致密油藏采出水結(jié)垢趨勢(shì)和配伍性研究

葛仙娥， 單巧利， 張巧生， 王通， 崔磊

（1.陜西宇陽(yáng)石油工程科技工程有限公司， 西安 710018； 2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司， 西安 710018）

油田采出水水質(zhì)特性受原油特性、 地質(zhì)狀況等影響， 采出水組成復(fù)雜， 采出水中含有大量的Ca2＋、Mg2＋、 Ba2＋、 Sr2＋、 HCO3－等成垢離子［1］。 致密油藏開發(fā)采用采出水注水吞吐， 大量的成垢離子在注水過程中易造成地面管網(wǎng)， 井下管柱腐蝕。 目前， 常用的注入水配伍性效果評(píng)價(jià)方法有： 混配前后污水中懸浮物含量變化法、 濁度變化法、 結(jié)垢趨勢(shì)值SI或者最大結(jié)垢量值PTB 預(yù)測(cè)法［2］。 上述方法弊端是工作大， 耗時(shí)長(zhǎng)， 不能模擬高溫高壓情況下的配伍性評(píng)價(jià)。 ScaleChem 軟件是一種結(jié)垢預(yù)測(cè)軟件， 可以根據(jù)水質(zhì)基本物性參數(shù)模擬現(xiàn)場(chǎng)混配中結(jié)垢量隨溫度和壓力的變化情況， 預(yù)測(cè)出可能或者已經(jīng)成垢的種類以及結(jié)垢量［3－4］。 本研究采用ScaleChem 軟件分析致密油藏某層采出水改性效果及與侏羅系采出水、 地下水配伍性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器及軟件

哈希DR6000 紫外分光光度計(jì)， 原子吸收分光光度計(jì)， PHS－3C 酸度計(jì)等； ScaleChem 軟件9.3。

1.2 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)選取致密油藏某層采出水、 侏羅系采出水、 地下水為研究對(duì)象， 檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 采出水水質(zhì)指標(biāo)Tab. 1 Characteristics of produced water

從表1 可以看出， 油田采出水偏中性和弱堿性， 含鹽量高， 礦化度高。 致密油藏某層采出水Ca2＋、 Mg2＋、 Ba2＋、 Sr2＋、 HCO3－離子含量比較高， 水型為氯化鈣， 侏羅系采出水SO42－、 HCO3－含量 較高， 侏羅系采出水和地下水屬碳酸氫鈉水型。

1.3 試驗(yàn)方法

（1） 結(jié)垢及配伍性分析。 利用ScaleChem 軟件對(duì)不同層系采出水進(jìn)行結(jié)垢和配伍性分析， 判斷其是否結(jié)垢以及配伍情況。

（2） 致密油藏某層水質(zhì)改性研究。 通過投加絮凝劑Al2（SO4）3、 沉淀劑Na2CO3， 及調(diào)節(jié)pH 值進(jìn)行水質(zhì)改性， 利用ScaleChem 軟件分析Na2CO3、 pH值對(duì)降低結(jié)垢離子含量的影響， 對(duì)比改性后致密油藏某層采出水和侏羅系采出水配伍性。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)垢性分析

2.1.1 致密油藏某層采出水結(jié)垢趨勢(shì)

在壓力為101.325 kPa， 溫度為0～60 ℃的條件下， 利用ScaleChem 軟件模擬致密油藏某層采出水結(jié)垢趨勢(shì)， 結(jié)果見圖1。

圖1 致密油藏某層采出水結(jié)垢類型及結(jié)垢趨勢(shì)Fig. 1 Scale type and scaling trend of produced water from a certain layer of tight reservoir

由圖1 可知， 致密油藏某層采出水自身結(jié)垢類型主要是BaSO4、 CaCO3。 隨著溫度的升高， BaSO4的結(jié)垢量不斷降低， 總體變化不大； CaCO3的結(jié)垢量逐漸增大， 這是因?yàn)榻^大多數(shù)鹽在水中的溶解度是隨溫度的升高而增大， 但CaCO3具有反常的溶解度， 在溫度升高時(shí)溶解度反而下降， 即水溫升高時(shí)會(huì)沉淀更多的CaCO3。

2.1.2 侏羅系采出水結(jié)垢趨勢(shì)

在壓力為101.325 kPa， 溫度為0～60 ℃的條件下， 利用ScaleChem 軟件模擬侏羅系采出水結(jié)垢趨勢(shì)， 結(jié)果見圖2。

圖2 侏羅系采出水結(jié)垢類型及結(jié)垢趨勢(shì)Fig. 2 Scale type and scaling trend of Jurassic produced water

由圖2 可知， 侏羅系采出水自身結(jié)垢類型主要是CaCO3、 SrCO3， 兩者結(jié)垢量均隨著溫度的升高而逐漸增大， 水溫越高越有利于CaCO3沉淀的形成。

2.1.3 地下水結(jié)垢趨勢(shì)

在壓力為101.325 kPa， 溫度為0～60 ℃的條件下， 利用ScaleChem 軟件模擬地下水結(jié)垢趨勢(shì)，結(jié)果見圖3。

圖3 地下水結(jié)垢類型及結(jié)垢趨勢(shì)Fig. 3 Scale type and scaling trend of underground water

由圖3 可知， 地下水結(jié)垢類型為CaCO3， 地下水中結(jié)垢的陰陽(yáng)離子含量比較低， 因此CaCO3結(jié)垢量較小， 約為10 mg／L。

2.2 配伍性分析

2.2.1 致密油藏某層采出水與侏羅系采出水配伍性分析

在溫度為30 ℃， 壓力為101.325 kPa 的條件下， 利用ScaleChem 軟件模擬致密油藏某層采出水與侏羅系采出水的配伍性， 模擬結(jié)果見表2。

表2 致密油藏某層采出水與侏羅系采出水混合結(jié)垢類型及結(jié)垢量Tab. 2 Types and amount of scaling in mixture of produced water from a certain layer of tight reservoir and Jurassic

由表2 可以看出， 致密油藏某層采出水與侏羅系采出水按不同體積比例混合后， 主要結(jié)垢類型為BaSO4、 CaCO3及SrCO3， 除SrCO3結(jié)垢量低于100 mg／L 外， BaSO4、 CaCO3的結(jié)垢量較大， 最大結(jié)垢量達(dá)到450 mg／L 左右。 這是因?yàn)橹旅苡筒啬硨硬沙鏊缓薪Y(jié)垢陽(yáng)離子Ca2＋、 Ba2＋、 Sr2＋， 而侏羅系采出水SO42－、 HCO3－等結(jié)垢陰離子含量較高， 兩者混合后會(huì)產(chǎn)生BaSO4、 CaCO3及SrCO3沉淀。 隨著侏羅系采出水比例增大， 水中增加的SO42－、 HCO3－與致密油藏某層采出水中的Ba2＋、 Ca2＋結(jié)合， 使得BaSO4結(jié)垢量由135.7 mg／L 增至457.5 mg／L， CaCO3結(jié)垢量由173.4 mg／L 增至449.2 mg／L。 混合前致密油藏某層采出水BaSO4、 CaCO3結(jié)垢量分別為135.7、 173.4 mg／L， 依據(jù)SY／T 0600—2016《油田水結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法》， 在30 ℃時(shí)， BaSO4結(jié)垢量大于0， 說明水質(zhì)不穩(wěn)定， 根據(jù)Ryznar 穩(wěn)定指數(shù)法進(jìn)行CaCO3結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)， SAI 數(shù)值為5.34（SAI ＜6）， 有結(jié)垢趨勢(shì)， 混合后合計(jì)結(jié)垢量大于混合前。因此， 致密油藏某層與侏羅系不配伍， 回注過程中勢(shì)必因垢的累積而出現(xiàn)堵塞地層的問題。

2.2.2 致密油藏某層采出水與地下水配伍性分析

在溫度為30 ℃， 壓力為101.325 kPa 的條件下， 利用ScaleChem 軟件模擬致密油藏某層采出水與地下水配伍性， 模擬結(jié)果見表3。

表3 致密油藏某層與地下水混合結(jié)垢類型及結(jié)垢量Tab. 3 Types and amount of scaling in mixture of produced water from a certain layer of tight reservoir and underground water

由表3 可以看出， 致密油藏某層采出水與地下水按不同體積比混合后， 主要結(jié)垢類型為BaSO4、CaCO3。 在致密油藏某層采出水與地下水的混合比例為6 ∶4 時(shí)， BaSO4結(jié)垢量達(dá)最大， 而后其結(jié)垢量逐漸降低， 這是因?yàn)榈叵滤胁缓蠦a2＋， 混合水樣中Ba2＋隨著地下水水量的增加而逐漸減少， 使得BaSO4結(jié)垢量逐漸降低。 而由于地下水中不含有結(jié)垢陰離子CO32－， 且HCO3－含量也比較低， CaCO3結(jié)垢量隨著混合過程中地下水水量的增多而逐漸減小。 經(jīng)過分析比較可知， 致密油藏某層采出水與地下水不配伍。

2.3 致密油藏某層采出水水質(zhì)改性研究

基于以上分析可知， 致密油藏某層采出水與侏羅系采出水、 地下水均不配伍， 為減少設(shè)備、 管線、 地層堵塞， 必須經(jīng)過改性處理達(dá)標(biāo)后方可回注地層［5］。 致密油藏某層采出水水質(zhì)改性思路是，將致密油藏某層采出水經(jīng)Al2（SO4）3和Na2CO3混凝沉淀后， 降低水中成垢離子含量， 利用ScaleChem軟件模擬改性效果。 混凝沉淀借助混凝劑對(duì)膠體粒子的靜電中和、 吸附、 架橋等作用， 去除采出水中的懸浮物和不溶性污染物［6］， 因此考察沉淀劑Na2CO3投加量、 pH 值對(duì)改性結(jié)果的影響。

2.3.1 Na2CO3投加量對(duì)改性結(jié)果的影響

取100 mL 致密油藏某層采出水于250 mL 燒杯中， 攪拌條件下緩慢加入不同體積的110 mg／L Na2CO3溶液進(jìn)行化學(xué)沉淀， 再緩慢加入1 mL 50 mg／L Al2（SO4）3溶液進(jìn)行絮凝沉淀， 靜置一段時(shí)間后真空抽濾， 測(cè)定濾液中Ca2+、 Mg2+含量， 試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 Na2CO3 投加量對(duì)改性結(jié)果的影響Fig. 4 Effect of Na2CO3 dosage on modification results

從圖4 可以看出， 隨著沉淀劑Na2CO3投加量不斷增加， CO32－與Ca2＋、 Mg2＋反應(yīng)生成沉淀， 使得水樣中Ca2＋、 Mg2＋濃度逐漸降低。 當(dāng)Na2CO3投加量為2.3 mL， 其質(zhì)量濃度為2.53 mg／L 時(shí)， 水樣中Mg2＋濃度最低， 因此110 mg／L Na2CO3的最佳投加量為2.3 mL。

2.3.2 pH 值對(duì)改性結(jié)果的影響

取100 mL 致密油藏某層采出水在50 mg／L Al2（SO4）3溶液投加量為1 mL， 110 mg／L Na2CO3溶液投加量為2.3 mL， 對(duì)應(yīng)兩者的質(zhì)量濃度分別為0.5、 2.53 mg／L 的條件下， 致密油藏某層采出水結(jié)垢離子含量大幅度降低， 改性后的致密油藏某層采出水與侏羅系采出水通過ScaleChem 軟件配伍模擬結(jié)果見表4。 從表4 可以看出， 兩者混合后結(jié)垢類型為SrCO3、 CaCO3， 對(duì)比表2 可知， 改性后消除了BaSO4結(jié)垢 類 型， SrCO3、 CaCO3結(jié) 垢 量 大 幅 度降低， 但改性后致密油藏某層采出水pH 值高達(dá)9.66， 較高的pH 值會(huì)對(duì)管道造成嚴(yán)重的腐蝕。

表4 改性后的致密油藏某層與侏羅系采出水混合結(jié)垢類型及結(jié)垢量Tab. 4 Types and amount of scaling in mixture of produced water from a certain layer of tight reservoir and Jurassic after modification

在模擬溫度為30 ℃， 壓力為101.325 kPa， 致密油藏某層采出水與侏羅系采出水的體積比為1 ∶1條件下， 調(diào)節(jié)改性后致密油藏某層采出水的pH值， 利用ScaleChem 軟件模擬改性后致密油藏某層采出水與侏羅系采出水混合后的結(jié)垢情況， 模擬結(jié)果見圖5。

由圖5 可以看出， 隨著pH 值的降低， SrCO3、CaCO3結(jié)垢量均逐漸減小， 這是因?yàn)樵诩尤臌}酸降低pH 值的過程中， 大量的CO32－轉(zhuǎn)化為HCO3－， 使得水中沉淀轉(zhuǎn)化為重碳酸鹽。 因此， 改性最佳pH值為7.0。

圖5 不同pH 值條件下的結(jié)垢趨勢(shì)Fig. 5 Scaling tendency under different pH value conditions

2.3.3 改性后的致密油藏某層采出水與侏羅系采出水配伍性分析

溫度為30 ℃， 壓力為101.325 kPa， 改性后的致密油藏某層采出水與侏羅系采出水的pH 值為7.0， 在此條件下利用ScaleChem 軟件進(jìn)行模擬， 模擬結(jié)果見表5。

表5 改性后的致密油藏某層采出水與侏羅系采出水混合結(jié)垢類型及結(jié)垢量Tab. 5 Types and amount of scaling in mixture of produced water from a certain layer of tight reservoir and Jurassic after modification

比較表4（未調(diào)節(jié)pH 值）和表5（調(diào)節(jié)pH 值為7.0）可以看出， 調(diào)節(jié)pH 值后SrCO3、 CaCO3結(jié)垢量均降低， 在混合比例為1 ∶1 時(shí)， 合計(jì)結(jié)垢量由318.3 mg／L 降為156.2 mg／L， 降低率達(dá)50.9%， 達(dá)到了改性目的。

比較表3 和表5 可以看出， 致密油藏某層采出水與地下水在混合體積比為1 ∶1 時(shí)合計(jì)結(jié)垢量為492.1 mg／L， 而改性后的致密油藏某層采出水與侏羅系采出水相同體積比下的合計(jì)結(jié)垢量為156.2 mg／L， 由此可以說明， 改性后的致密油藏某層采出水與侏羅系采出水的配伍性優(yōu)于致密油藏某層采出水與地下水的配伍性。

3 結(jié)論

致密油藏某層采出水結(jié)垢量大， 結(jié)垢類型為BaSO4、 CaCO3， 與侏羅系采出水和地下水混合形成的水樣結(jié)垢量均較多， 配伍性差。 在Al2（SO4）3和Na2CO3溶 液 的 投 加 量 分 別 為0.5、 2.53 mg／L，pH 值為7.0 的改性條件下， 利用ScaleChem 軟件模擬預(yù)測(cè)出： 改性后的致密油藏某層采出水與侏羅系系采出水的配伍性優(yōu)于致密油藏某層采出水與地下水的配伍性。 該試驗(yàn)結(jié)果可為改性后致密油藏某層采出水代替地下水與侏羅系采出水進(jìn)行混配回注提供參考， 為解決富余致密油藏某層采出水回注侏羅系地層驅(qū)油問題提供數(shù)據(jù)支撐。