三元復(fù)合驅(qū)不同體系垢樣形貌特征研究

王瑩瑩，安娜，王舜智

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.廣東珠海金灣液化天然氣有限公司，廣東珠海519000；3.大慶油田第四采油廠，黑龍江大慶163511）

三元復(fù)合驅(qū)不同體系垢樣形貌特征研究

王瑩瑩1，安娜2，王舜智3

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.廣東珠海金灣液化天然氣有限公司，廣東珠海519000；3.大慶油田第四采油廠，黑龍江大慶163511）

針對(duì)三元復(fù)合驅(qū)注入過程中的結(jié)垢問題，運(yùn)用掃描電鏡對(duì)不同體系中垢樣的形貌特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，不同體系中的垢樣主要呈現(xiàn)出塊狀、片狀、球狀、團(tuán)狀和顆粒狀等形貌特征。鈣、鎂離子以及聚合物和表面活性劑的存在會(huì)改變垢樣的形貌特征。

三元復(fù)合驅(qū)；結(jié)垢；掃描電鏡；形貌特征

近年來，隨著化學(xué)驅(qū)技術(shù)的不斷推廣，三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)因可比水驅(qū)提高20%的原油采收率而成為最有前景的化學(xué)驅(qū)采油技術(shù)[1]。驅(qū)油劑（堿/聚合物/表面活性劑）的加入可以降低油水界面張力并改善流度比，從而提高原油采收率，但同時(shí)在驅(qū)油劑在注入地層的過程中，會(huì)與儲(chǔ)層巖石表面接觸并發(fā)生堿溶蝕反應(yīng)，使Si4+，Al3+，Ca2+等成垢離子進(jìn)入溶液中，在一定的條件下這些離子會(huì)與溶液中的陰離子反應(yīng)產(chǎn)生沉淀物并從溶液中析出來，產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，造成管道堵塞、卡泵等一系列問題[2,3]。這既會(huì)影響油田的正常生產(chǎn)，又會(huì)使生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的成本升高，從而限制了三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)的大面積推廣。程杰成等[4]分析報(bào)道了大慶油田三元復(fù)合驅(qū)結(jié)垢樣品中CaCO3的結(jié)晶特性及形貌特征；徐國(guó)民等[5]對(duì)大慶油田采油四廠三元復(fù)合驅(qū)的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其結(jié)垢類型主要以硅酸根和鋁酸根為陰離子，以Ba、Ca、Sr為陽(yáng)離子的垢；李萍等[6]研究了三元復(fù)合驅(qū)油井中硅垢的形成機(jī)理及預(yù)測(cè)模型；陳仕宇等[7]對(duì)弱堿三元復(fù)合驅(qū)結(jié)垢進(jìn)行了分析，并對(duì)防垢技術(shù)進(jìn)行了研究。劉東升等[8]報(bào)道了強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)硅垢的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及防垢措施。目前，已有很多文獻(xiàn)對(duì)三元復(fù)合驅(qū)注入以及采出系統(tǒng)中各類垢的結(jié)垢機(jī)理、特點(diǎn)以及垢樣進(jìn)行了研究[9,10]，但對(duì)不同體系中垢樣的形貌特征缺少系統(tǒng)的研究。本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，配制不同體系溶液，使用掃描電鏡觀察不同體系中硅垢的形貌，并分析不同因素對(duì)硅垢形成的影響，以期為研究硅垢的成垢規(guī)律提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

JSM-35CF型掃描電鏡（日本電子公司）；HWS-28-電熱恒溫水浴鍋（上海百典儀器設(shè)備有限公司）。

聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量1900×104，水解度40%，濃度為100mg·L-1（大慶油田第四采油廠）；表面活性劑，烷基苯磺酸鹽，濃度為100mg·L；硅酸鈉、無CaCl2、MgCl2，均為分析純?cè)噭?/p>

實(shí)驗(yàn)用水為模擬的地層水，礦化度為5432.2mg·L-1，各離子的濃度為：C（CO32-）=1235.4mg·

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

先用配制的模擬地層水配制不同濃度的硅酸鈉溶液，然后向溶液中添加無水CaCl2、MgCl2、聚合物和表面活性劑等，一段時(shí)間后，裸眼觀察硅酸鈉體系的變化情況，最后將各種體系中的垢樣過濾、干燥，用掃描電鏡觀察其微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 高濃度硅體系

圖1為高濃度硅體系結(jié)垢前以及結(jié)垢干燥后的圖片，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)垢前溶液中有大量的白色懸浮絮狀物生成，判斷為多聚硅酸；而干燥后的垢樣呈現(xiàn)出塊狀，結(jié)構(gòu)較松散。

圖1 高濃度硅體系宏觀裸眼全貌圖Fig.1High silicon system macroscopic open hole close-up view

圖2高濃度硅體系硅垢電鏡掃描圖Fig.2High silicon system scale and electron microscope scanning figure

圖2 為高濃度硅體系中硅垢的掃描電鏡圖，圖2（a）為放大200倍的硅垢形貌圖，可以發(fā)現(xiàn)垢樣中的SiO2呈現(xiàn)出塊狀分布特征，大小分布不均勻；圖2（b）放大430倍的硅垢形貌圖，可以看到有未聚合長(zhǎng)大的小塊晶體存在，這說明在結(jié)垢的早期階段，會(huì)先生成小塊的結(jié)晶顆粒，而大塊晶體則是小的結(jié)晶顆粒聚集、生長(zhǎng)形成的。

2.2 鈣/鎂離子的低濃度硅體系

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，無Ca2+、Mg2+的溶液體系均一透明無沉淀；而加入無水CaCl2、MgCl2后，立即產(chǎn)生白色沉淀，見圖3。并且白色顆粒狀沉淀會(huì)逐漸增多，并有絮狀物生成，推測(cè)為多聚硅酸；硅酸會(huì)不斷聚集并沉積在溶液底部形成致密的沉淀層。20d后，產(chǎn)生顆粒狀的硅垢，見圖3。

圖3 Ca2+、Mg2+的低濃度硅體系裸眼全貌圖Fig.3Low concentration of silicon containing calcium and magnesium ions system open hole close-up view

圖4Ca2+、Mg2+低濃度硅體系硅垢電鏡掃描圖Fig.4Calcium magnesium ions of low concentration silicon system scale and electron microscope scanning figure

圖4 （a）是加入鈣、鎂離子的硅垢全貌圖。

由圖4可以看到，除了大塊的晶體狀物質(zhì)外，存在許多細(xì)小顆粒狀物質(zhì)，將硅垢放大2000倍后，如圖4（b）所示，觀察到垢樣形狀以球形和橢球形為主。球形較規(guī)則，有些球形聚集，有些為獨(dú)立的細(xì)小顆粒，說明硅垢是以碳酸鹽垢為晶核逐漸聚合形成的。

2.3 鈣/鎂/聚合物的低濃度硅體系

實(shí)驗(yàn)過程中同樣發(fā)現(xiàn)單一硅離子溶液體系均一、透明無沉淀產(chǎn)生；同時(shí)Ca2+、Mg2+和聚丙烯酰胺后，會(huì)產(chǎn)生呈現(xiàn)漁網(wǎng)狀的團(tuán)狀結(jié)構(gòu)白色沉淀，只是由于聚合物粘度較大，具有捕捉、粘附作用，致使硅垢呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，干燥后在容器底部形成條狀垢質(zhì)，見圖5。

圖5 Ca2+、Mg2+及聚合物的低濃度硅體系裸眼全貌圖Fig.5Low concentration of silicon containing calcium and magnesium ions and polymer system open hole close-up view

圖6Ca2+、Mg2+及聚合物體系硅垢的電鏡掃描圖Fig.6Calcium and magnesium ions and electron microscope scanning figure of silicon polymer system scale

圖6 為含Ca2+、Mg2+及聚合物體系硅垢的電鏡掃描電鏡圖，將垢樣放大200倍，可以觀察到其形狀多為不規(guī)則的塊狀體，并能清楚的看到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；垢樣放大430倍，呈現(xiàn)長(zhǎng)條形垢，這是由于聚合物黏性大使多聚硅酸附著其上而形成；垢樣放大9000倍，較疏松，團(tuán)狀和長(zhǎng)條狀垢質(zhì)形態(tài)明顯。

2.4 鈣/鎂/表面活性劑的低濃度硅體系

向溶液中加入Ca2+、Mg2+及表面活性劑后，產(chǎn)生白色細(xì)顆粒狀沉淀。表面活性劑的特殊性質(zhì)使得各分子的表面性質(zhì)在多聚硅酸形成的過程中接近，致使硅垢各自分散、獨(dú)立存在。從圖7中可以看出，含表面活性劑硅垢干燥后基本都是分散、獨(dú)立的。

圖7 Ca2+、Mg2+及表面活性劑的低濃度硅體系裸眼全貌圖Fig.7Contains calcium and magnesium ions and low concentrations of surfactants silicon system open hole close-up view

圖8 Ca2+、Mg2+及表面活性劑體系硅垢的電鏡掃描圖Fig.8Containing calcium and magnesium ions and surfactant system silicon scale of electron microscope scan

圖8內(nèi)垢樣放大500倍后，觀察到多硅酸呈現(xiàn)出顆粒狀，且形狀各異。而放大5000倍后，發(fā)現(xiàn)多聚硅酸多以小顆粒聚集在一起，且顆粒分布密度較大。

2.5 鈣/鎂/聚合物/表面活性劑的低濃度硅體系

加入鈣、鎂離子、聚合物及表面活性劑后，溶液變的渾濁，后逐漸形成網(wǎng)狀沉淀，見圖9。將沉淀干燥后，呈現(xiàn)為片狀或條狀。

圖9 Ca2+、Mg2+、聚合物及表面活性劑的低濃度硅體系裸眼全貌圖Fig.9Containing calcium and magnesium ions,the low concentration of the polymer and surfactant system open hole close-up view

圖10 Ca2+、Mg2+、聚合物及表面活性劑體系硅垢的電鏡描圖Fig.10Containing calcium and magnesium ions,polymer and surfactant system silicon scale of electron microscope scan

從圖10中可以看到，混合垢由晶體硅垢、條狀硅垢以及分散的不規(guī)則片狀、團(tuán)狀、球狀的垢質(zhì)組成，結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。將其中具有特點(diǎn)的部分再放大到3000倍，可以看出，由于聚合物的存在，捕捉和粘附的多聚硅酸形成片狀的硅垢，而表活劑的特殊性質(zhì)使垢表面性質(zhì)相近，又起到一個(gè)分散的作用，這樣就使硅垢呈現(xiàn)出網(wǎng)狀中間的絲狀形態(tài)。

3 結(jié)論

高濃度單一硅體系，垢樣呈現(xiàn)出塊狀分布特征，且大小分布不均勻；鈣/鎂低濃度硅體系，垢樣呈現(xiàn)出球狀和橢球狀特征；鈣/鎂/聚合物的低濃度硅體系，垢樣也呈現(xiàn)出不規(guī)則的塊狀體特征，較疏松；鈣/鎂/表面活性劑的低濃度硅體系，呈現(xiàn)出顆粒狀特征，且形狀各異；鈣/鎂/聚合物/表面活性劑的低濃度硅體系，垢樣主要由條狀、不規(guī)則片狀、團(tuán)狀和球狀垢質(zhì)組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

［1］程杰成，廖廣志，楊振宇，等.大慶油田三元復(fù)合驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)綜述［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2001，20（2）：46-49.

［2］隋欣.三元復(fù)合驅(qū)硅垢形成規(guī)律與主要控制因素研究［D］.大慶石油學(xué)院，2006.

［3］程杰成，王慶國(guó)，周萬富，等.三元復(fù)合驅(qū)硅垢防垢劑SY-KD的合成及應(yīng)用［J］.高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（2）：332-337.

［4］程杰成，周萬富，王慶國(guó)，等.大慶油田三元復(fù)合驅(qū)結(jié)垢樣品中碳酸鈣的結(jié)晶特性及形貌特征［J］.高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33（6）：1138-1142.

［5］徐國(guó)民，將玉梅，黨慶功，等.大慶油田采油四廠三元復(fù)合驅(qū)結(jié)垢類型研究［J］.石油與天然氣化工，2013，42（1）：58-60.

［6］李萍，程祖鋒，王賢君，等.三元復(fù)合驅(qū)油井中硅垢的形成機(jī)理及預(yù)測(cè)模型［J］.石油學(xué)報(bào)，2003，24（5）：63-66.

［7］陳仕宇，劉安芳，孫雪娜，等.弱堿三元復(fù)合驅(qū)結(jié)垢分析及除防垢技術(shù)研究［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2006，25：97-99.

［8］劉東升，李金玲，李天德，等.強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)硅結(jié)垢特點(diǎn)及防垢措施研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2007，28（5）：139-141.

［9］陳園園，王寶輝，隋欣，等.三元復(fù)合驅(qū)硅酸鹽垢的影響因素及結(jié)垢機(jī)理研究［J］.油田化學(xué)，2010，27（4）：449-452.

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Study on the characteristics of scale morphology of ASP flooding system
WANG Ying-ying1，AN Na2,WANG Shun-zhi3
（1.School of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.Guangdong Zhuhai Jinwan LNG Corp,Zhuhai 519000，China;3.Oil Recovery Plant No.3,Daqing Oilfield Company Limited,Daqing 163511,China）

In order to solve the problem of scaling in the process of ASP flooding,the morphology of the scale in different systems was studied by scanning electron microscope.The results showed that the scale of the different system are mainly composed of massive,flaky,globular,agglomerate and granular.The presence of calcium and magnesium ions,as well as polymer and surfactant,can change the morphology of the scale.

ASP flooding;scaling;scanning electron microscope;morphological characteristics

TE39

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170885

2017-03-28

王瑩瑩（1993-），女，黑龍江巴彥人，在讀碩士研究生，研究方向：油田采出水處理。