经验的局限性。
物化模型法是通过对结垢过程中的物理和化学机理进行研究，建立相应的模型来预测结垢趋势。
该方法基于结垢机理的深入研究，结合实验数据，建立物理和化学模型，通过模拟计算得出结垢趋势。
这种方法准确性较高，但需要大量的实验数据和复杂的模型建立过程，同时对模型参数和初始条件的准确性要求较高。
数学模型法是一种基于数学理论和统计分析的方法。
该方法通过对结垢过程中的相关因素进行数学建模，利用统计分析方法对数据进行处理和预测。
数学模型法可以结合多个因素综合分析，提高预测结果的准确性。
常用的数学模型包括神经网络模型、回归模型、时间序列模型等。
这种方法需要较强的数学和统计分析能力，同时对数据的处理和模型选择也有一定要求。
油田水结垢趋势预测方法有经验模型法、物化模型法和数学模型法三种。
不同的方法有不同的适用场景和准确性，运营人员可以根据实际情况选择合适的方法进行预测和分析，以保证油田设备的正常运行和生产效益的最大化。
同时，油田水结垢的预防和控制也是非常重要的，可以通过调整水质、加入结垢抑制剂、加强设备维护等方法来降低结垢的风险。
管道结垢预测技术研究
矿化度含量，总碱度、pH值影响程度较小。
关键词：结垢预测 Davis-Stiff饱和指数法 Oddo-Tomson饱和指数法
中图分类号：TE973-65
文献标识码：A DOI：10.13726/ki.11-2706/tq.2020.01.005.03
Research on scale prediction technology of pipeline
PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi’an 710016, China；4. Engineering Technology Research
Institute of PetrochinaHuabei Oilfield Company, Renqiu 062552, China)
smaller.
Key words: scaling prediction; davis-stiff saturation index method; oddo-tomson saturation index
method
作者简介：陈建辉 (1975－) ，男，浙江东阳人，工程师，本科，主要从事油库工程建设和安全管 理工作。
phenomenon, but there is little research on the prediction of scale type, trend and amount. Therefore, this
paper introduces the common pipe scale, fouling prediction model for the selection, through the model
Abstract: in the actual field operation, oil and gas pipelines will suffer from corrosion and
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结垢机理研究1.1 理论分析水垢一般都是具有反常溶解度的难溶或微溶盐类，它具有固定晶格，单质水垢较坚硬致密。
水垢的生成主要决定于盐类是否过饱和以及盐类结晶的生长过程。
水是一种很强的溶剂，当水中溶解盐类的浓度低于离子的溶度积时，他将仍然以离子状态存在于水中，一旦水中溶解盐类的浓度达到饱和状态时，设备粗糙的表面和杂质对结晶过程的催化作用就促使这些饱和盐类溶液以水垢形态结晶析出。
水垢的种类有很多，但通常油田水中只含有其中少数几种水垢。
最常见的水垢有碳酸盐类水垢，组成为CaCO3、MgCO3，但易被酸化去除，危害相对较小；而硫酸盐垢，组成成分有CaSO4、BaSO4、SrSO4，常常采用防垢方法加以阻止；铁化物垢组成为FeCO3、FeS、Fe（OH）2、Fe2O3。
实际上一般的结垢都不是单一的组成，往往是混合垢，只不过是以某种垢为主而已。
表2-13 常见垢的溶度积垢溶度积垢溶度积BaSO4 1.1×10-10SrSO4 3.2×10-7CaCO3 2.8×10-9FeS 8.3×10-13CaSO49.1×10-8FeCO3 3.2×10-11MgCO3 3.5×10-8Fe（OH）28.0×10-13注：溶度积温度为18～25℃（1）不相容论两种化学不相容的液体（不同层位含有不相容的离子的地层水、地层水与地面水、清水与污水）相混，因为含有不同离子或不同浓度的离子，就会产生不稳定的、易于沉淀的固体。
如宝浪油田，两个不同层位的水一混合就结垢，主要是因为一层含有SO42-，另一层含有Ba2+、Sr2+较多，混合后就生成BaSO4、SrSO4。
（2) 热力学条件变化当井下热力学和动力学条件不变时，即使有不相容的离子，并且为过饱和溶液也会处于稳定的状态。
在油井生产的过程中，压力的下降，温度的上升或流速的变化，均会导致高矿化度水结垢。
对于油井来说，一般井下300-400米处结垢最为严重，而在管道拐弯处、阀门处更易结垢。
(3) 吸附论结垢可分为三个阶段：垢的析出、垢的长大和垢的沉淀。
垢是晶体结构，管线设备表面是凹凸不平的，是微观的毛糙面，垢离子会吸附在壁面，以其为结晶中心，不断长大，成为坚实致密的垢。
在油田注水中，水垢的形成过程往往是一个混合结晶的过程，水中的悬浮粒子可以成为晶种，粗糙的表面或其他杂质离子都能强烈的催化结晶过程，使得溶液在较低的饱和度下就会析出结晶。
1.2 影响结垢的因素影响油田油井及地面处理设备结垢的因素主要因素有以下几个方面：(1) 水的成分当油田水中含有高浓度的碳酸盐，硫酸盐，氯化钙和氯化钡盐时，油田水就有了形成碳酸钙、硫酸钙和硫酸钡水垢的基本化学条件，只要环境条件发生变化，打破了原有油层水中溶解物质的平衡状态，就可能形成水垢。
(2) 成垢离子的浓度水中成垢离子含量越高，形成垢的可能性就越大。
对某一种特定的垢，当成垢离子的浓度超过了它在一定温度和pH值下的可溶性界限时，垢就沉淀下来，当不同水源的两种水混合或所处的系统的条件改变时，形成垢离子浓度发生变化，趋于达到一种新的平衡，于是产生了垢。
(3) 压力和温度碳酸钙的溶解度随着温度的升高和CO2的压力降低而减小，后者的影响尤为重要。
因为在系统内的任何部位，压力降低都可能产生碳酸钙沉淀。
在系统内，有下述反应：Ca2+ + HCO3- → CaCO3↓+ CO2 + H2O显然，如此系统内压力降低，溶液中的CO2减少，促使反应向右进行，导致CaCO3沉淀增多。
因此，含有高浓度碳酸氢钙的油田水，在压力降低和温度升高时，碳酸氢钙会分解为二氧化碳和碳酸钙。
例如在油井开采过程中，压力逐渐降低，油田水中的碳酸氢钙就会不断被分解，如果是在密闭系统，二氧化碳不易扩散逸出，碳酸氢钙在水中仍然处于稳定状态，一般不会产生碳酸钙垢，但在油井中的抽油泵，由于抽吸作用造成脱气现象，因此在油井的泵筒内会发现碳酸钙垢。
从油井中采出的液体首先到转油站加温，由于二氧化碳很快逸散，换热器上也会产生严重的碳酸钙垢。
硫酸钙的溶解度随着温度的升高而增大，可是当达到35℃～40℃以上时，溶解度又随着温度升高而减小。
硫酸钙的溶解度随压力的升高而增大，这完全是物理效应。
硫酸钡的溶解度随温度与压力的升高而增大，因此在此类垢常发生在采油井。
但温度影响幅度较小，如25℃时，BaSO4的溶解度2.3mg/l，温度提高到94℃时，BaSO4溶解度仅增加到3.9mg/l。
但在100℃以上，其溶解度却随着温度上升而下降，如180℃，BaSO4溶解度与25℃时相当。
硫酸锶的溶解度随着温度的升高和压力的降低而减小。
事实上，硫酸钡和硫酸锶常常同时沉淀。
(4) pH值降低pH值使溶解度增大，减弱了成垢倾向，这种作用对碳酸钙垢影响非常明显，对硫酸钙次之，对硫酸钡和硫酸锶甚微。
(5) 盐含量水中盐（NaCl）含量增加，通常能增加垢的溶解度，这是一种盐效应。
由于在盐含量高的水中，成垢离子活度减小，成垢阴、阳离子相互吸引而结合成垢的能力减弱。
如对碳酸钙来讲，它在200g/l盐水中溶解度比在较高纯水中大2.5倍；而硫酸钡，在120g/l盐水中溶解度比纯水中大13倍。
(6) 润湿与粘附在油田生产过程中使用不同材质，其内表面有不同的润湿物性。
如用塑料内衬，表面润湿角大于90度，而在裸钢表面润湿角小于90度，对于晶核的形成和在材质表面的粘附作用是十分重要的。
润湿角越小，成核所需能量越小，晶核形成越容易，则结垢趋势越大。
事实上，内衬光滑油管壁上结垢程度减弱。
1.3 油田水结垢的控制方法理论上讲，控制油田水结垢的方法有很多，但实际上不一定适用，因为油田水数量大而且水质较差，因此在选用结垢控制方法必须考虑工程可行性、投资和经济效应。
目前结垢控制技术主要有以下几种：1.3.1 避免不相容的水混合不相容的水是指两种水混合时，会沉淀出不溶性产物。
不相容性产生的原因是一种水含有高浓度的成垢阳离子，如Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+等；另一种水含有高浓度成垢阴离子，如HCO3-、CO32-、SO42-。
当两种水混合，离子的最终浓度达到过饱和状态，就会产生沉淀，导致垢的生成。
在油田生产过程中，应尽可能的避免不相容的水混合，如对于套管损坏井，不同层位水互窜，可能引起结垢，则必须采用隔水采油工艺。
注入水如果与地层水不相容，尽量选择优良水质，否则应施加处理措施。
污水回注时，将清水与污水进行分注，以免引起结垢与腐蚀问题的发生。
1.3.2 控制水的pH值降低水的pH值会增加铁化合物和碳酸盐垢的溶解度，pH值对硫酸盐垢溶解度的影响很小。
然而，过低的pH 值会使水的腐蚀性增大而出现腐蚀问题。
控制pH值来防止油田水结垢的方法，必须做到精确控制pH值，否则会引起油田水严重腐蚀和结垢。
而在一般油田生产中要做到精确控制pH值往往是很困难的。
因此，控制pH的方法只有在改变很小pH值，就可以水中结垢才有实用意义。
这并不是广泛用来控制垢的方法。
同时应看到，结垢和腐蚀往往是一对矛盾体。
注入水pH低，结垢倾向减小，而腐蚀倾向增大；相反，注入水pH高，结垢倾向增大，而腐蚀倾向减小。
1.3.3 从水中除去成垢离子对一般工业循环水，可以采用水的软化处理方式，以减少或除去成垢离子。
水的软化处理有加热软化法、化学沉淀软化法和离子交换法。
而油田注水的量很大，而且此法成本较高，这些方法在油田生产系统应用中受到很多因素的限制，所以大型注水不常使用。
1.3.4 除去结垢组分（1）清除溶解在水中的气体采用化学和（或）机械方法可把水中的溶解气如H2S、CO2和O2从水中除掉，这样就可以避免生成不溶的铁化合物（硫化物、氧化物）。
但仅仅从水中除去CO2，实际上会使结垢更为严重。
（2）水的软化方法离子交换法、沉淀软化法或蒸馏法等很少用于防止注入水结垢。
这些方法除去结垢的Ca2+、Mg2+、SO42-和HCO3-可单独或联合使用。
这些方法是以除去这些离子使水“软化”的。
1.3.5 防垢剂阻垢剂的发展历程及起主要作用的官能团，大致可以将其分为天然聚合物阻垢剂、含磷类聚合物阻垢剂、共聚合物阻垢剂、绿色新型聚合物阻垢剂。
天然聚合物阻垢剂曾在20世纪60年代兴起，并开始使用，主要有单宁、纤维素、淀粉、木质素、壳聚糖和腐植酸钠等天然有机高分子化合物曾被用作阻垢剂，在循环冷却水系统中控制水垢的生成发挥过重要作用。
但由于该阻垢剂加量大，费用高，所以现在极少使用。
最常用的无机含磷聚合物阻垢剂是三聚磷酸钠和六偏磷酸钠有机磷酸是一类阴极型缓蚀剂，又是一类非化学当量阻垢剂，具有明显的溶限效应。
但是这类阻垢剂磷浓度高，易水解为正磷酸盐，产生磷酸钙沉淀，因此限制了其在高温、高碱和高硬度等水质条件下的使用；另外，聚磷酸盐是微生物的营养源，能促进菌藻的滋生。
所以开发低磷或无磷阻垢剂已成为国内外防垢的研究课题和发展方向。
共聚物阻垢剂主要有丙烯酸类共聚物，磺酸类共聚物，马来酸酐类共聚物，烷基环氧羧酸盐，这些阻垢剂虽具有活性高、毒性小的特点，但不具有生物可降解性能。
绿色新型阻垢剂，随着人们环保意识的日益提高，环境法规日趋严格，人们对阻垢剂提出了越来越高的要求。
目前有机膦酸盐类共聚物阻垢剂是国内外最广泛应用的阻垢剂，但磷的排放会导致水源富营养化，引起赤潮现象，同时有些阻垢剂还是高度非生物降解的，对生态环境产生非常大的影响，具有优良可降解性和较好的阻垢性能的绿色聚合物阻垢剂必将成为今后主要的研究方向。
目前国内外出现的新型绿色聚合物阻垢剂主要有聚环氧琥珀酸和聚天冬氨酸。
该类防垢剂具有优良的生物降解性能和较高的阻垢活性，与聚丙烯酸相比，在相对分子量相近时，聚天冬氨酸类阻垢剂活性比聚丙烯酸高，特别在高浓度Ca2+时仍具有较好的阻垢效果。
2 结垢预测模块的建立根据大量的文献调研和各油田的资料可知，常见的无机沉淀有碳酸钙(CaCO3)、硫酸钡(BaSO4)、硫酸钙(CaSO4)、硫酸锶(SrSO4)等。
由于MgCO3在水中的溶解性能和CaCO3相似，但是相同条件下MgCO3的溶解度大于CaCO3，因此对于大多数既含有MgCO3同时也含有CaCO3的水来说，任何使MgCO3和CaCO3溶解度变小的条件出现，首先会形成CaCO3垢，除非影响溶解度减小的条件发生剧烈的变化，否则MgCO3垢未必会形成。
2.1 Stiffs & Davis 饱和指数CaCO3的结垢趋势预测数学模型的建立中，Stiff-Davis饱和指数法公式为：SI = pH– K– pCa –pAlK (1)判据为当SI>0时，有结垢趋势；当SI=0时，为临界状态；当SI<0时，无结垢趋势。
SI——饱和指数；pH——水样的pH值；pCa——Ca2+浓度（mol/L）的负对数；pAlK——总碱度（mol/L）的负对数。