油田注入水結(jié)垢評價及治理措施

鄭忠文，田世偉，李俊華，路建萍，焦偉杰，張江平，姚 磊

（1.延長油田股份有限責(zé)任公司 青化砭采油廠，陜西 延安716003；2.陜西省石油化工研究設(shè)計院，陜西 西安710054）

在油田的不斷開采過程中，地層能量逐步下降，表現(xiàn)為油井液面下降甚至供油不足，油井產(chǎn)量急劇下降。為了保持或增加油層壓力，使油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及提高石油采收率，油田逐步進入注水開采階段。注水類型有清水注入、清污混注和污水回注等方式。青化砭采油廠注水系統(tǒng)采用清污混注的方式進行注水。兩種水均含有不同的成垢離子，由于水的熱力學(xué)不穩(wěn)定性和化學(xué)不相容性，成垢離子相互作用，就會產(chǎn)生不穩(wěn)定的、易于沉淀的物質(zhì)。同時，地層水中所含的成垢陰陽離子原有的化學(xué)平衡在壓力、溫度和pH 值等因素的變化下被破壞，成垢組分溶解度降低而析出結(jié)晶沉淀，最終造成管線和設(shè)備的腐蝕，BaSO4（Si）、CaCO3、CaSO4結(jié)垢問題和地層堵塞問題，嚴重影響油田的正常生產(chǎn)。

1 油田注水系統(tǒng)水質(zhì)分析

油田注水系統(tǒng)中出現(xiàn)嚴重的結(jié)垢問題多為注入水和地層水含有不同的成垢離子，導(dǎo)致其配伍性較差。因此，需要對油田注入水和地層水的水質(zhì)進行分析。選擇延河水和長6 層位水水樣，依據(jù)《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標及分析方法》（SY/T5329-94）[1]、《油田水分析方法》（SY/T5523-2006）[2]對青化砭油田注水系統(tǒng)進行水質(zhì)分析，具體結(jié)果見表1。

表1 青化砭注水系統(tǒng)水質(zhì)分析結(jié)果（mg·L-1）Tab.1 Water quality analysis results of Qinghuabianwater injection system

2 油田注水結(jié)垢趨勢分析

不同來源的水相混時，應(yīng)根據(jù)水中成垢離子的濃度、理論溶度積常數(shù)的大小，進行成垢離子濃度最大或理論溶度積最小的結(jié)垢趨勢預(yù)測。依據(jù)《油田水結(jié)垢趨勢預(yù)測》（SY/T 0600-1997）[3]對青化砭油田注水系統(tǒng)延河水和長6 層位部分井水的結(jié)垢趨勢進行分析。

2.1 CaCO3 結(jié)垢趨勢預(yù)測

CaCO3結(jié)垢趨勢預(yù)測可采用由Davis 和Stiff 提出的預(yù)測油田水結(jié)垢的飽和指數(shù)法[4]。根據(jù)公式計算及結(jié)垢趨勢判斷方法可知，延河水無CaCO3結(jié)構(gòu)趨勢；長6 除賈88 井外，均有CaCO3結(jié)構(gòu)趨勢。延河水和長6 層位部分井水的CaCO3結(jié)垢趨勢結(jié)果見表2。

表2 河水和地層水的CaCO3 結(jié)垢趨勢結(jié)果Tab.2 Results of CaCO3 scaling trends on riverand formation water

2.2 CaSO4 結(jié)垢趨勢預(yù)測

Skillman 等人以熱力學(xué)溶解度測定為基礎(chǔ)，提出了預(yù)測油田水中硫酸鹽溶解度的計算方法[5,6]，根據(jù)公式計算及結(jié)垢趨勢判斷方法可知，延河水和長6 地層水均無CaSO4結(jié)垢趨勢。延河水和長6 層位部分井水的CaSO4結(jié)垢趨勢結(jié)果見表3。

表3 河水和地層水的CaSO4 結(jié)垢趨勢結(jié)果Tab.3 Results of CaSO4 scaling trends on riverand formation water

2.3 BaSO4 結(jié)垢趨勢預(yù)測

BaSO4結(jié)垢趨勢預(yù)測計算公式如下：

式中 B：水質(zhì)穩(wěn)定后水中BaSO4的結(jié)垢量，mol·L-1；m 和a 分別為初始條件中Ba2+和SO24-的濃度，mol·L-1；Ksp：BaSO4的溶度積。

根據(jù)公式計算及結(jié)垢趨勢判斷方法可得：延河水和長6 地層水均無BaSO4結(jié)構(gòu)趨勢。延河水和長6 層位部分井水的BaSO4結(jié)垢趨勢結(jié)果見表4。

3 油田注水配伍性分析

青化砭油田注水系統(tǒng)采用清污混注的方式進行注水，即將延河水注入到長6 底層水中。現(xiàn)將兩種水以不同比例互配，進行配伍性分析，分析結(jié)果見圖1～3 和表5。

圖1 河水與地表水在不同配比下的CaCO3 結(jié)垢趨勢結(jié)果Fig.1 Results of CaCO3 scaling trends on river and formationwater under different ratios

圖2 河水與地表水在不同配比下的CaSO4 結(jié)垢趨勢結(jié)果Fig.2 Results of CaSO4 scaling trends on river and formationwater under different ratios

圖3 河水與地表水在不同配比下的BaSO4 結(jié)垢趨勢結(jié)果Fig.3 Results of BaSO4 scaling trends on river and formationwater under different ratios

表5 河水與地層水的配伍性結(jié)果Tab.5 Compatibility results of river and formation water

結(jié)果表明，延河水與長6 地層水在一定的配比范圍內(nèi)能形成CaCO3垢；BaSO4的溶度積常數(shù)很低，延河水與長6 地層水對BaSO4垢較敏感，當兩種水一接觸，馬上就有BaSO4沉淀，且在特定配比下BaSO4結(jié)垢最嚴重。

4 油田注水系統(tǒng)垢樣微觀分析

對青化砭油田混注水中的垢樣進行X- 射線衍射儀（XRD）分析，具體結(jié)果見圖4。

圖4 垢樣的XRD 分析圖Fig.4 The XRD analysis chart of scaling sample

XRD 分析表明：配伍性結(jié)垢為BaSO4，溫度壓力變化的為CaCO3，運行過程產(chǎn)生的為FeS 和Fe（OH）3，地層中帶入的SiO2。垢樣分析結(jié)果也驗證了青化砭油田注水系統(tǒng)混注水中CaCO3和BaSO4結(jié)垢趨勢的正確性。

對油田注水系統(tǒng)的潛在結(jié)垢物進行掃描電鏡（SEM）分析（見圖5 和表6）。其形貌及能譜分析表明，潛在結(jié)垢物較疏松，黑白色相混，主要為CaCO3，其次為FeS、SiO2等垢物。

圖5 潛在結(jié)垢物的SEM 圖Fig.5 The SEM figure of potential scaling sample

表6 潛在結(jié)垢物的能譜分析結(jié)果Tab.6 Spectrum analysis results of potentialscaling sample

5 結(jié)垢預(yù)測結(jié)論及防垢措施、建議

關(guān)于青化砭油田注水系統(tǒng)的結(jié)垢趨勢，歸納為以下幾點：（1）單一的長6 地層水有形成CaCO3垢的可能性；（2）延河水和長6 地層水混注時，可形成比較嚴重的CaCO3、BaSO4垢，不會形成CaSO4垢；（3）垢樣經(jīng)XRD 和SEM微觀分析可知，混注水中結(jié)垢物為BaSO4、CaCO3、FeS、Fe（OH）3和SiO2；潛在結(jié)垢物為CaCO3、FeS、SiO2和NaCl 垢物。

針對青化砭注水系統(tǒng)結(jié)垢現(xiàn)狀，可從以下幾個方面提出防垢措施及建議：

（1）油田防垢劑的應(yīng)用 結(jié)合防垢劑的分散作用、螯合和絡(luò)合作用、絮凝作用、變形作用等防垢機理，針對目前油田注水系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重的腐蝕結(jié)垢問題，應(yīng)從防垢劑的藥劑類型、藥劑用量、加藥方式及加藥位置等方面著手進行試驗和研究，找出效果優(yōu)異、應(yīng)用廣泛、經(jīng)濟適宜的油田防垢劑及防垢工藝。

（2）注水方式的改進 因不同類型的水含有不同的成垢離子，混合后其配伍性差甚至出現(xiàn)嚴重的結(jié)垢問題。所以在注入水過程中，應(yīng)避免清污混合及不同層位水混合注入，實行清污水分注、同層位水注入的注入方式。

［1] SY/T5329-94.碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標及分析方法［S].

［2] SY/T5523-2006，油田水分析方法［S].

［3] SY/T 0600-1997，油田水結(jié)垢趨勢預(yù)測［S].

［4] 肖曾利，蒲春生，時宇，等.油田水無機結(jié)垢及預(yù)測技術(shù)研究進展［J].斷塊油氣田，2004，11（6）:76-78.

［5] 關(guān)德，楊寨，魏光華，等.SZ36-1 油田注水系統(tǒng)結(jié)垢趨勢預(yù)測及防垢研究［J].油田化學(xué)，2000，17（2）:136-138.

［6] 周本省.工業(yè)冷卻水系統(tǒng)中金屬的腐蝕與防護［M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995.14.