油田注水動(dòng)態(tài)結(jié)垢趨勢(shì)實(shí)驗(yàn)研究*

雷富強(qiáng) 秦芳玲 張淑俠 張世君 董晨曦 王丹丹

1西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院

2陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院

隨著低滲透油田注水開發(fā)進(jìn)程加深，因結(jié)垢而導(dǎo)致油層傷害、注水壓力升高、設(shè)備磨損和垢蝕等一系列問題[1-2]出現(xiàn)，這些問題對(duì)油氣生產(chǎn)的危害日趨嚴(yán)重，引起的經(jīng)濟(jì)損失也日益增加。為了高效開發(fā)低滲透油田，對(duì)注水結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)，并提出合理的預(yù)防措施十分必要。結(jié)垢預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)研究始于20世紀(jì)30年代，至今仍在廣泛而深入地進(jìn)行。結(jié)垢評(píng)價(jià)方法大致可分為以下幾種：①理論分析判斷法。該方法是通過大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析影響結(jié)垢因素，提出化學(xué)模型，用有關(guān)參數(shù)表征成垢介質(zhì)和成垢環(huán)境，建立具有規(guī)律性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，根據(jù)計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)是否結(jié)垢。如由LANGERLIER提出、后經(jīng)STIFF和DAVIS修改的“飽和度指數(shù)”法[3]，VALONE等人提出預(yù)測(cè)CaCO3結(jié)垢的改進(jìn)方法——Q值法，WETTER和FULFORD的石膏垢類預(yù)測(cè)、FLETCHER的SrSO4垢預(yù)測(cè)等。②試驗(yàn)?zāi)M法（分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種[4-7]）。通常使用的靜態(tài)模擬法是將試驗(yàn)用水放在一密閉容器內(nèi)，在規(guī)定的試驗(yàn)溫度下恒溫一定時(shí)間后，通過測(cè)定成垢離子含量的變化或用稱量法計(jì)算出沉積結(jié)垢量。動(dòng)態(tài)模擬法是模擬地層和地表不同壓力溫度下的結(jié)垢工藝條件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)可靠。

目前國(guó)內(nèi)外使用的動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)儀按結(jié)垢反應(yīng)器的類型及測(cè)試原理可分為巖心夾持器式[8-9]、盤管式兩大類。巖心夾持器式動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)儀是根據(jù)巖心滲透率的變化來反映水的結(jié)垢趨勢(shì)；盤管式動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置不僅能夠較好地模擬油田注水開發(fā)過程，而且可對(duì)各部位結(jié)垢情況進(jìn)行量化。本文應(yīng)用盤管式動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)儀對(duì)低滲透油田的注水結(jié)垢趨勢(shì)及與地層水的配伍性進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)價(jià)，對(duì)結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行了定性、定量分析，為現(xiàn)場(chǎng)采取水處理、防垢、清垢等相應(yīng)技術(shù)改進(jìn)或調(diào)整提供數(shù)據(jù)資料。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要材料和儀器

實(shí)驗(yàn)用水為某低滲透油田A、B、C區(qū)的地層水；A、B、C區(qū)聯(lián)合站現(xiàn)場(chǎng)處理后的注入水。

實(shí)驗(yàn)用主要儀器：一套盤管式結(jié)垢動(dòng)態(tài)模擬裝置、JSM-6610LV型掃描電鏡、IE250型能譜儀、分析天平、101-1型電熱干燥箱等。

1.2 裝置和原理

實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)模擬法，盤管式動(dòng)態(tài)模擬裝置結(jié)構(gòu)原理見圖1。該裝置由儲(chǔ)水罐、恒溫高壓控制箱、低壓常溫系統(tǒng)、膜過濾等組成。實(shí)驗(yàn)溫度按照實(shí)際地層地表模擬；實(shí)驗(yàn)壓力模擬高壓區(qū)和低壓區(qū)。

圖1 動(dòng)態(tài)結(jié)垢模擬試驗(yàn)裝置原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structarediagramoftheprincipleofdynamicscaling simulationtest device

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)垢動(dòng)態(tài)模擬

低滲透油田A區(qū)的回注目標(biāo)地層的溫度高達(dá)80 ℃，地層水總礦化度在10×104mg/L左右。將油田A區(qū)聯(lián)合站的注入水與地層水按一定混配比例混合均勻（混配比=注入水×100%/（注入水+地層水），再進(jìn)行結(jié)垢動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1和圖2。

表1 某油田A區(qū)混配水動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Dynamic simulation test results of mixed water in Area A of anoilfield

圖2 某油田A區(qū)混配水沉積結(jié)垢趨勢(shì)Fig.2 Trend of deposition and scaling on mixed water in Area A of an oilfield

由表1和圖2可以看出：

（1）注入水的沉積結(jié)垢總量高于地層水的結(jié)垢總量。地層水的沉淀結(jié)垢部位以高壓區(qū)為主，為12.6 mg/L，占總沉淀結(jié)垢量的60%；處理后的注入水形成的結(jié)垢總量為49.0 mg/L，結(jié)垢部位基本在高、低壓區(qū)均衡分布。

（2）注入水與地層水混配后的沉積結(jié)垢量基本介于注入水和地層水之間，沒有上升趨勢(shì)，說明兩種水的配伍性較好；混配水以地層水為主時(shí)，沉積結(jié)垢產(chǎn)生部位偏向高壓區(qū)即油層，而混配水以注入水為主時(shí)，沉積結(jié)垢產(chǎn)生部位偏向低壓區(qū)即生產(chǎn)井底部。

（3）當(dāng)混配比為50%時(shí)，結(jié)垢物總量最小，其中高壓區(qū)為3.6 mg/L，低壓區(qū)為17.3 mg/L，結(jié)垢物主要出現(xiàn)在低壓區(qū)部位即生產(chǎn)井底部。

2.2 結(jié)垢物組分分析

以低滲透油田A區(qū)的75%混配比水樣形成的結(jié)垢物為研究對(duì)象，收集盤管和濾膜上的垢樣，烘干后對(duì)其進(jìn)行電鏡掃描和能譜元素分析，確定結(jié)垢情況，明確其結(jié)垢趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2和圖3。

表2 結(jié)垢物元素分析結(jié)果Tab.2 Elemental analysis results of scale formation

圖3 垢樣微觀形貌Fig.3 Microscopic morphology of scale sample

該垢樣外觀呈土灰色粉狀，質(zhì)地較硬，夾雜白色結(jié)晶體。元素分析結(jié)果表明，注入水沉淀結(jié)垢物的元素主要是Ca、O、C和Cl，還有少量的Na、Si、Mg和Fe。由此可初步確定垢樣主要為鈣鹽，還有少量的鐵鹽和鎂鹽，并且多以沉積碳酸鹽和可溶性的鹽酸鹽形式存在。

2.3 評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)采用低滲透油田B區(qū)和C區(qū)的水樣。B區(qū)和C區(qū)的回注目標(biāo)地層溫度分別為95、90℃；地層水總礦化度分別為11×104、12×104mg/L，Ca、Mg質(zhì)量濃度分別為3 040、5 207 mg/L。將注入水與地層水按一定混配比例混合均勻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3、圖4和圖5。

表3 B區(qū)和C區(qū)混配水動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果Tab.3 Dynamic simulation results of mixed water in Area B and C

由表3、圖4可以看出：B區(qū)的注入水沉積結(jié)垢量明顯低于地層水；注入水與地層水混配后，隨混配水中注入水所占比例的增加，沉積結(jié)垢量呈下降趨勢(shì)，說明兩種水的配伍性較好；當(dāng)注入水比例為100%時(shí)，結(jié)垢量最小，總量為14.3 mg/L?；炫渌缘貙铀疄橹鲿r(shí)，沉積結(jié)垢產(chǎn)生部位偏向高壓區(qū)即油層，而混配水以注入水為主時(shí)，沉積結(jié)垢產(chǎn)生部位偏向低壓區(qū)即生產(chǎn)井底部。

圖4 某油田B區(qū)混配水沉積結(jié)垢趨勢(shì)Fig.3 Trend of deposition and scaling on mixed water in Area B of an oilfield

由表3、圖5可以看出：C區(qū)的注入水沉積結(jié)垢量高于地層水；注入水與地層水混配后，隨混配水中注入水所占比例的增加，沉積結(jié)垢量呈急劇上升趨勢(shì)，到注入水占50%時(shí)沉積結(jié)垢量達(dá)到最高峰，隨后呈下降趨勢(shì)，說明兩種水的配伍性極差。同時(shí)還可以看出：無論是單一水，還是混配水，沉積結(jié)垢產(chǎn)生部位都以高壓區(qū)即油層為主。

3 結(jié)論

（1）對(duì)低滲透油田A、B、C區(qū)水質(zhì)進(jìn)行的混配結(jié)垢實(shí)驗(yàn)表明：A區(qū)在地層溫度80 ℃下，地層水和處理后的注入水均有一定量的結(jié)垢物形成；地層水的沉淀結(jié)垢部位以高壓區(qū)即油層為主；以地層水為主混配時(shí)，沉積結(jié)垢產(chǎn)生部位偏向高壓區(qū)即油層，以注入水為主混配時(shí)，沉積結(jié)垢產(chǎn)生部位偏向低壓區(qū)即生產(chǎn)井底部；注入水與地層水的配伍性較好，最佳混配比為50%。B區(qū)注入水與地層水的配伍性最好，混配后隨注入水比例增加結(jié)垢總量逐漸減少。C區(qū)注入水與地層水配伍性最差，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況采取一定的水處理技術(shù)改進(jìn)或調(diào)整。

（2）通過沉積結(jié)垢物的能譜分析，確定了注入水中形成的垢樣成分主要為碳酸鈣，還有少量的鐵鹽和鎂鹽，并且多以碳酸鹽和鹽酸鹽的形式存在。為此，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況采取水處理、防垢、清垢等相應(yīng)技術(shù)改進(jìn)或調(diào)整措施，以防止地層傷害，減少注水井作業(yè)費(fèi)用和注水設(shè)備維修費(fèi)用。

（3）盤管式結(jié)垢動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，能夠較真實(shí)地模擬油田注水開發(fā)過程中不同部位的沉積結(jié)垢情況，快速了解結(jié)垢物的生長(zhǎng)規(guī)律，預(yù)測(cè)結(jié)垢點(diǎn)，提供較準(zhǔn)確的量化結(jié)果。該動(dòng)態(tài)模擬結(jié)垢評(píng)價(jià)技術(shù)克服了低礦化度水因結(jié)垢量少而無法用靜態(tài)試驗(yàn)法[10]即傳統(tǒng)的離子變化法進(jìn)行準(zhǔn)確判定的缺陷。