華慶油田三疊系延長組地層水配伍性研究

張豐峰　李軍亮　廖銳全　劉保磊　姜毅

摘????? 要： 華慶油田三疊系延長組油藏采用注水開發(fā)且以污水回注為主，由于多層系采出水組成性質(zhì)的差異，容易對儲層造成污染。本文在分析華慶油田延長組地層水的性質(zhì)、各離子含量以及水型的基礎上，將主力開發(fā)層位長6地層水與其他層位地層水按不同比例混合后，在不同溫度下測定混合液中的成垢離子含量，計算結(jié)垢量，分析結(jié)垢類型，并對結(jié)垢趨勢進行預測。研究結(jié)果表明：長6地層水與其他層位地層水混合后均有不同程度的結(jié)垢現(xiàn)象，且以碳酸鈣垢為主，可見多層系水的不配伍性是導致注水開發(fā)過程中長6儲層污染的主要原因，從而為污水選擇性回注及防垢解堵提供了理論依據(jù)。

關? 鍵? 詞：注水開發(fā);配伍性;結(jié)垢;污水回注

中圖分類號：TE357.8?????? 文獻標識碼： A?????? 文章編號： 1671-0460（2020）07-1414-06

Research on Formation Water Compatibility of

Yanchang Formation of Triassic in Huaqing Oilfield

ZHANG Feng-feng1，2， LI Jun-liang11，2， LIAO Rui-quan1，2， LIU Bao-lei1，3， JIANG Yi1

（1. School of Petroleum Engineering， Yangtze University， Wuhan Hubei 430100， China;

2. Research Office of Yangtze University， Key Laboratory of CNPC for Oil and Gas Production， Wuhan Hubei 430100， China;

3. Key Laboratory of Education of Oil and Gas Resources and Exploration Technology of Ministry， Wuhan Hubei 430100， China）

Abstract： The reservoir of Yanchang Formation of Triassic in Huaqing oilfield is developed by sewage reinjection. Because of the difference of the composition of the produced water in the multi-layer system， it is easy to pollute the reservoir. Based on the analysis of the properties， ion contents and water types of formation water in Yanchang formation of Huaqing oilfield， after mixing Chang 6 formation water with other formation water in different proportion， the content of scaling ion in the mixed solution was measured at different temperatures， the scaling amount was calculated， the scaling type was analyzed， and the scaling trend was predicted. The results showed that there were scaling phenomena in different degrees when the formation water of Chang 6 was mixed with that of other layers， and the main scaling was calcium carbonate. It can be seen that the incompatibility of multi-layer system water is the main cause of reservoir pollution in the process of water injection development， which provides a theoretical basis for selective injection of sewage and anti-scaling and descaling.

Key words： Oilfield water injection development; Compatibility; Scaling; Sewage reinjection

目前我國陸上油田普遍采用注水開發(fā)^[1-3]，在水資源嚴重短缺的現(xiàn)狀下，采出水用于回注^[4]。多層系開采時，不同層系采出水配伍性差，采出水混合后注入地層易產(chǎn)生 CaCO₃、CaSO₄、BaSO₄和 SrSO₄沉淀^[5]，造成儲層堵塞及集輸系統(tǒng)結(jié)垢，為了解決上述問題，需要對多層系采出水配伍性及結(jié)垢趨勢進行研究。

華慶油田位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡南部^[6]，三疊系延長組油藏開發(fā)主要層位為長6、長8、長1、長4+5，平均孔隙度為11.07%，平均滲透率為2.4×10^-4 μm²，具有典型的低孔低滲特征^[7]。為保持地層壓力平衡，華慶油田采用注水開發(fā)方式。隨著油田不斷開發(fā)，原油含水逐漸上升，采出水量愈來愈大。油田采出水處理后用于回注，既減少清水使用量和廢水排放量，又能注入地層驅(qū)油保護環(huán)境，給油田帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益。但油田注入水與地層水接觸、混合，由于水質(zhì)離子含量不同、流體組成的熱力學不穩(wěn)定性、pH值、溫度、壓力、流速等條件的變化致使不同層系地層水存在不同程度的不配伍性^[8]，為了盡可能減少污水回注對儲層的傷害，對長6與其他層位地層水混合回注過程中的配伍性進行了實驗研究。

1? 油田地層水性質(zhì)及結(jié)垢機理

由于地層差異及鉆井工藝不同等原因，油田地層水的成分復雜、水質(zhì)各異、水質(zhì)極不穩(wěn)定，是高礦化度介質(zhì)，含有大量的CO₃^2-、HCO₃^-、SO₄^2-、Ca²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺等成垢離子。壓力、溫度等條件的變化，會導致各種類型垢的形成。

由于油田地層水類型不相同，產(chǎn)生結(jié)垢差異的因素不相同，多層系地層水的不配伍性通過結(jié)晶作用，形成不同產(chǎn)狀的結(jié)垢。

1.1? 碳酸鹽結(jié)垢機理

碳酸鹽垢[CaCO₃、CaMg（CO₃）₂]是由于鈣、鎂離子與碳酸根或碳酸氫根結(jié)合而生成的，反應式如下：

碳酸鹽垢是油田生產(chǎn)過程中最為常見的一種沉淀物，油井在生產(chǎn)過程中，當流體從地層流向井筒，再從井筒進入到集輸系統(tǒng)的過程中，由于壓力和溫度的下降，CaCO₃溶解度下降并析出沉淀。

1.2? 硫酸鹽結(jié)垢機理

硫酸鹽垢[CaSO₄、CaMg（SO₄）₂]是由于鈣、鎂離子與硫酸根離子結(jié)合而生成的，反應式如下：

硫酸鹽垢也是油田生產(chǎn)過程中最為常見的一種沉積物，最常見形式有石膏（CaSO₄·2H₂O）、硬石膏（CaSO₄）、半水硫酸鈣CaSO₄·1/2H₂O等。

油田在注水開發(fā)過程中，含SO₄^2-的注入水與成垢陽離子反應，在油層和近井地帶或井筒生成硫酸鹽垢。不同層位的采出液在集輸站點混合都可能產(chǎn)生硫酸鹽垢。

2? 華慶油田延長組長6與不同層位地層水配伍性研究

2.1? 華慶油田延長組地層水水質(zhì)分析

參照SY/T5523-2000《油氣田水分析方法》、SY/T5329-94《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標及分析方法》，結(jié)合離子色譜技術，系統(tǒng)分析水的組成和性質(zhì)特點，包括Cl^-、CO₃^2-、HCO₃^-、SO₄^2-、K⁺+Na⁺、總Fe 、Fe²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺含量，并確定水型。華慶油田三疊系延長組地層水和清水水質(zhì)分析結(jié)果如表1所示。據(jù)離子檢測結(jié)果分析看，華慶油田延長組地層水的水質(zhì)差異較大，礦化度分布從

36 000～130 000 mg·L^-1不等，多為CaCl₂水型;注入水礦化度為9 894 mg·L^-1，為Na₂SO₄水型。水樣均未檢出Ba²⁺與Sr²⁺。以上情況說明華慶油田延長組層系地層水結(jié)垢以碳酸鈣垢與硫酸鈣垢為主。

2.2? 水配伍性實驗研究

在油田水離子含量測定的基礎上，將典型區(qū)塊白153區(qū)長6地層與其他地層水按10∶0、8∶2、6∶4、5∶5、4∶6、2∶8、0∶10等7個比例混配，分別在25 ℃和油層溫度60 ℃下進行配伍性實驗。靜置240 h測定不同混配比例水中的成垢離子含量，采用化學滴定測定計算結(jié)垢量，并依據(jù)溶度積規(guī)則和靜置前后成垢離子變化預測結(jié)垢趨勢。

表2-表6中為兩種水樣按照不同比例混合后的鈣離子含量，初配值是由兩種水樣所含鈣離子濃度以及混合比例計算得來。實驗所測得鈣離子含量與理論預測值相比較，兩者的差值為失鈣量，兩者差值越大，則說明兩個水樣不配伍性越嚴重。

由圖1可以得出以下結(jié)論：（1）長6與不同層位地層水進行配伍，靜置時間為240 h時，整體上60 ℃的失鈣量大于25 ℃的失鈣量。（2）長6和其他地層水配伍失鈣量由大到小的排列順序為：長3>長9>長8>清水>長4+5。因此長6與長3的配伍性最差，25 ℃和60 ℃條件下失鈣量基本相當，最高失鈣量為842 mg·L^-1，并且混合體系中隨著長6含量的減小失鈣量增多，結(jié)垢量增加，這是因為相比長6而言長3地層水礦化度較高，Ca²⁺的含量較多，兩者的配伍性差。（3）清水與長6的配伍性僅次于長4+5，混合后失鈣量普遍在200 mg·L^-1左右，這是因為注入水礦化度較低，Ca²⁺離子的濃度較低。

3? 結(jié)垢趨勢預測分析

通過對長6與不同層系的地層水開展結(jié)垢趨勢預測，可以判斷不同層系地層水的配伍程度，為防垢解堵和污水選擇性回注提供理論依據(jù)。由于垢物成分多樣，因而預測方法也是多樣的^[9]，本論文通過Davis-stiff飽和指數(shù)（SI）法和飽和系數(shù)（S）法對結(jié)垢趨勢進行預測。

3.1? 碳酸鈣結(jié)垢趨勢預測

對碳酸鈣結(jié)垢預測采用Davis-stiff飽和指數(shù)（SI）法^[10-11]，此方法是先計算飽和指數(shù)SI，然后進行判斷。

SI的計算方法為：

SI=pH-pHs

=pH-K+lgC[Ca²⁺]+lg（2C[CO₃^2-]+C[HCO₃^-]）

式中K由水溫和水中離子強度μ決定的修正值。不同溫度時，離子強度μ與碳酸鈣修正系數(shù)K的關系查圖版得到^[12]。

μ=0.5∑C_iZ_i²

式中：C[CO₃^2-]-CO₃^2- 的濃度，mol·L^-1;

C[HCO₃^-]-HCO₃^-的濃度，mol·L^-1;

pH-水樣的實測pH值;

pHs-CaCO₃ 達到飽和時的pH值;

C[Ca^{2 +}]- Ca^{2 +}的濃度，mol·L^-1;

C_i -各離子的濃度，mol ·L^-1;

Z_i -各離子的價數(shù);

SI-飽和指數(shù)。

結(jié)垢預測依據(jù)：SI>0，表示CaCO₃已達過飽和狀態(tài)，會結(jié)垢; SI<0，表示水中CaCO₃未達到飽和狀態(tài)，不能結(jié)垢;SI = 0，表示CaCO₃剛達到飽和點。

CaCO₃結(jié)垢趨勢如圖2所示。（1）在60 ℃條件下長6地層水自身有輕微的碳酸鈣結(jié)垢趨勢，? 25 ℃條件下自身無碳酸鈣結(jié)垢趨勢，長6與其他不同地層水混合在60 ℃的碳酸鈣結(jié)垢趨勢大于? 25 ℃的結(jié)垢趨勢。（2）長6與其他地層水碳酸鈣結(jié)垢趨勢由大到小的排列順序為：長3>長9>長8>清水>長4+5，與長3的碳酸鈣結(jié)垢趨勢最大，在60 ℃和25 ℃下當兩者的比例分別達到4∶6和?? 2∶8時SI最大;長6和長4+5混合液整體上碳酸鈣結(jié)垢趨勢最小，這是因為長6和長4+5地層水礦化度相接近。

（3）長6和清水的結(jié)垢趨勢略大于長4+5的結(jié)垢趨勢，這是因為Ca²⁺離子的濃度較低。由此可見長6與不同層系地層水混合碳酸鈣結(jié)垢趨勢與配伍性實驗吻合，即失鈣量越大，碳酸鈣結(jié)垢趨勢就越大。

3.2? 硫酸鈣結(jié)垢趨勢預測

采用飽和系數(shù)法（S）對硫酸鈣結(jié)垢趨勢進行預測，飽和系數(shù)法考慮了離子間的不同離子效應、溫度、壓力以及水體系的多元預測方法^[13]。根據(jù)水體系中硫酸鈣成垢物質(zhì)的平衡方程S的計算方法為：

S=（C（Ca^{2 +}）·C（SO₄^2-））/Q_sp

式中： S-飽和系數(shù);

C（Ca²⁺）-Ca²⁺的濃度，mol·L^-1;

C（SO₄^2-）-SO₄^2-的濃度，mol·L^-1;

Q_sp-CaSO₄的溶度積;

Q_sp-由水溫和水中離子強度μ共同決定，查閱圖版可以得到。

判斷依據(jù)：S>1，表示水中CaSO₄有結(jié)垢傾向;S=1，表示CaSO₄處于飽和狀態(tài);S<1，表示CaSO₄沒有結(jié)垢傾向。

CaSO₄的結(jié)垢趨勢如圖3所示。

1）在25 ℃和60 ℃條件下，長6與不同地層水的混合樣S均小于1，說明長6與不同地層水混合后在地面和儲層條件下均無硫酸鈣結(jié)垢趨勢存在。在兩種溫度條件下的S值基本一致，說明CaSO₄的結(jié)垢趨勢基本不受溫度的影響。

2）整體上隨著長6含量的減少，S上升，主要是長6地層水中成垢離子SO₄^2-的濃度較低。

3）長6與注入水以不同比例混合后硫酸鈣的結(jié)垢趨勢大于與地層混合后的，這主要是注入水礦化度比較低，含有較高濃度的成垢陰離子SO₄^2-，所以隨著注入水的增加S增大。

4? 結(jié) 論

1）華慶油田長6地層水與不同層位地層水混合后均有不同程度的結(jié)垢現(xiàn)象，其中長6與長4+5地層水配伍性最好，與長3配伍性最差，因此對于長6儲層應當選擇性回注污水，以礦化度相接近的長4+5為宜，避免高礦化度的長3地層水與長6儲層接觸。

2）長6地層水與其他層位地層水穩(wěn)定性差，碳酸鈣結(jié)垢趨勢明顯，無硫酸鈣結(jié)垢趨勢，碳酸鈣結(jié)垢趨勢與配伍性實驗基本吻合，60 ℃條件下碳酸鈣結(jié)垢趨勢大于25 ℃條件下的結(jié)垢趨勢，其中長6與長3的結(jié)垢趨勢最大，長6與長4+5的結(jié)垢趨勢最小。

3）長6與不同層系地層水混合后主要生成碳酸鈣垢，在油田開發(fā)過程中應采取以鹽酸為主的地層解堵措施，注水過程中加入碳酸鈣抑制劑，避免差異較大的不同層系采出水混注。

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基金項目：國家自然科學基金資助項目（項目編號：61572084）。

收稿日期：2020-04-21

作者簡介：張豐峰（1993-），男，甘肅省慶陽市人，碩士研究生，研究方向：石油與天然氣工程。E-mail：1307997269@qq.com。

通訊作者：李軍亮（1977-），男，副教授，博士，研究方向：采油采氣工藝。E-mail：lijunliang01@163.com。