湍流条件下碳酸钙垢形成的机制与区域动态：对地质能源系统的启示

《Geoenergy Science and Engineering》：Mechanisms and zonal dynamics of calcium carbonate scaling under turbulent flow: Implications for geoenergy systems

　　**作者列表：**
Gustavo L.C. Pires | Gabriel S. Machado | Juliana B.R. Loureiro | Hélisson N.dos Santos | Fabio Ramos

**所属机构：**
巴西里约热内卢联邦大学（Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ）地球科学研究所（Instituto de Geociências）地质学系

**摘要：**
在湍流条件下，矿物 scaling（结垢现象）仍是地质能源和地热生产中的关键操作难题。热化学不平衡会促进碳酸盐沉淀，降低系统效率。本研究采用多种方法综合分析了不同实验条件下管道中碳酸钙结垢的形成过程。通过系统地改变流速、温度、压力和溶液过饱和度，我们确定了主要的结垢机制（离子沉积与颗粒沉积）及其控制因素。实验设计模拟了最恶劣的情况——在指定混合点瞬间生成过饱和流体。结果表明，管道前20米区域最易发生结垢，结垢厚度随饱和度比（SR）的增加而直接增大，即使温度略有升高，结垢厚度也会几乎翻倍。显微观察识别出四种类型的结垢，对应不同的沉积机制：离子沉积（S1、S2、S3）和颗粒沉积（S4）。在大多数情况下，离子沉积是主要机制；但在高浓度溶液试验中，颗粒沉积成为主导机制。方解石及其亚稳态多形体文石的分布表明，文石先沉淀，随后转变为更稳定的方解石。这种转化受到动力学限制，高浓度、高流速条件下文石更易保存。这些发现为理解地质能源基础设施中的结垢现象提供了机制框架，有助于提高流动保障性、优化系统效率并保障长期可持续性。

**引言：**
全球向低碳和可持续能源系统的转型日益依赖于发展可靠的地质能源基础设施，如地热能开采、碳捕获、利用与储存（CCUS）、地下氢储存以及富含二氧化碳的流体输送。这些过程涉及多相流体与地质或金属表面在动态流动条件下的复杂热化学相互作用（参见Khormali等，2016；Chen等，2005；Karabelas等，2020；Todd等，2022）。这些系统共同面临的一个关键操作挑战是矿物结垢，尤其是碳酸钙（CaCO3）的沉淀，这会显著降低热交换效率、增加流体阻力并加速材料腐蚀（参见Yang等，2016；Helal等，2019；Moriconi等，2022）。因此，理解控制碳酸盐沉淀起始和发展的机制对于确保地质能源基础设施的长期可靠性、安全性和效率至关重要。

尽管关于CaCO3沉淀的基本原理已在化学和环境工程领域得到广泛研究（参见Hammer等，2008；Raharjo等，2016；Bere等，2021；Dilsiz和Mihcakan，2023），但针对地热系统典型条件下的湍流、过饱和度和温度梯度的相互作用的研究较少。在这些情况下，结垢形成的复杂性源于热力学驱动力、动力学屏障和流体动力学效应的相互作用。虽然热力学决定了沉淀是否可能发生，但实际沉积过程依赖于多种同时在不同长度和时间尺度上作用的因素。对于地热盐水和富含二氧化碳的流体而言，温度或压力的微小扰动可迅速使系统从欠饱和状态转变为严重过饱和状态（参见Jamero等，2018；Wasch等，2019；Cao等，2025；Jarrahian等，2025a；b）。理解这些机制及其在管道中的空间演变对于制定有效的缓解策略至关重要（参见Ordó?ez，2015；Haklidir和Haklidir，2017；Bu等，2022）。

**研究方法：**
本研究通过控制湍流条件下的管道流动，利用基于图像的分析手段识别和表征不同的沉积机制。结合扫描电子显微镜（SEM）岩相学和颗粒分析技术，直接观察不同操作条件下结垢形态的空间和时间演变。通过系统改变流速、温度和溶液浓度，构建了从以离子沉积为主到离子-颗粒混合沉积的过饱和度范围。实验结果确定了四种典型的结垢形态：

1. **S1**：树枝状多晶方解石结构，具有高度排列的次级晶体，具有丰富的孪晶面和空洞分支，反映了在高局部过饱和度条件下的快速、受扩散限制的生长过程。这类结垢主要出现在混合区下游的管道部分。
2. **S2**：粒状或自形多晶方解石，晶体结构较为有序，接近理想菱形结构，孪晶面较少，通过垂直堆叠而非横向分支形成，生长速率较慢，处于接近平衡状态的条件。
3. **S3**：介于两者之间的过渡形态，其中粒状方解石与灌木状文石共存，表明经历了亚稳态向稳定态的转变，文石的保存反映了动力学限制。这类结垢出现在特定流速和浓度组合下的管道中间区域。
4. **S4**：无内部组织的颗粒状沉积，表明颗粒在流体中形成后附着在管道壁上，具有混沌特征。这类结垢在高流速和高浓度条件下较为常见。

**主要贡献：**
(1) 建立了完全湍流条件下CaCO3结垢的可重复轴向分区框架，并量化了70米管道内11个采样点的结垢厚度趋势；
(2) 开发了基于SEM的形态-机制映射（S1–S4），将沉积微观结构与物理机制联系起来，该映射通过XRD相分析和颗粒分析得到验证；
(3) 直接证明了在高沉积速率条件下文石向方解石的转变过程及动力学限制。

**结论：**
通过对396个结垢样本的分析以及流速、温度和过饱和度的系统变化研究，本研究揭示了控制碳酸钙沉积的基本机制，这些机制可直接应用于地热和其他地质能源系统。

**作者贡献声明：**
Gustavo L.C. Pires：撰写初稿、方法论设计、数据分析、概念化；
Gabriel S. Machado：数据分析、数据管理、概念化；
Hélisson N. dos Santos：数据分析；
Fabio Ramos：撰写初稿、数据管理、概念化。

**利益冲突声明：**
作者声明无可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。Gustavo Pires表示得到了Shell公司的财务支持。其他作者声明无相关利益冲突。

**致谢：**
作者感谢Shell Brasil在里约热内卢联邦大学（NIDF/UFRJ）流体动力学跨学科中心开展的“预测多相流条件下管道和设备无机结垢”项目提供的支持，同时也感谢ANP通过研发税收政策给予的战略性支持。