川西北气矿邛西区块处于气田开发的中后期阶段,气田广泛产出含有高浓度成垢离子的水。气田产出水和天然气在地面集输管道流动的过程中,沿线温度、压力、气液相流速等参数的变化打破了成垢离子间的化学反应平衡状态,使成垢离子之间发生化学反应,形成垢晶体并被管壁所吸附,导致管道内出现结垢问题,甚至堵塞管道和阀门,严重影响了天然气集输管道的安全和高效运行。针对川西北气矿天然气集输管道的结垢问题,基于热力学、结晶动力学和流体动力学理论,采用实验、理论和数值模拟相结合的方法,研究了川西北天然气集输管道内结垢机理和防垢方法,通过现场实验验证了理论和方法的正确性,为天然气集输管道防垢方案的制定提供了理论和技术支撑。研究内容和取得的主要成果如下：(1)调研了川西北气矿邛西区块的集输管道分布情况,选取邛西6井、邛西12井、邛西14井和白马8井作为典型研究对象。采集了上述四口井气田水水样、邛西14井和白马8井集输管道垢样；采用液相离子色谱法对水样中的离子成分进行了分析,发现其中含有较高浓度的HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Ba2+和Sr2+等成垢离子；采用扫描电子显微镜法、高温失重法、X射线能谱分析(EDX)和X射线衍射分析法(XRD)对垢样的微观形貌、组成进行了分析,发现邛西14井的垢样中碳酸钙垢约占85%,并夹杂10%腐蚀垢物；白马8井的结垢物中碳酸钙的含量约为85%,夹杂约6%腐蚀垢物。(2)以实验数据为基础,结合化学反应热力学和结晶动力学原理,研究了川西北气矿天然气集输管道的结垢机理；指出水样中含有大量的HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、 Ba2+和Sr2+等成垢离子间的化学反应、管道输送过程中热力学条件变化,以及晶体颗粒的生成和管壁对晶体颗粒的吸附,是共同导致天然气集输管道结垢的主要原因。分别采用饱和指数法、稳定指数法和BP神经网络方法对结垢趋势进行了预测。针对稳定指数法和饱和指数法未考虑矿化度和流速对结垢的影响,预测结果不够准确的问题,研究了采用BP神经网络进行结垢趋势预测的方法；以结垢离子浓度、温度、压力、pH值、矿化度和流速作为BP神经网络的输入参数,结垢趋势作为输出参数；通过反复训练,确定了神经网络的最佳结构,包括隐层节点数、阈值和权重。预测结果表明,BP神经网络可以准确预测天然气集输管道的结垢趋势,克服了稳定指数法和饱和指数法的局限性,为分析管道内的结垢可能性提供了理论依据。(3)川西北气矿天然气集输管道内的结垢是化学反应、结晶和吸附效应共同作用的复杂过程。以此为基础,结合有限速率／涡耗散理论的化学反应流动模型、欧拉-拉格朗日法颗粒离散相数学模型,建立了基于化学反应流动的天然气集输管道结垢速率数值模拟模型。根据川西北气矿的实际结垢数据,基于化学反应原理计算了模型中的结垢速率常数,为准确分析管道内的结垢规律奠定了基础。基于所建立的模型,采用FLUENT软件模拟了CaCO3颗粒在集输管道直管段和水平弯管中的生成与结垢过程。发现在直管段管道内压力、介质流速与固体垢颗粒的沉积速率呈负相关关系；管道内温度、颗粒浓度与沉积速率呈正相关关系；CaCO3颗粒直径与沉积速率无显著关联。在水平弯管内,管道内压力、介质流速与固体垢颗粒的沉积速率呈负相关关系；弯曲比与沉积速率呈正相关关系；揭示了CaCO3颗粒的生成与沉积规律,为研究有效的防垢对策技术奠定了基础。(4)以实验和理论研究成果为基础,开展了基于电子防垢器的物理除垢技术现场实验研究,结果表明电子防垢器只能在短时间内起到防垢作用,并不能长期应用于现场的防垢。针对这一问题,进一步开展了化学防垢技术研究；考虑水样、垢样的成分,初选了11种防垢剂；从防垢剂对pH值、钙离子浓度、碱度、氧化性杀菌剂的适应性、热稳定性、防垢剂作用下的沉积垢形态,共六个方面评价了防垢剂的防垢性能；筛选出聚丙烯酸(PAA)、水解聚马来酸酐(HPMA)、马来酸-丙烯酸共聚物(MA-AA)、聚冬氨酸(PASP)和聚环氧琥珀酸(PESA)作为具有较好防垢性能的单一防垢剂。为了达到最佳的防垢效果,开展了多种防垢剂的防垢性能复配研究,获得了适用于邛西6井,邛西12井、邛西14井的最佳的防垢剂复配方案,实验中的防垢率可达85%以上。(5)根据防垢剂复配成果,制定了包括酸洗、加注防垢剂的实验方案,在邛西14井和白马8井开展了现场实验。结果表明,针对邛西14井水质情况,防垢剂(水解聚马来酸酐(HPMA)与聚丙烯酸(PAA)按2：3复配)的实际应用效果非常好,加注防垢剂能延长该排污管道的使用寿命；在白马8井通过加注防垢剂与不加注防垢剂管线的试验结果对比,加入防垢剂后,管道的结垢现象显著减弱,验证了理论和方法的正确性。