隨著原油開采進入中后期，必須采用二次或三次采油技術來提高原油采收率。水驅、氣驅 （包括CO2、空氣和N2） 和聚合物驅是目前我國東部成熟油氣田普遍采用的技術，但是隨之帶來的問題是采出液中含水率越來越高，有時甚至高達95%,由此造成了嚴重的腐蝕和結垢問題。集輸管道結垢，會使得回注水流體的橫截面積變小，注水壓力增大，對管道設備的耐壓強度等級要求增大。與此同時，注水量增加，浪費資源與能源，不利于油田的節能降耗。此外，注水管道內的有機與無機垢層會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險急劇增加，導致管線穿孔泄露。

本文調研了典型油田注水的結垢機理、結垢類型和影響結垢的因素。通過對結垢監測技術的研究，達到預測油田結垢趨勢、結垢量以及結垢對地層造成的危害。只有準確獲得油田管道的結垢趨勢及可能的結垢位置，才能提出合理的材料選擇和完善的防垢除垢措施。

1 結垢分類

 

基于物理/化學過程，油田回注水垢主要分為結晶垢、顆粒垢、生物垢和腐蝕垢4大類。

結晶垢類型的污垢主要是來自溶液中含有不溶解的無機鹽，比如CaCO3、CaSO4、BaSO4等。結晶垢的形成通常與溫度有關。大多數鹽都具有溶解度，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，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溶解度限制，如果超過了這種限制，結晶便會發生。結晶垢主要是由于過飽和鹽的存在。

顆粒污垢是來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菌、真菌、藻類等。流體中的微生物積聚而形成污垢，這種污垢形成后產生粘泥，粘泥附著在管道上，各種微生物就在粘泥中繁殖生長，從而加劇了管道的結垢程度。

流體會對管道產生不同程度的腐蝕，溫度、酸堿值、流體組分都會對腐蝕程度有一定的影響。這些腐蝕產物主要是Fe的氧化物、氫氧化物、硫化物等，這些腐蝕產生的腐蝕產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提供了良好的附著位點。

2 結垢趨勢預測

 

結垢趨勢的預測是一個需要考慮多因素的工作量大的系統工程，前人在這方面進行了大量的研究，并提出了一系列相對準確的預測方法。本文主要討論結晶垢的預測方法，因為結晶垢最為常見，同時這類垢對管道的影響非常大。油田較常用的是飽和指數法和穩定指數法。

2.1 單一碳酸鈣結垢預測方法

 

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

2.1.1 Langelier飽和指數法 Langelier根據下述平衡關系，提出了飽和pH值和飽和指數的概念，以此來判斷水質的CaCO3結垢趨勢。CaCO3溶解在水中達到飽和狀態時，存在著下列動態平衡關系：

 

從以上反應式可見,如往水中加堿,則H+被中和,pH值升高,反應 (3) 向右方進行,反應 (4) 向左方進行,CaCO3易析出。如果CaCO3在水中呈飽和狀態,則反應 (2)、(3) 和 (4) 處于平衡狀態,Ca(HCO3)2既不分解成CaCO3,CaCO3也不會繼續溶解,此時水的pH值稱為飽和pH值,以pHs表示。Langelier推導出了計算pHs的公式,并以水的實際pH值與其飽和pH值 (pHs) 的差值來判斷水的結垢趨勢,此差值稱為朗格利爾飽和指數,用Is表示。

 

當Is>0時，CaCO3會析出，這種水屬結垢型水；當Is<0時，原有CaCO3垢層會被溶解，這種水有腐蝕性，稱作腐蝕性水；當Is=0時，CaCO3既不析出，原有CaCO3垢層也不會被溶解掉，這種水屬于穩定型水。由于該方法是一般的經驗式，簡單方便，應用較為廣泛，目前許多地方都仍在使用這種方法來判斷油氣田的結垢趨勢。這種方法的缺陷比較明顯，它僅僅考慮了熱力學條件，這使得預測結果與真實結果之間存在一定的偏差。

2.1.2 Davis-Stiff飽和指數法 Davis-Stiff飽和指數法主要用于預測碳酸鹽垢，相比Langerlier飽和指數法，該飽和指數法的進步之處在于考慮了對溫度、壓力和離子強度進行校正。該法的缺點是在現場取出水樣后，必須立即測定pH值、CO32-、HCO3-等，因為樣品一旦離開壓力系統，這些參數變化得非常快，所以使用此預測方法會有些偏差。Davis-Stiff飽和指數法對CO2的逸度和CO2在油、水中的分配均未考慮。但是該預測方法在國內外油田對碳酸鈣垢的預測結果還是得到了廣泛的認可。Davis-Stiff飽和指數法主要考慮了系統中的熱力學條件。Liu等結合水質離子濃度分析，使用飽和系數法對大慶油田注水中的碳酸鈣和硫酸鈣結垢趨勢進行了預測。飽和指數SI按以下方法進行計算：

 

式中，SI為飽和指數，K為修正指數，為礦化度和水溫度的函數，由離子強度與水溫度關系曲線查得。pCa為Ca2+的濃度 （mol/L） 的負對數，pAlk為總堿度 （mol/L） 的負對數，[CO32-]為CO32-的濃度 （mol/L），[HCO3-]為HCO3-的濃度 （mol/L），μ為離子強度，ci為第i種離子濃度 （mol/L），zi為第i種離子濃度 （mol/L），SI>0,有結垢趨勢；SI=0,臨界狀態；SI<0,無結垢趨勢。飽和指數法適用的溫度范圍在0~100 ℃。

2.1.3 Ryznar指數法 在Davis和Stiff提出飽和指數法之后，Ryznar進一步結合給水系統的實際情況進行總結，提出了穩定指數的概念 （SAI）。

 

式中，SAI為穩定指數。

利用Ryznar穩定指數判定是否結垢的標準為：當4.0<SAI<5.0時，水質體系嚴重結垢；當5.0<SAI<6.0時，水質體系會少量結垢；當6.0<SAI<7.0時，水質體系有微量結垢和腐蝕；當7.0<SAI<7.5時，水質體系有明顯腐蝕傾向；當SAI>7.5時，水質體系會出現嚴重腐蝕。

Ryznar指數法相比Davis-Stiff飽和指數法，它的進步之處在于根據數值來具體判斷水的趨勢。當體系的堿度、礦化度較高時，用穩定指數法進行預測是比較準確的，它的預測結果也可用來表示氣田水的穩定性；穩定指數法僅考慮了碳酸鈣的溶解平衡，但由于實際系統中溫度會發生變化，因此整個系統很難達到溶解平衡；而且集輸管道的結垢物成分復雜，因此穩定指數法并不能用于整個系統。

2.1.4 Vetter預測法 Vetter預測法[15]考慮了油田水的流量、CO2含量及其分壓、P-V-T特性以及井下參數等多種因素，根據平衡方程、電離方程、亨利公式等，最終建立了碳酸鈣沉淀模型的狀態方程，Vetter預測法的預測結果更接近油田生產中的實際結垢情況。Vetter預測法的缺點是應用推廣困難，這是由于其理論計算較多、而且繁瑣，技術人員使用起來很困難。對于Vetter預測法，應該綜合研究結垢因素，并在其中找到影響結垢的主因，進而對預測模型進行必要的簡化。

2.1.5 John預測方法 John等[6]提出了一個高溫、高壓下CaCO3飽和度的計算公式，為注水摻熱液系統結垢預測提供了有效的方法。這個公式的具體表達式如下所示。

 

式中，TCa為總鈣濃度 （mol/L），Alk為HCO3-濃度 （mol/L），I為離子強度 （mol/L），pT為總壓 （psi）， XCO2XCO2 為氣相中CO2的質量分數，T為溫度 （℃）。

John的預測方法主要適用于注水摻熱液系統中的結垢預測。該方法實際上是一個高溫高壓下碳酸鈣飽和度的計算公式，它的計算結果就是其評價標準，當計算結果大于零時，有結垢傾向；若小于零，則沒有結垢傾向。John預測方法的缺點：由于化學動力學的關系，一部分飽和水結垢幾率大，另一部分飽和水的結垢幾率很小，所以在判斷結垢趨勢時，John預測方法存在有一定的誤差。

2.1.6 碳酸鈣最大結垢量預測方法 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垢量預測模型。可以采用該模型對碳酸鈣的結垢量進行預測，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 （℃）。

結垢量的分析標準如下：當PTB<0時，體系無垢；當0<PTB<100時，體系會產生少量的垢；當100<PTB<250時，體系會產生足夠多而硬的垢；當PTB>250時，體系的結垢現象會極其嚴重。

采用Valone和Skillern的預測方法不僅可以判斷結垢趨勢，而且還可以定量地預測碳酸鈣的結垢量。

2.2 硫酸鹽結垢預測方法

 

2.2.1 硫酸鈣的結垢預測方法 根據熱力學和溶解平衡原理，Skillman等在進行硫酸鈣的結垢趨勢的預測時，提出了熱力學溶解法，它的預測方程如下所示：

 

式中，S為CaSO4結垢趨勢預測值 （mmol/L），Ksp為CaSO4溶度積常數，X為鈣離子與硫酸根離子的濃度差 （mmol/L），由水中實測的Ca2+和SO42-的濃度，再計算出水中CaSO4實際含量c （c取Ca2+和SO42-的濃度的最小值mmol/L），將S與c進行比較。

判斷標準：當S<c時，存在結垢趨勢；當S=c時，系統處于平衡狀態；當S>c時，沒有結垢趨勢。

Skillman熱力學溶解度法[9]計算簡單，且預測結果與現場實際基本相符。在需要大體測算硫酸鈣的結垢傾向時，很受科研工作者的青睞。該方法的缺點也比較明顯：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，此外多種晶體會在結垢過程中形成，并且溫度、壓力以及離子濃度的增加都會提高硫酸鈣的溶解的可能性。

2.2.2 硫酸鍶結垢的預測方法 Jaeques等[18]基于對Sr2+在氯化鈉水溶液中溶解性的研究，導出了壓力為689~20684 kPa、溫度為38~149 ℃、總離子強度為0~3.43的溶解性數字模型，求出了水樣中Sr2+與SO42-的濃度乘積與溶度積常數的比值，作為是否發生結垢的判據。

SrSO4的結垢趨勢的計算公式如下所示：

 

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結垢趨勢的判斷方法：當S>Ksp（SrSO4），有結垢趨勢；當S=Ksp（SrSO4），處于臨界狀態；當S<Ksp（SrSO4），沒有結垢趨勢。該方法原理簡單，方便實用，可以用來預測SrSO4結垢趨勢的判斷。

2.2.3 復合硫酸垢的預測方法

 

油氣田結垢絕不是單一的，雖然有時某種垢物占主要成分，但往往是多種復合共生的垢物，因而對復合垢的預測十分重要。

Vetter等提出Vescal II模擬程序，該模擬程序旨在計算不相溶注入水與地層水混合時BaSO4、SrSO4以及CaCO3等復合硫酸鹽垢的產生趨勢。該程序能處理各種陽離子競爭同一陰離子 （SO42-） 的情況 （即共沉淀問題），考慮了水的組成、混合比、溫度和壓力等因素的影響，可以預測油氣田不同部位 （如油氣藏、井底、井筒、井口及地面管線等） 的結垢。該程序的不足之處：一是假定成垢鹽所處的是NaCl環境中，而未考慮其他鹽類。井下環境復雜，多種物質會共同存在，互相影響；二是只考慮了微溶性的BaSO4對溶解性較大的SrSO4和CaCO3沉淀的影響，未考慮相反的影響，比如CaCO3對BaSO4沉淀的影響。

2.3 混合垢的預測方法

 

2.3.1 Oddo-Tomson飽和指數法 Oddo-Tomson飽和指數[22, 23]考慮了熱力學條件及離子強度進行校正因素，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垢預測模型。該方法可預測任何生產井中在不同壓力、溫度下碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鍶或硫酸鋇微溶物的結垢傾向。其預測模型如下：

 

式中，Is是Oddo-Tomson飽和指數，[Me],[An],t,p,μ分別表示陽離子活度、陰離子活度、溫度、壓力、離子強度。

判斷是否生成垢的標準為：當Is=0時，表示溶液與固體垢相平衡；Is>0時表示過飽和狀態，能形成結垢；Is<0時表示欠飽和狀態，不能形成垢。

Oddo-Tomson飽和指數法主要用于預測在不同壓力、溫度下，碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鍶或硫酸鋇微溶物的結垢傾向。這種方法的缺陷是，在碳酸鈣預測方面，由其具體表達式可以看出它需要大量的細節數據，比如，氣相中CO2的摩爾分數，CO2的逸度系數以及液相中CO2的摩爾分數等，這些數據從集輸系統現場調研情況來看不易得到。

2.3.2 飽和系數法 飽和系數法考慮了離子間的不同離子效應、溫度、壓力、以及水體系的多元化對結垢的影響，并根據熱力學平衡原理，最終提出了針對復雜多元體系的結垢預測方法。對于實際存在的多個平衡，若水體系中某種成垢物質的平衡方程式為：

 

成垢物質AB的飽和系數S的計算公式如下：

 

式中，S是飽和系數，CA2+是A2+離子的濃度，CB2-是B2-離子的濃度，Qsp是AB溶度積常數。結垢的評價標準是：當S>1時，AB有結垢傾向；當S=1時，處于飽和狀態；當S<1時，體系中沒有AB結垢傾向。

3 結垢趨勢

 

監測最早進行結垢監測方面的研究機構是美國的傳熱研究協會[26]。隨著微電子技術的發展，各種污垢監測技術逐漸興起，按照污垢在線監測手段可以分為熱學法和非熱學法。

3.1 熱學法

 

3.1.1 溫差法 結垢的溫差表示方法是通過水管道的材質和冷取水的進出口溫差的變化來反映污垢的沉積情況。這個模型非常簡單，讓一段污臟的流體流過一段管道，保持另一側的溫度均勻不變，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，在運行過程中用終端差 （簡稱端差） Δt 的變化來描述冷卻水側換熱面的污臟程度。ts為管內壁污垢表面溫度，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。

該方法的特點是簡單直觀，可以連續、實時進行監測垢的沉積情況，是目前生產現場相對實用的監測結垢程度的方法。

但是，溫差法也有局限性。這種方法適合換熱器管道內的結垢監測，而且影響因素非常多，如熱流密度、冷卻水用量、工作設備等。因此，該方法的可信度較差，需要用其他方法對其進行校驗。

3.1.2 熱阻法 熱阻法的原理是利用污垢熱阻的變化來衡量污垢的生長狀態的，是用潔凈與結垢狀態時管道表面的總的傳熱系數的變化來描述成垢量的變化。

Kuwahara等基于發電廠的運作數據，提出了一種監測熱虹吸再沸器污垢熱阻的方法，通過相關測試發現，實測的數據與計算所得的數據一致。

Li等提出了一種實現發電廠冷凝器污垢在線監測的系統，基于操作原理和耦合效應，建立了一個用來模擬燒煤發電廠運作的ACMM模型。該模型在模擬計算發電廠的數據方面具有非常好的準確性，而且還可以實現在線監控。所測的參數都是基于傳熱系數的溫度。對于不正常的污垢熱阻，該系統也會發出警報。

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監測系統。首先，建立了管式熱交換器中結垢熱阻的數學模型。該模型基于所考慮的熱交換器的應用熱功率、內部傳熱系數和幾何特性。所得到的模型是測量量的函數，例如水和管壁溫度、流體流速、以及管內流體的一些物理性質，如粘度、電導率和密度。其次，構建了在線結垢監測系統，并通過該系統實時測量了所選溶液的傳熱熱阻。通過碳酸氫鈉、氯化鈉、氯化鈣等污染物和碳酸氫鈉和氯化鈣的混合物實驗，研究濃度和化學反應對結垢的影響。不確定性分析表明，實驗結果是可以接受的，實驗裝置適用于測量工業應用中的結垢熱阻。

Yang等提出了一種動力學模型來預測海水熱交換器中的海水污染過程。新模型結合海水污垢沉積和去除行為的表達公式采用Kern-Seaton模型。實驗數據與模型吻合良好，在不同條件下獲得參數。實驗后進行SEM和EDX分析，結果表明，海水污垢的主要成分為氫氧化鎂和氫氧化鋁。通過模型和實驗數據評估了表面溫度、流速和表面自由能的影響，結果表明，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。

這種方法的缺點比較明顯，測量比較困難。而且在污垢監測的初始階段存在熱阻值出現負值的情況，其工程實用性差。

3.2 非熱學法

 

3.2.1 稱重法 稱重法是利用直接稱重結垢的質量來判斷結垢情況。Bott等為了研究析晶污垢，在測量設備上安裝一塊質量極輕的、易于拆卸的沉積片，在不同運行時間取下進行干燥稱重，獲取結垢量。王芳通過結垢重量法對延河水、地層水配伍性進行研究，采用微孔濾膜過濾水樣得到沉淀，然后用分析天平稱重，計算結垢率，進一步分析和預測清、污混配的結垢趨勢。魏平方等采用沉淀重量法，對幾種市售除垢劑與自制新型除垢劑QX進行了除垢效果對比實驗。結果表明，除垢劑QX是一種理想的硫酸鋇鍶垢除垢劑。該法的優點是簡單、直觀，對結垢量很大的體系非常實用。稱重法常常用于實驗室的研究，需要離線監測，不符合現代工業高效、安全、在線監測的原則。

3.2.2 石英天平法 石英天平法是稱重法的發展。石英天平的發展始于上世紀60年代初期，它是一種非常靈敏的質量檢測儀器，其測量精度可達納克級。石英晶體微天平利用了石英晶體的壓電效應，將石英晶體電極表面因垢沉積導致的微小質量變化轉化為石英晶體振蕩電路輸出的頻率變化，進而通過計算機等其他輔助設備獲得高精度的數據，即利用石英晶片對質量的敏感實現結垢監測。劉宗昭等采用電化學石英晶體微天平技術可以準確而快速地對含聚合物采出水進行碳酸鈣加速結垢評價。王虎等為深入分析碳酸鈣垢生長規律和阻垢劑對垢生長動力學的影響，使用電化學石英晶體微天平快速測垢的方法研究了施加的恒電壓、溫度、Ca2+濃度對碳酸鈣結垢的影響，評價了羥基乙叉二膦酸 （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，并對結垢過程進行了分段線性擬合。

石英天平法也有局限性，如成垢致密性低、易剝離，探頭結構復雜，難以用于現場環境中的結垢監測。此外，垢層增厚還會影響石英晶體薄片的壽命和靈敏度。

3.2.3 壓降法 美國腐蝕工程師協會推薦采用的壓降法污垢監測裝置來監測冷卻水管道中的污垢。這種方法的測試原理是：當流體流經管道且摩擦系數變化不明顯時，由于結垢，流通截面縮小，引起的阻塞效應就成為壓降的主要原因，壓降將隨污垢的積聚而增加。因此，只需要測量結垢前后管道的進出口壓差，通過壓差的變化來反映污垢的沉積情況。

壓降法常配合溫差法和熱阻法進行使用，共同監測管道中結垢情況。林春光提出的溫差比較法和壓降比較法，無需監測換熱器的流量，具有投資少、精度高、實施簡單、可靠性高的特點，也適用于其它形式的換熱器。

3.2.4 超聲波檢測法 超聲波技術憑借其作用距離長、成本低廉等優勢，成為了在無損檢測領域新的發展方向。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，傳播距離可達到幾十米乃至上百米。超聲波檢測法具有使用方便、快速、測量精度高、適用材料范圍廣以及實時在線監測等諸多優勢，在管道及換熱設備的污垢檢測方面有著很大的應用前景。

馮丹龍對基于超聲導波的管道結垢檢測及去除技術進行了初步研究，結合超聲導波對管道內結垢檢測及結垢去除的原理，對反射信號進行分析，超聲導波在結垢層前端、結垢層后端以及管道尾端均會發生反射，結垢層前端的超聲導波反射信號可對管道內結垢進行定位，結垢層前后端的超聲波反射信號可用于估計結垢區域的長度。結垢層前后端的超聲導波反射信號強度與結垢層的厚度存在一定關系。通過ABAQUS有限元軟件建立了基于超聲導波的管道內結垢檢測的仿真模型。

孫靈芳等為解決化工換熱管道中傳統熱阻法無法實現污垢定量分析的問題，提出采用超聲時域檢測法，結合ComsolMultipysics多物理場仿真軟件，對聲-固耦合加速度邊界進行設計優化，開展化工換熱污垢管道超聲檢測瞬態傳播特性研究，實現污垢厚度特征定量提取。

馮國亮分析了超聲波技術的原理與特點，并設計了超聲波發射接收電路，采用超聲波脈沖時域反射法進行平板及管道內的污垢的檢測研究。

超聲法的局限性也比較明顯，在實際的生產過程中，結垢層的分布不均勻、雜波干擾等使得超聲檢測的接收信號復雜，給反射波的時間差的確定造成了較大的困難。由于傳統的污垢監測熱力學方法信度低，Yang等提出了超聲回波法監測污垢。通常，設備的污垢層薄，回波重疊和混亂，難以從信號中提取特征。引入逆濾波方法將難以區分的延遲信息在時域上轉換為頻域信息。然后采用高階累積量與MUSIC頻譜估計結合的信號處理方法，實現了污垢回波信息提取。模擬信號和實際信號的實驗驗證了該方法的有效性。

超聲法的優點在于適用于對油氣管道內部的缺陷進行檢測，對分層裂紋敏感，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，響應快速，成本低，易于管理和自動化。其缺點是對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射線照相法較差。

3.2.5 紅外檢測法 紅外檢測由于其非接觸、無損傷、可靠性高等獨特的優勢，在運行狀態監測和故障診斷領域取得了廣泛的應用。紅外技術根據溫差來進行測量，由于結垢管道傳熱存在溫度差，可以用溫度差的大小來判斷污垢的有無、厚度和大小。

康文秀等利用紅外測溫技術獲得長圓筒形、球形熱設備外表面的溫度分布，即可計算出內壁污垢層的厚度分布，從而為此類熱設備運行狀態的實時監測提供理論依據。但是，其假設的條件是污垢為均勻地生長在管壁上，這是一種理想狀態。所以，還需要根據具體的情況進行相應的修正。

3.3 其它方法Chen等研發了一種水處理微濾過程的集成式污垢監測系統，采用光學傳感器，實時監測，原位監測污垢層的結構、厚度以及膜過濾的水質。但是，目前仍處于試驗階段，應用與實際生產還有一段很長的距離。

Zhao等提出了一種使用低成本和日常可用的船上冷卻器監測冷凝器結垢狀態的方法 （虛擬污垢監測傳感器）。所提出的虛擬污垢監測傳感器能在實驗室條件下對各種工作運行數據進行評估。此外，所提出的虛擬污垢監測傳感器也在實驗室以外的現場進行實施和評估。實驗室和現場測試結果表明，所提出的方法為檢測冷凝器中的結垢故障提供了良好和穩健的保證。所提出的方法很有可能被實現，從而成為單獨的結垢監測傳感器工具，并結合在商用冷卻器FDD（缺陷檢測與診斷） 工具中，或嵌入在機體上的控制系統中以自動監測冷凝器結垢狀態。

Zhang等應用激光檢測的方法并結合SI指數，研究了中東油田蒸汽驅裝置中的CaSO4結垢的風險預測問題。激光穿透待測溶液試樣中，通過檢測探頭接收的激光信號強度來探討CaSO4結垢成核動力學機理。該方法可以量化結垢風險，還可以優化阻垢劑的處理方案。

目前管道污垢監測裝置自動化程度較低，進一步改進其測量原理，創新測試方法，將計算機技術應用到污垢監測設備，提高其自動化水平是其未來的發展趨勢

 

4 結論與展望

 

通過對油田注水結垢機理和垢晶分析，討論了結垢量、結垢周期及結垢部位對管道的危害性。此外，本文還對管道結垢的在線監測方法和結垢預測模型做了一些回顧。要點如下：

（1） 建立科學的模型必須對結垢機理進行深入研究，還應考慮結晶動力學、流體力學等因素對結垢的影響。

（2） 數學模型的建立。根據結垢機理建立相應模型及化學方程，模型的求解構成復雜的數值模擬，可采用數值計算的迭代原理。按照最優化理論合理選用初值，向真值逐步逼近。

（3） 形成相關的預測軟件。作為軟件系統要具備如下功能：準確計算預測結果，可靠度高，實現人機對話、操作簡單。各油氣田應將預測理論與油氣田水質、溫度、壓力、含鹽量及酸堿度等情況相結合，選用或提出適合于本油氣田的結垢預測方法。

 

（4） 采用簡便無損的方法來監測管道結垢趨勢是十分必要的，結合電化學和聲學、光學等多種方法的組合，來感知水質結垢的嚴重程度，預測結垢位置，對于提高管輸效率降低能耗是十分重要的。