油田某區(qū)塊結(jié)垢預(yù)測(cè)及阻垢劑性能評(píng)價(jià)

宋良業(yè)，王大衛(wèi)，張 磊，王宇哲

（東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163000）

石油工業(yè)中的結(jié)垢問題嚴(yán)重影響了正常的石油生產(chǎn)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，針對(duì)油田開發(fā)過程中，為了保證油田的穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)，合理高效地解決油田結(jié)垢問題已成為石油工業(yè)的重要研究課題之一[1]?，F(xiàn)階段油田生產(chǎn)中生成的垢主要為CaCO3垢、CaSO4垢等無機(jī)鹽垢[2，3]。阻垢劑是能夠控制無機(jī)鹽垢產(chǎn)生的一類藥劑，所以在阻垢阻垢過程中篩選合理有效的阻垢劑是十分重要的。

油田某區(qū)塊由于注水系統(tǒng)注水井的不斷加深，井底溫度不斷升高，致使原有阻垢劑低效甚至失效，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了該區(qū)塊的正常開發(fā)。為了解決高溫下阻垢劑失效這一問題，我們對(duì)該區(qū)塊結(jié)垢進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，擬用6種阻垢劑進(jìn)行室內(nèi)阻垢劑性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，優(yōu)選最優(yōu)阻垢劑及其最佳阻垢濃度，并了解其阻垢機(jī)理，為油田深井高溫阻垢提供技術(shù)支持，為油田持續(xù)高效開發(fā)提供保障。

1 區(qū)塊結(jié)垢預(yù)測(cè)

垢的預(yù)測(cè)對(duì)于阻垢來說非常重要。ScaleChem軟件基于一定了解后作出程序，可以預(yù)測(cè)到包括幾乎所有油氣井和施工工設(shè)施中可能會(huì)產(chǎn)生的54種固體的礦物結(jié)垢[4]。對(duì)于研究結(jié)垢機(jī)理及環(huán)境變化對(duì)成垢的影響有十分巨大的幫助。文中通過離子濃度檢測(cè)與結(jié)垢預(yù)測(cè)分析，對(duì)該區(qū)塊主要生成垢成分以及不同溫度、壓力影響下成垢趨勢(shì)進(jìn)行了解，為后期阻垢劑評(píng)價(jià)試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支持。

1.1 成垢離子檢測(cè)

本區(qū)塊中陽離子檢測(cè)采用原子吸收法，陰離子檢測(cè)根據(jù)SY/T5523-2000《油氣田水分析方法》中提供的滴定法及pH值測(cè)試法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 成垢離子濃度（mg·L-1）Tab.1 Fouling ion concentration

由表1中離子檢測(cè)結(jié)果可以看出，易成垢離子中，Ca2＋濃度與 HCO-3離子濃度最高，這說明在本區(qū)塊生成垢的主要成分為CaCO3。

1.2 結(jié)垢預(yù)測(cè)及分析

為進(jìn)一步確定該區(qū)塊結(jié)垢成分，對(duì)生成垢進(jìn)行結(jié)垢預(yù)測(cè)及分析，并對(duì)影響結(jié)垢主要因素進(jìn)行研究分析。

1.2.1 結(jié)垢預(yù)測(cè)對(duì)其生成垢在90℃，泵后壓12MPa下的進(jìn)行主要成分及含量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，具體預(yù)測(cè)結(jié)果見圖1。

圖1 90℃，120MPa下成垢含量Fig.1 Scale formation content at 90℃and 120MPa

由圖1計(jì)算結(jié)果可以看出，在泵后壓力為12MPa，溫度達(dá)到90℃的條件下，可生成垢的種類很多，但在本區(qū)塊中，只有CaCO3垢存在，在注入水170m3·d-1的注入量下成垢量為 127.3mg·L-1。

1.2.2 溫度對(duì)結(jié)垢影響 根據(jù)許多文獻(xiàn)研究可以得知溫度對(duì)于結(jié)垢產(chǎn)物的影響十分嚴(yán)重，在進(jìn)行結(jié)垢預(yù)測(cè)時(shí)對(duì)溫度這一種重要因素進(jìn)行分析，了解不同溫度下結(jié)垢量變化。

圖2 12MPa條件下溫度對(duì)結(jié)垢影響Fig.2 Effect of temperature on scaling at 12MPa

由圖2可以看出，在20℃時(shí)，CaCO3成垢量為125.2mg·L-1，當(dāng)溫度到達(dá)95℃時(shí)CaCO3成垢量為286mg·L-1。結(jié)垢趨勢(shì)幾近直線上升。

1.2.3 壓力對(duì)結(jié)垢影響 壓力是另一對(duì)水源井結(jié)垢具有影響的因素，尤其是在集輸注水時(shí)，泵壓對(duì)于結(jié)垢的影響十分嚴(yán)重，是造成機(jī)泵結(jié)垢的重要因素。

圖3 95℃時(shí)壓力對(duì)結(jié)垢影響Fig.3 Influence of pressure on scaling at 95℃

由圖3可以看出，與溫度對(duì)成垢濃度影響相反，結(jié)垢產(chǎn)物隨壓力的升高而降低，在95℃條件下，2MPa 時(shí) CaCO3結(jié)垢量為 294mg·L-1，12MPa 時(shí)結(jié)垢量為 286mg·L-1。

綜合離子濃度檢測(cè)與結(jié)垢預(yù)測(cè)分析結(jié)果可以看出，該區(qū)塊主要生成垢為CaCO3垢，且由軟件計(jì)算結(jié)果可以看出，溫度對(duì)CaCO3垢生成的影響明顯大于壓力對(duì)CaCO3垢生成的影響。因此，在后期的阻垢劑評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，將重點(diǎn)考慮CaCO3垢的處理以及溫度對(duì)阻垢劑阻垢效率的影響。

2 阻垢劑優(yōu)選

2.1 試驗(yàn)材料

無水CaCl2、Na2CO3、Na2SO4、MgCl2·6H2O，分析純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；NaCl（東莞市喬科化學(xué)有限公司）；NaHCO3（上海埃彼化學(xué)試劑有限公司）：乙二胺四乙酸二鈉（C10H14N2Na2O8）（EDTA）（天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司）；預(yù)配制成濃度為0.01mol·L-1的水溶液；緩蝕阻垢劑 OS-PG1、OSPG2、OS-PG3、ZP-01、DM、XSJ-01（實(shí)驗(yàn)室配制）；鈣指示劑（天津市凱通化學(xué)試劑有限公司）。

WCS-FCJ型恒溫裝置（南通市中京機(jī)械有限公司）；LQ-C5001高精度電子秤（精度0.001g量程300g上?，幮码娮涌萍加邢薰荆?。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法依照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5673-1993《油田用阻垢劑性能評(píng)定方法》；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT 601-2016《化學(xué)試劑標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的制備》；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT 603-2002《化學(xué)試劑試驗(yàn)方法中所用制劑及制品的制備》；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT 7476-87《水質(zhì)鈣的測(cè)定EDTA滴定法》進(jìn)行。

2.3 溫度影響試驗(yàn)

溫度是影響阻垢劑阻垢效率的關(guān)鍵因素，選取體積濃度同為2%的6種預(yù)配置阻垢劑，在60～110℃不同溫度下進(jìn)行阻垢率試驗(yàn)，優(yōu)選阻垢劑。

圖4 溫度影響實(shí)驗(yàn)曲線Fig.4 Temperature influence experimental curve

由圖4可以看出，隨著溫度的增加，六種阻垢劑均出現(xiàn)高溫低效情況。但ZP-01阻垢劑相對(duì)于其他五種阻垢劑來說具有明顯優(yōu)勢(shì)，溫度在60～80℃之間，阻垢率高達(dá)90%以上，雖在80℃時(shí)出現(xiàn)陡降點(diǎn)，阻垢率有所下降，但仍能夠保持在70%～80%之間，說明該阻垢劑對(duì)高溫成垢區(qū)塊仍具有較好的阻垢能力。

2.4 pH值影響試驗(yàn)

pH值是影響阻垢劑阻垢效率的另一重要因素，選取體積濃度同為2%的6種預(yù)配置阻垢劑，分別在6～10不同pH值條件下進(jìn)行阻垢率試驗(yàn)，優(yōu)選阻垢劑。

圖5 pH值影響實(shí)驗(yàn)曲線Fig.5 pH influence experimental curve

由圖5可以看出，在不同pH值條件下，ZP-01阻垢劑阻垢表現(xiàn)出最佳阻垢效果，且對(duì)比其余5種阻垢劑優(yōu)勢(shì)明顯，隨著pH值的增加，阻垢率出現(xiàn)下降趨勢(shì)，在pH值為7時(shí)出現(xiàn)陡降點(diǎn)，但之后仍然保持在70%～80%之間。說明該阻垢劑在弱酸及中性地區(qū)能夠表現(xiàn)出最佳阻垢效果，堿性地區(qū)同樣適用。

3 阻垢劑ZP-01濃度優(yōu)選

阻垢劑在不同濃度下具有不同程度的阻垢效果，且差異明顯，針對(duì)體積濃度為2%的PZ-01阻垢劑在高溫條件下阻垢效率不突出情況，對(duì)阻垢劑ZP-01進(jìn)行不同體積濃度下阻垢效率試驗(yàn)，以解決其高溫低效問題。

3.1 試驗(yàn)方法

選取體積濃度分別為0.5%，1%，2%，5%，10%的ZP-01阻垢劑，在90℃條件下放置于恒溫箱中24h，適用阻垢劑優(yōu)選試驗(yàn)方法，對(duì)ZP-01阻垢劑進(jìn)行最佳濃度優(yōu)選試驗(yàn)，得到阻垢效果最優(yōu)濃度。（假定所提供緩蝕阻垢劑的有效成分為100%）

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

重復(fù)測(cè)定兩次結(jié)果的相對(duì)偏差不應(yīng)超過5%。取其算術(shù)平均值作為測(cè)定結(jié)果。測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 不同體積濃度ZP-01阻垢劑阻垢率Tab.2 Scale inhibition rate of ZP-01 scale inhibitor with different volume concentrations

圖6 不同體積濃度ZP-01阻垢率曲線Fig.6 Scale inhibition rate curve of ZP-01 with different volume concentrations

由圖6可以看出，90℃高溫下，不同體積濃度的ZP-01阻垢劑阻垢率是一條具有峰值的折線。隨著阻垢劑體積濃度的增加，阻垢率呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，在體積濃度5%時(shí)出現(xiàn)峰值，說明ZP-01阻垢劑在體積濃度達(dá)到5%左右時(shí)達(dá)到最佳阻垢效果，且阻垢率達(dá)到89%，對(duì)比體積濃度為0.5%時(shí)，阻垢效率增加28%，優(yōu)選效果明顯。

4 阻垢劑ZP-01紅外光譜表征

為了進(jìn)一步了解ZP-01阻垢劑的主要類型與阻垢機(jī)理，對(duì)ZP-01阻垢劑進(jìn)行紅外光譜表征。紅外光譜法是鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu)及所含官能團(tuán)的方法之一[5]?；緦?shí)驗(yàn)原理是根據(jù)物質(zhì)對(duì)紅外光選擇吸收原理，在連續(xù)不同頻率紅外光照射下，根據(jù)頻率同步與差異這一特性，不同分子化學(xué)鍵對(duì)紅外光吸收能力的強(qiáng)弱不同，分子吸收紅外輻射的特定頻率及強(qiáng)度決定于某待定化學(xué)鍵的強(qiáng)度及與鍵相連結(jié)原子的質(zhì)量，同時(shí)與分子中其它化學(xué)鍵和原子間相互影響有關(guān)，因此，結(jié)構(gòu)不同的化合物都具有其特定的紅外吸收光譜。

阻垢劑ZP-01紅外光譜表征結(jié)果見圖7。

圖7 ZP-01阻垢劑紅外光譜圖Fig.7 Infraredspectra of ZP-01 scale inhibitor

由圖7紅外光譜可以看出，羧酸類基團(tuán)的震動(dòng)類型為-OH伸，酰胺基面內(nèi)有NH彎，酯基震動(dòng)類型為C=O伸，由圖中官能團(tuán)判斷起作用的功能基團(tuán)主要有羧酸基團(tuán)（-COOH）、酰胺基（-CoNH）、磺酸基（-SO）、H酯基（-COO-）以及大部分阻垢劑均含有的羥基（-OH），由此可推論出ZP-01緩蝕阻垢劑為亞甲基磷酸型或二氯乙基磷酸型阻垢劑[6]。

由紅外光譜表征分析可以看出，此阻垢劑是一種聚合物阻垢分散劑，這類阻垢劑主要阻垢機(jī)理為分散作用，其作用原理為：當(dāng)水中易成垢離子結(jié)合初期還未形成較大晶體時(shí)，阻垢劑中的分子可以通過吸附的方式吸附在未成形晶體周圍，因其吸附時(shí)極性與非極性面吸附方式相同，致使每個(gè)小晶體間都存在相互排斥的微弱同性電荷，使得小晶體不易產(chǎn)生碰撞而聚集長(zhǎng)大，又或者是阻垢劑大分子將有可能形成垢的晶粒包裹起來，這些成垢離子能夠穩(wěn)定的分散在水中，避免這些粒子進(jìn)行接觸以沉積長(zhǎng)大形成難以去除的無機(jī)鹽垢[7]。

5 結(jié)論

通過對(duì)該區(qū)塊進(jìn)行離子濃度檢測(cè)以及結(jié)垢預(yù)測(cè)分析，確定該區(qū)塊主要生成垢成分為CaCO3，且隨著井底溫度的升高或者注水壓力的降低結(jié)垢現(xiàn)象愈加嚴(yán)重。在溫度與pH值影響試驗(yàn)中，ZP-01阻垢劑表現(xiàn)出較好的阻垢效果。在90℃高溫環(huán)境阻垢劑濃度優(yōu)選試驗(yàn)中，體積濃度為5%時(shí)該阻垢劑阻垢效果最佳，阻垢率達(dá)到89%，對(duì)比體積濃度0.5%時(shí)提升28%。紅外線表征分析表明：該阻垢劑為亞甲基磷酸型或二氯乙基磷酸型阻垢劑，是一種聚合物阻垢分散劑，主要阻垢機(jī)理為分散作用。