南堡油田注水井結(jié)垢原因分析

王永強 楊 霞 劉生銀 梁振華 花 宇

(1.西南石油大學石油工程學院，成都 601500;2.中國石油冀東油田分公司南堡油田作業(yè)區(qū)，河北 唐山 063000;3.中國石油冀東油田分公司開發(fā)技術公司，河北 唐山 063000)

南堡油田注水井在作業(yè)時存在不同程度的結(jié)垢現(xiàn)象，井筒結(jié)垢較嚴重，結(jié)垢注水井水源均來自南堡1-1人工島的污水處理站外輸水。結(jié)垢給注水井帶來了嚴重的危害，降低了注水系統(tǒng)效率，增加了修井的次數(shù)，使注水井壓力不斷上升，影響了正常注水。本次研究將對南堡油田注水井結(jié)垢原因進行分析。

1 垢質(zhì)類型分析

對結(jié)垢注水井垢樣進行光譜分析，得到表1所示垢質(zhì)離子分統(tǒng)計數(shù)據(jù)。從表1可以看出，形成垢質(zhì)的主要是碳酸鈣，還有少部分的碳酸鎂。碳酸鎂的溶解度大于碳酸鈣，在蒸餾水中碳酸鎂溶解度比碳酸鈣高4倍。在既含碳酸鎂同時也含碳酸鈣的水中，任何促使碳酸鎂和碳酸鈣溶解度降低的條件，會首先形成碳酸鈣垢?？梢哉J為，南堡油田注水井結(jié)垢的主要垢質(zhì)類型是碳酸鈣垢。

2 碳酸鈣結(jié)垢預測

2.1 stiff-davis方法

運用stiff-davis方法預測碳酸鈣結(jié)垢，首先計算結(jié)垢指數(shù) SI［1］:

式中:SI—飽和度指數(shù)，也叫結(jié)垢指數(shù);

A—實際測定的水樣pH值;

pCa—Ca2+濃度的負對數(shù)，濃度的單位為mol/L;

pAlk—總堿度的負對數(shù)，總堿度是水中HCO3-和CO23-濃度之和，濃度單位mol/L;

K— stiff-davis常數(shù)，溫度和離子強度的函數(shù)。

表1 垢樣分析檢測結(jié)果統(tǒng)計數(shù)據(jù) %

若SI小于0，則表示CaCO3未飽和，不會結(jié)垢;若SI大于0，則表示CaCO3飽和，可能結(jié)垢。當SI等于0時，表示碳酸鈣在水中飽和，此時Ca2+含量為臨界值。

計算出不同溫度下的Ca2+含量的臨界值，再與水性分析中Ca2+含量相對比，即可預測南堡1-1人工島污水處理站的外輸水是否存在結(jié)垢趨勢。

2.2 定解條件

由公式(1)可知，影響碳酸鈣飽和度指數(shù)的因素主要包括 pCa，pAlk，A，K，其中 K 為常數(shù)，根據(jù)離子強度I來確定。通常I≈ TDS/58 400，TDS為總礦化度，單位 mg/L［2］。

南堡油田注水井水源，即南堡1-1人工島污水處理站外輸水，pH值一直保持在7.0，故A=7.0。

常壓條件下，2010年4月至2013年2月期間南堡1-1人工島污水處理站外輸水的總礦化度和總堿度變化平穩(wěn)，平均總礦化度為3 701 mg/L，平均總堿度為19.58 mmol/L。

對總礦化度、總堿度的最大值和最小值加以驗證，發(fā)現(xiàn)總礦化度和總堿度在實際生產(chǎn)過程中對碳酸鈣結(jié)垢作用極小，可忽略不計，故總礦化度和總堿度可取平均值。

2.3 模型求解

當TDS為3 701 mg/L時，計算得到離子強度I約為0.06，查得不同溫度下的K值(見表2)。

表2 不同溫度下的K值

當總堿度為19.58 mmol/L時，計算出總堿度的負對數(shù) pAlk為 1.71。

同時計算出不同溫度下的臨界Ca2+濃度和含量。水性分析化驗的條件為常壓室溫，室溫接近20℃。經(jīng)過計算，確定常壓、20℃條件下南堡1-1人工島污水處理站的外輸水臨界結(jié)垢Ca2+含量為51.6 mg/L。

3 Ca2+來源分析

根據(jù)南堡油田注水井注水水源流程走向，利用逆推的方法，從南堡1-1人工島污水處理站的外輸水逐級向上游追溯Ca2+來源。

3.1 注水井注水水源流程

南堡油田注水井注水水源來自南堡1-1人工島污水處理站外輸水，處理站的外輸水是采油一區(qū)至五區(qū)來液進入南堡1-1人工島三相分離器脫水后經(jīng)污水處理的混合水。圖1所示為南堡油田注水井注水水源流程圖。

3.2 三相分離器水出口水性分析

1#、2#、3#三相分離器水出口至南堡1-1人工島外輸水過程中需經(jīng)過原油脫水和污水處理系統(tǒng)。系統(tǒng)中分別加入藥劑:三相所加破乳劑為聚醚類;接收水罐所加反相破乳劑為聚季銨鹽類;浮選機所加混凝劑、助凝劑為無機的聚合氯化鋁;殺菌劑為雙季銨鹽類，均不含成垢離子，基本不改變水性［3-7］。

圖1 南堡油田注水井注水水源流程圖

對3個三相分離器水出口Ca2+含量數(shù)據(jù)進行分析，取一段時間內(nèi)的Ca2+含量變化為研究對象，與20℃時、常壓下的臨界結(jié)垢Ca2+含量進行對比分析。3個三相分離器水出口Ca2+含量變化結(jié)果顯示，2#三相分離器水出口Ca2+含量最高，平均Ca2+含量在 1 113 mg/L，遠大于 51.6 mg/L，可以認為Ca2+主要源自采油三區(qū)來液。

3.3 系統(tǒng)來液水性分析

南堡油田各采油區(qū)系統(tǒng)來液包括油井采出液、水源井采出液和壓井液，共3部分。

3.3.1 油井采出液水性對比分析

選擇不同區(qū)塊、不同層位的代表井進行水性分析，對采出液的Ca2+含量與臨界結(jié)垢Ca2+含量進行對比分析。分析結(jié)果顯示:除奧陶系3口井外，南堡油田油井采出液平均Ca2+含量均小于51.6 mg/L，奧陶系3口水井Ca2+含量達8 695 mg/L。3口井均使用過高密度壓井液。在使用高密度壓井液前，其歷史水性分析顯示平均Ca2+含量在20 mg/L左右，小于51.6 mg/L。

3.3.2 水源井采出液水性對比分析

對水源井進行水性分析，結(jié)果顯示水源井Ca2+含量為5.46 mg/L，約為臨界結(jié)垢 Ca2+含量的1/10。表3為南堡油田水源井采出液水性分析結(jié)果。

表3 南堡油田水源井采出液水性分析結(jié)果

3.3.3 壓井液水性對比分析

對壓井液進行水性分析，結(jié)果顯示優(yōu)質(zhì)壓井液中Ca2+含量為262 mg/L;高密度壓井液中Ca2+含量為180×103mg/L，均超過臨界結(jié)垢Ca2+含量。壓井夜應為南堡油田結(jié)垢的主要鈣來源，且以高密度壓井液為主。表4所示為壓井液水性分析結(jié)果。

表4 壓井液水性分析結(jié)果

綜上所述，南堡1-1人工島污水處理站外輸水中的Ca2+主要來源于高密度壓井液，南堡油田的水型是NaHCO3。由此可以判斷南堡油田注水井結(jié)垢的原因就是高密度壓井液中的Ca2+和HCO23-結(jié)合，在井中受到溫度和壓力的影響，形成碳酸鈣垢。

4 結(jié)語

注水井結(jié)垢對油田生產(chǎn)影響極大，找到結(jié)垢原因、減少結(jié)垢危害對于油田安全生產(chǎn)、提高注水效率非常重要。本次研究中利用stiff-davis方法計算出南堡1-1人工島污水處理站外輸水常壓室溫下的臨界結(jié)垢Ca2+含量，明確主要成垢Ca2+來源為高密度壓井液。在今后的生產(chǎn)實踐中，可以有針對性地采取措施，治理注水井結(jié)垢。

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