污水结垢是油田注水开发中普遍存在的问题，因此为了使水质满足要求，防垢成为一项重要工作。以江苏油田为例，该油田部分污水站污水中Ca²⁺、Mg²⁺质量浓度偏高 (部分站点的污水中还含Ba²⁺、Sr²⁺)，有些甚至超过500 mg/L，同时碳酸氢根离子和硫酸根离子的质量浓度也很高，结垢离子处于严重过饱和状态。由于水的热力学不稳定性和化学不相容性，这些离子析出结垢，给生产带来极大的危害:污水结垢沉积会大大降低设备的传热效果；加剧硫酸盐还原菌 (SRB) 繁殖，造成设备和管道垢下腐蚀；减小管线水流截面积，增大水流阻力和输送能耗；引起地层堵塞，影响油田开发效果与经济效益；造成注水管线频繁清洗和更换^[1-6]。对油田污水结垢的防治，国内外提出过很多种方法，大体可以分为阻断结垢过程和减少成垢离子2类。其中，减少成垢离子的方法主要有反渗透膜过滤法和电渗析法等，直接从污水中去除部分或全部成垢离子，减小污水结垢量。但是，反渗透膜法和电渗析法等对水质要求高、运行维护成本高，难以在油田大规模推广应用。目前，油田污水防垢常用阻断结垢过程的方法，具体可以分为化学方法和物理方法，化学方法主要是通过稀释和加入化学阻垢剂来阻止或减少无机盐在溶液和流体通道壁上的结晶沉淀，存在作用距离和时间有限及效果受环境因素变化影响的问题；物理法有晶种技术、超声波处理、磁防垢、高频及射频防垢等，虽然处理成本低廉，但效果不够稳定，缺乏工程参数设计依据^{[2-3, 7-11]}。

鉴于目前防垢技术存在的上述问题，有必要开发一种更加稳定有效的防垢技术。但对于高腐蚀污水，如采用电化学预氧化的处理方式，因在处理过程中阴极板结垢易造成预氧化效率下降。为此，笔者针对这一原理，反其道而用之，提出强化阴极板结垢再进行除垢的电化学诱导防垢新技术，室内试验和现场小试表明，该防垢技术可行且效果良好。

电化学透导防垢的整体技术思路为:采用电化学预氧化方式，人为强化水垢在阴极板的形成，然后采用“釜底抽薪”的方式将阴极板的水垢清除，从而改变污水的结垢趋势，达到减垢、防垢的目的。

具体操作步骤为:在水处理系统中增加电化学设备，通过静电引力作用使Ca²⁺、Mg²⁺在阴极板富集，人为造成阴极板附近局部区域Ca²⁺、Mg²⁺的质量浓度远大于水溶液中Ca²⁺、Mg²⁺的质量浓度，形成局部过饱和，并与水中CO₃^2-、SO₄^2-、OH^-在阴极区域发生反应从而结垢、沉淀，再定期更换结垢电极或清洗排出，去除污水中的部分成垢离子。

电化学诱导防垢试验装置:自制亚克力密封装置 (长、宽、高均为10 cm)，按进 (出) 水口2或3计算有效容积650 mL，阳极板面积25 cm²，电极板间距10~90 mm可调，稳压直流电源电压0~10 V、电流0~2 A。试验装置如图 1所示。

图 1 电化学诱导防垢试验装置示意 Fig.1 Schematic of the experimental device used in electrochemical induction scaling prevention

图选项

试验步骤:1) 取650 mL水样注入电化学诱导防垢装置，使电极完全浸入；2) 在一定电流、电压条件下进行防垢试验；3) 每隔10 min用注射器取样；4) 使用等离子发射光谱仪测定电化学诱导防垢试验前水样以及每次取样的Ca²⁺、Mg²⁺质量浓度，计算其去除率。

现场小试中使用滴定法检测水样的Ca²⁺、Mg²⁺和其他离子的质量浓度变化情况，计算Ca²⁺、Mg²⁺总量的去除率，并计算理论结垢量，分析结垢趋势的变化情况。

分别使用304不锈钢、纯钛、合金，制成5 cm×5 cm的阴极试片，在封闭试验装置中放置650 mL水样，进行阴极材料的优选试验；同时，为分析CO₂自然溢出的影响，敞口放置一组空白水样作为对比，放置同样时间 (15 min) 后检测硬度进行对比。水样中Ca²⁺、Mg²⁺质量浓度的变化结果见表 1。

由表 1可知，不锈钢的Ca²⁺、Mg²⁺去除率最高，合金次之，纯钛较低。油田污水中Cl^-质量浓度较高，易造成不锈钢腐蚀，因此选择合金作为阴极材料。

选择合金阴极试片，改变极板间距，考察极板间距对水样处理效果的影响。试验结果见表 2。

由表 2可知，极板间距不同时，Ca²⁺、Mg²⁺的去除率有所差异，但差异不大。为节省电能，应使用较小的极板间距以降低电压。

选择合金阴极试片，使用钛基稳阳极，在相同条件下，进行不同阴极面积对Ca²⁺、Mg²⁺去除率的影响试验，结果见表 3。

从表 3可以看出，随着阴极面积增大，Ca²⁺、Mg²⁺的去除率升高。因此，在条件允许的情况下，应该尽可能增大阴极面积。

使用合金阴极试片，选择相同的电流、电压，调节出水口设置，使水样分别以流过阴阳极区 (关闭图 1中2，并使1为进水口，3为出水口) 和仅流过阴极区 (关闭图 1中3，并使1为进水口，2为出水口)2种形式循环流过处理装置，评价2种水流形式下的防垢效果，结果见表 4。

由表 4可知，水样流经阴阳极区的Ca²⁺、Mg²⁺的去除率高于只流经阴极区的去除率。因此，现场施工时，要采用污水流过阴阳极区的水流方式。

在室内试验的基础上，将试验装置放大20倍，设计加工了电化学诱导防垢小试装置，选择FM站污水进行现场小试。试验流程如图 2所示，连续流诱导防垢处理结果见表 5。

图 2 FM站污水处理试验流程 Fig.2 Process of produced water treatment at the FM station

图选项

由表 5可知，FM站污水经电化学诱导防垢处理后，水中结垢离子Ca²⁺的质量浓度下降了18.2%，HCO₃^-质量浓度下降了23.6%。

用Scalechem 3.1垢化学分析软件对处理前后的水样进行了结垢预测，结果如图 3所示。

图 3 污水处理前后的结垢趋势预测 Fig.3 Prediction of scaling trends before and after produced water treatment

图选项

从图 3可以看出，经电化学诱导防垢技术处理后，FM站污水理论结垢量明显下降，35 ℃时的理论结垢量下降了43.4%，结垢趋势值也有较大程度的下降，起到了较好的防垢效果。

1) 针对油田注水开发过程中的水体结垢问题，加阻垢剂进行阻垢处理的方式存在药剂作用距离有限、效果受环境因素变化影响较大的缺点，而减少成垢离子的方法防垢效果更好。

2) 油田污水电化学诱导防垢新技术，通过人为强化Ca²⁺、Mg²⁺和CO₃^2-、SO₄^2-、OH^-在阴极区域反应并结垢析出，有效降低了污水中成垢离子的质量浓度，从根本上改善了水体的结垢状况，是一种“釜底抽薪”的防垢工艺。

3) 现场试验结果证明，经电化学诱导防垢技术处理后，污水理论结垢量可下降43.4%，表明该技术思路可行，且防垢效果良好。

4) 水流形式试验表明，油田污水电化学诱导防垢不只阴极起作用，而是阴阳极共同参与的电化学过程。因此，具体防垢机理尚有待进一步研究。