油田水結(jié)垢預(yù)測技術(shù)研究進(jìn)展

劉 倩，彭素芹，高建瑞，王漢雄，梁昌晶

(1. 中國石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083； 2. 中國石油華北油田公司第二采油廠 河北 廊坊 065700；3. 中國石油華北油田公司辦公室 河北 任丘 062552； 4. 河北華北石油港華勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 河北 任丘 062552)

0 引 言

目前大部分陸上油田已進(jìn)入高含水期，大慶、華北、遼河、大港、河南、江漢等油田已進(jìn)入特高含水期，隨著采出水量的不斷增加，集輸和注水過程中水質(zhì)的腐蝕和結(jié)垢問題越來越嚴(yán)重。結(jié)垢一方面會造成地面管線的管徑縮小，壓力上升，熱損失加大，動力能耗加大；另一方面會造成地層孔隙堵塞，孔喉變小，影響水驅(qū)效果，降低采出速率，同時(shí)無機(jī)垢會在金屬管線表面形成垢層，阻礙緩蝕劑與管線接觸，造成垢下濃度差電化學(xué)腐蝕，加速管線腐蝕穿孔[1-2]。

油田水結(jié)垢的類型一般可分為無機(jī)鹽垢、懸浮物垢、微生物垢和腐蝕垢4種，其中以碳酸鹽和硫酸鹽為代表的無機(jī)鹽垢最為常見，危害也最大。通過對目前應(yīng)用的三類主要結(jié)垢預(yù)測模型(指數(shù)預(yù)測模型、軟件預(yù)測模型、數(shù)值分析預(yù)測模型)進(jìn)行梳理和總結(jié)，達(dá)到預(yù)測結(jié)垢趨勢、結(jié)垢種類、結(jié)垢量和結(jié)垢部位的目的，為后續(xù)工藝方案優(yōu)化和管道材料選材提供有力技術(shù)支持。

1 指數(shù)預(yù)測模型

隨著研究人員對結(jié)垢機(jī)理的不斷認(rèn)識，目前已知影響結(jié)垢趨勢的因素有Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、pH、溫度、壓力、礦化度、流速等，通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場比對，逐步形成了指數(shù)預(yù)測模型，這類模型實(shí)用性較強(qiáng)，是現(xiàn)場科研人員對結(jié)垢趨勢預(yù)測的主要手段，部分方法已被列入SY/T 0600—2009《油田水結(jié)垢趨勢預(yù)測》。Ca2+離子具有較強(qiáng)的選擇性，一般先與HCO3-和CO32-離子形成碳酸鹽沉淀后，剩余的Ca2+離子才能與SO42-離子形成硫酸鹽沉淀，這也解釋了大部分現(xiàn)場結(jié)垢產(chǎn)物往往以碳酸鹽垢為主，在此主要以碳酸鹽垢的結(jié)垢預(yù)測模型為主。

1.1 Langlier飽和指數(shù)法

1936年，Langlier[3]為了解決工業(yè)循環(huán)水處理系統(tǒng)中水質(zhì)結(jié)垢現(xiàn)象，經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)分析，提出了飽和指數(shù)的概念，是目前文獻(xiàn)可查的最早的結(jié)垢預(yù)測模型，計(jì)算公式如下：

SI=pH-pHs

(1)

式中，SI為飽和指數(shù)；pH為實(shí)測水的pH值；pHs為CaCO3飽和狀態(tài)下水的pH值。

其中，當(dāng)SI>0時(shí)，溶液為過飽和狀態(tài)，有結(jié)垢趨勢；SI=0時(shí)，溶液與無機(jī)鹽垢保持相平衡，為臨界狀態(tài)；SI<0時(shí)，溶液為未飽和狀態(tài)，無結(jié)垢趨勢。室內(nèi)試驗(yàn)過程提出了假定條件，也界定了適用范圍，適合溫度0～100 ℃、pH值5.5～8.5、離子濃度<6的溶液體系。該方法僅考慮了熱力學(xué)的相關(guān)影響因素，未考慮含鹽量、溫度、壓力、濃縮倍數(shù)以及總堿度(除HCO3-、OH-以外其他堿性離子)的影響，因此在實(shí)際應(yīng)用中誤差較大。

1.2 Davis-Stiff飽和指數(shù)法

1952年，Davis和Stiff[4]針對油田采出水結(jié)垢情況將Langlier公式中的pHs計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)垢趨勢計(jì)算公式如下：

SI=pH-K-pCa-pAlK

(2)

(3)

(4)

式中，K為修正系數(shù)，由不同溫度時(shí)離子強(qiáng)度μ與修正系數(shù)K的關(guān)系圖查得；pCa為Ca2+濃度(mol/L)的負(fù)對數(shù)；pAlK—總堿度(mol/L)的負(fù)對數(shù)；[CO32-]為CO32-濃度，mol/L；[HCO3-]為HCO3-濃度，mol/L；μ為離子強(qiáng)度；ci為第i種離子濃度，mol/L；zi為第i種離子價(jià)數(shù)。

SI判定原則與Langlier法相同。從公式來看，該方法綜合考慮了溫度、壓力、離子強(qiáng)度、總堿度對結(jié)垢趨勢的影響，是目前油田應(yīng)用最為廣泛的結(jié)垢趨勢預(yù)測模型之一，但由于現(xiàn)場取樣過程中水樣會不可避免的接觸氧及其他雜質(zhì)，導(dǎo)致pH值、CO32-離子濃度、HCO3-離子濃度發(fā)生變化，同時(shí)該方法未考慮氣體在溶液中的影響因素，因此在實(shí)際應(yīng)用中也會產(chǎn)生誤差。Davis-Stiff飽和指數(shù)法預(yù)測模型的適用條件跟Langlier法相同。

1.3 Ryznar 穩(wěn)定指數(shù)法

1944年，Ryznar[5]根據(jù)給水系統(tǒng)的相關(guān)特點(diǎn)，在Davis-Stiff飽和指數(shù)法的相關(guān)基礎(chǔ)上，提出了穩(wěn)定指數(shù)的概念，結(jié)垢趨勢計(jì)算公式如下：

SAI=2(K+pCa+pAlK)-pH

(5)

式中，SAI為穩(wěn)定指數(shù)。

其中，SAI≥6，無結(jié)垢趨勢；SAI<6，有結(jié)垢趨勢；SAI<5，結(jié)垢趨勢較嚴(yán)重。各油田可根據(jù)自身水質(zhì)特點(diǎn)，對判定數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，如中原油田認(rèn)定在SAI>7時(shí)，無結(jié)垢趨勢，6.5

1.4 John預(yù)測方法

1982年，John等[7]針對Langlier和Davis-Stiff飽和指數(shù)法無法預(yù)測高溫、高壓環(huán)境下結(jié)垢傾向的問題，對飽和指數(shù)公式進(jìn)行了優(yōu)化，為高溫高壓下注水摻液系統(tǒng)提供了結(jié)垢預(yù)測方法，公式如下：

(6)

SI判定原則與Langlier法相同。John模型的缺點(diǎn)是由于流體動力學(xué)對結(jié)垢傾向的影響，在高溫高壓條件下有些飽和水會結(jié)垢，而有些不會結(jié)垢，在實(shí)際應(yīng)用中誤差較大，該模型應(yīng)用較少。

1.5 Odd-Tomson飽和指數(shù)法

1994年，Odd-Tomson[8]在熱力學(xué)的原理上，綜合考慮了活度積理論、溶度積理論和離子締合理論，在此基礎(chǔ)上完善了飽和指數(shù)模型，給出了有氣體析出和無氣體析出時(shí)的結(jié)垢趨勢計(jì)算，其中無氣相存在的公式如下：

(7)

(8)

(9)

其中，IS>0時(shí)，有結(jié)垢趨勢；IS=0時(shí)，臨界狀態(tài)；IS<0時(shí)，無結(jié)垢趨勢。從公式看，該方法綜合考慮了系統(tǒng)中溫度、壓力、成垢的Ca2+離子、CO32-和HCO3-離子濃度、礦化度及其油氣水含量結(jié)垢因素，且考慮了CO2的逸度系數(shù)以及在油、氣、水中的含量比例，在有無氣相存在時(shí)均可使用該模型。經(jīng)過研究人員在現(xiàn)場應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該模型不僅可用于單一結(jié)垢產(chǎn)物的預(yù)測，也可用于復(fù)合型結(jié)垢產(chǎn)物的預(yù)測。

1.6 飽和度指數(shù)法

2000年，羅明良等[9-10]通過對大慶、吉林以及吐哈等油田現(xiàn)場水樣進(jìn)行分析，以經(jīng)典溶液理論、溶度積理論、離子締合理論為基礎(chǔ)，考慮了油藏條件下溫度、壓力對結(jié)垢趨勢的影響，對Davis-Stiff飽和指數(shù)法進(jìn)行了改進(jìn)，給出了適合國內(nèi)陸上油田采出水的碳酸鹽和硫酸鹽結(jié)垢趨勢計(jì)算，碳酸鹽飽和度指數(shù)公式如下：

(10)

式中，h～m為擬合系數(shù)，無量綱；μ為離子強(qiáng)度；t為溫度，℃；p為絕對壓力，MPa。

硫酸鹽飽和度指數(shù)公式如下：

(11)

式中，a～g為擬合系數(shù)，無量綱；μ為離子強(qiáng)度；t為溫度，℃；p為絕對壓力，MPa;Me表示Ca2+,Ba2+,Sr2+等陽離子。

其中，IS>0時(shí)，有結(jié)垢趨勢；IS=0時(shí)，臨界狀態(tài)；IS<0時(shí)，無結(jié)垢趨勢。同時(shí)根據(jù)成垢陰陽離子在地層多孔介質(zhì)中隨時(shí)間運(yùn)移和沉積的特點(diǎn)，通過室內(nèi)試驗(yàn)，根據(jù)質(zhì)量平衡原理，推導(dǎo)出了無機(jī)鹽垢的沉積量，公式如下：

Cd=ρ|φ|σ

(12)

式中，Cd為結(jié)垢量，mg/L；ρ為無機(jī)鹽垢的平均密度，mg/L；φ為平均空氣滲透率；σ為成垢陰陽離子的結(jié)垢量與孔隙體積的比值，m3/m3。

該模型的最大特點(diǎn)是可以對高溫、高壓地層環(huán)境中的結(jié)垢趨勢進(jìn)行預(yù)測，同時(shí)考慮了成垢離子運(yùn)動變化、流體剪切速率以及平均空氣滲透率對結(jié)垢趨勢的影響，更貼近油田的實(shí)際情況，精度較高，具有一定的普適性。通過對大慶龍虎泡油田、吉林新民油田[9-10]進(jìn)行應(yīng)用，預(yù)測結(jié)垢類型主要為CaCO3，且溫度、壓力變化對預(yù)測結(jié)果影響較大，與實(shí)際情況基本吻合。

1.7 飽和指數(shù)方程

(13)

其中，IS=0，溶液為臨界狀態(tài)，固液平衡；IS>0，溶液為過飽和狀態(tài)，有結(jié)垢趨勢；IS<0，溶液為未飽和狀態(tài)，無結(jié)垢趨勢。在相同的離子強(qiáng)度條件下，溫度、壓力與IS呈良好的線性關(guān)系，IS隨溫度的升高而上升，隨壓力的上升而下降，相同的條件下，IS在地層和地面的變化趨勢基本一致。因此該模型可以通過對常溫常壓下(0.1 MPa，25 ℃)地面水質(zhì)進(jìn)行取樣化驗(yàn)，模擬推測地層及井筒高溫高壓環(huán)境的實(shí)際結(jié)垢狀態(tài)。通過對大慶油田喇北東和南5區(qū)塊62口油井進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)到90%。

2 軟件預(yù)測模型

隨著工程管理、軟件仿真和計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，越來越多的研究人員在指數(shù)預(yù)測模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件編程，通過簡單的輸入水樣相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對結(jié)垢趨勢的相關(guān)預(yù)測。

2.1 SDCQPC結(jié)垢預(yù)測軟件

1995年，朱義吾等[12]設(shè)計(jì)了模擬地層環(huán)境下的高溫高壓反應(yīng)釜試驗(yàn)裝置，用于預(yù)測地層條件下硫酸鹽的結(jié)垢趨勢。以Jaeques等[7]推導(dǎo)的硫酸鍶結(jié)垢趨勢預(yù)測模型為基礎(chǔ)，通過試驗(yàn)得到不同溫度、壓力、礦化度下注入水與地層水的混合溶度積，將溶度積和實(shí)際的濃度積進(jìn)行對比，運(yùn)用Pitzer電解質(zhì)活度系數(shù)方程處理固-液-氣相的相關(guān)數(shù)據(jù)，開發(fā)了該結(jié)垢預(yù)測軟件。該軟件只需要在初始界面中輸入相關(guān)的取樣水質(zhì)離子組成和質(zhì)量濃度即可完成預(yù)測，但該軟件只能針對硫酸鹽垢進(jìn)行預(yù)測，對于常見的碳酸鹽垢及復(fù)合垢不適用。適用條件等同于Jaeques推導(dǎo)的硫酸鍶結(jié)垢趨勢預(yù)測模型，即適合溫度38～149 ℃、壓力0.6～20 MPa、離子強(qiáng)度小于3.43 mol/kg的溶液體系。

2.2 JHCPS結(jié)垢預(yù)測軟件

2001年，陳志剛等[13]以Davis-Stiff飽和指數(shù)法和飽和指數(shù)方程為基礎(chǔ)，利用VB編程實(shí)現(xiàn)對碳酸鹽和硫酸鹽的結(jié)垢趨勢、結(jié)垢量的預(yù)測，該軟件可以計(jì)算出不同溫度、壓力、pH值條件下，不同比例的注入水、地層水混配時(shí)的結(jié)垢情況。通過對長慶馬嶺油田35口油井，分別以注入水和地層水2：8、4：6、1：1進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)到89%。

2.3 Scale Chem結(jié)垢預(yù)測軟件

Scale Chem結(jié)垢預(yù)測軟件是由美國能源部授權(quán)，荷蘭殼牌公司與美國OLI公司共同開發(fā)的專業(yè)結(jié)垢趨勢預(yù)測軟件[14-15]，目前已更新到4.0.3版本?？深A(yù)測最高溫度315 ℃、壓力150 MPa、濃度700 000 mg/L生產(chǎn)條件下的結(jié)垢情況，包括了不同工況條件下的54種腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物，基本上涵蓋了目前石油、石化、鋼鐵、煤炭、冶金等行業(yè)的結(jié)垢類型，在水樣信息不全的情況下，可以自動進(jìn)行水質(zhì)的酸堿和電離平衡的調(diào)和，預(yù)測正在發(fā)生或可能發(fā)生的結(jié)垢類型、結(jié)垢趨勢、結(jié)垢量和結(jié)垢部位，為管理者提供從地層、井筒到地面的管線和設(shè)備的結(jié)垢相關(guān)數(shù)據(jù)。李農(nóng)等[14]用Scale Chem軟件對天然氣井在地層條件下的結(jié)垢情況進(jìn)行了預(yù)測，從井口到地層，隨著井深的不斷增加，結(jié)垢量也相應(yīng)增加，兩者基本呈線性相關(guān)，通過對現(xiàn)場取得的垢樣進(jìn)行化驗(yàn)，成分主要是CaCO3，與軟件預(yù)測一致。嚴(yán)忠等[15]人用Scale Chem軟件對油藏溫度、壓力條件下的地層水和注入水進(jìn)行了不同比例的混合，得到了混配之后的結(jié)垢種類和結(jié)垢量，并利用計(jì)算結(jié)果在地面對水質(zhì)進(jìn)行了有效改性，提高了不同水質(zhì)之間的配伍性。

3 數(shù)值分析預(yù)測模型

指數(shù)預(yù)測模型和軟件預(yù)測模型都是以熱力學(xué)原理為基礎(chǔ)，通過大量的現(xiàn)場應(yīng)用或室內(nèi)試驗(yàn)后進(jìn)行函數(shù)回歸，得到相關(guān)的結(jié)垢預(yù)測模型。但通常油田結(jié)垢環(huán)境復(fù)雜，腐蝕與結(jié)垢并存，很多結(jié)垢機(jī)理還不明確，需要在資料不足(水樣分析、地層情況、管網(wǎng)布置、設(shè)備結(jié)構(gòu))的條件下進(jìn)行結(jié)垢預(yù)測。因此，很多研究人員提出運(yùn)用數(shù)值分析的相關(guān)方法進(jìn)行結(jié)垢預(yù)測。

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種將誤差進(jìn)行逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的反饋型網(wǎng)絡(luò)，在目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中應(yīng)用最為廣泛。通過建立大量輸入層、隱含層和輸出層之間的映射關(guān)系，可有效解決輸入層和輸出層之間的非線性關(guān)系，具有強(qiáng)大的泛化和容錯(cuò)能力。付亞榮等[16]運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對不同含水率的油田采出水地面集輸管網(wǎng)結(jié)垢情況進(jìn)行了預(yù)測，通過對9個(gè)樣本的11種影響因素進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，經(jīng)過2 000次迭代計(jì)算后，與現(xiàn)場實(shí)際工況數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到預(yù)測值與樣本值的相對誤差在8%以內(nèi)，基本滿足精度要求，可以對地面結(jié)垢情況進(jìn)行預(yù)測。袁兆祺等[17]用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對氣田采出水集輸過程中的結(jié)垢情況進(jìn)行預(yù)測，選擇了20個(gè)樣本的9個(gè)影響因素進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，得到其中溫度、壓力以及Ca2+濃度對結(jié)垢趨勢影響較大，預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際一致。

3.2 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

經(jīng)過數(shù)年來對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容易出現(xiàn)局部最小化、樣本依賴性強(qiáng)、收斂速度緩慢等問題，為此研究人員引入了小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。該模型是以小波變換函數(shù)為基底，通過對小波基函數(shù)特征向量的線性疊加，對信號進(jìn)行特征提取，并通過對時(shí)空和頻率信號的局部化分析，細(xì)化其中的局部特征，滿足數(shù)據(jù)分析靈敏度的要求。李娜等[18]采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測了地面集輸管網(wǎng)的結(jié)垢情況，構(gòu)建了3層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，以浮點(diǎn)相對誤差不大于0.000 1為限定條件，分別用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種模型進(jìn)行了訓(xùn)練學(xué)習(xí)，其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要2 100次迭代達(dá)到收斂，而小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為120次，且預(yù)測值與樣本值的相對誤差在2%以內(nèi)，精度和收斂速度均大幅提高。

3.3 最小二乘支持向量機(jī)(LSSVM)

最小二乘支持向量機(jī)(LSSVM)是支持向量機(jī)的一種擴(kuò)展，主要針對小樣本數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)，可以有效解決小樣本、非線性、多維度以及局部最小化等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在的問題，是一種新興的統(tǒng)計(jì)數(shù)理分析模型，目前在電力、醫(yī)藥行業(yè)應(yīng)用較多，在石油石化行業(yè)應(yīng)用較少。董超等[19-20]對石油行業(yè)中水質(zhì)結(jié)垢問題進(jìn)行了研究，分別采用灰色關(guān)聯(lián)分析和主成分分析(PCA)對影響水質(zhì)結(jié)垢的因素進(jìn)行了篩選和降維，隨后分別采用粒子群算法(PSO)和分散搜索算法(SS)對影響LSSVM核函數(shù)的兩個(gè)因素(核寬度和懲罰因子)進(jìn)行了參數(shù)尋優(yōu)，預(yù)測后的模型經(jīng)方差分析，均方誤差MSE和決定系數(shù)R2均滿足收斂要求，與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比擬合度和回歸性較好，其中PSO-LSSVM和SS-LSSVM模型的相對誤差6.9%、2.05%，均優(yōu)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

4 結(jié)論與建議

單一的結(jié)垢預(yù)測模型由于室內(nèi)試驗(yàn)過程中適用性的限制，在結(jié)果上往往存在誤差，因此多采用多公式聯(lián)用進(jìn)行預(yù)測，如Davis-Stiff飽和指數(shù)法和Ryznar 穩(wěn)定指數(shù)法聯(lián)用[21]、Davis-Stiff飽和指數(shù)法和Odd-Tomson飽和指數(shù)法聯(lián)用[22]、Scale Chem結(jié)垢預(yù)測軟件與Ryznar 穩(wěn)定指數(shù)法聯(lián)用等。在此，對結(jié)垢預(yù)測中存在的一些問題和發(fā)展方向提出幾點(diǎn)建議。

1)指數(shù)結(jié)垢預(yù)測模型均以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，但大部分對流體動力學(xué)、結(jié)晶動力學(xué)等影響因素考慮不全，今后還應(yīng)加大多學(xué)科的融合和交叉，進(jìn)一步明確結(jié)垢機(jī)理。

2)軟件預(yù)測模型(除Scale Chem之外)均以本油田的水質(zhì)特征為例，由于各油田地質(zhì)情況、采油方式、自然條件均有很大差異，今后需充分增大與水質(zhì)相關(guān)的樣本數(shù)量，增加軟件預(yù)測的準(zhǔn)確性和適用性。

3)目前研究主要針對結(jié)垢種類、結(jié)垢趨勢和結(jié)垢量進(jìn)行預(yù)測，且預(yù)測結(jié)果多為定性或半定量分析，沒有針對類似腐蝕速率的結(jié)垢速率相關(guān)研究，今后應(yīng)加強(qiáng)對不同部位結(jié)垢速率的研究，進(jìn)一步指導(dǎo)防垢清垢措施。

4)隨著結(jié)垢產(chǎn)物檢測手段的不斷提高，可采用掃描電鏡、能譜分析、X射線衍射等多種材料表征分析手段檢測結(jié)垢產(chǎn)物，推測結(jié)垢機(jī)理，完善結(jié)垢預(yù)測模型。