林灣油區(qū)清污混注水體結(jié)垢機(jī)理及防治方法研究

張旭，王旭，賀斌，郝志蓮，吳海，謝志海，張偉東

(1.延長(zhǎng)油田股份有限公司靖邊采油廠，陜西 榆林 718500；2.西北大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710069)

林灣油區(qū)是靖邊采油廠的一個(gè)示范區(qū)，油層為長(zhǎng)4+5，采取清污混注的注水開發(fā)方式，出現(xiàn)注水管線結(jié)垢、注入壓力升高、注水見效慢等問題，嚴(yán)重影響油田開發(fā)效果和生產(chǎn)成本的有效控制[1-2]。分析油區(qū)的清水、產(chǎn)出水成分，預(yù)測(cè)結(jié)垢趨勢(shì)，分析水垢樣品的物性，詳細(xì)探討了油區(qū)注水系統(tǒng)的結(jié)垢機(jī)理，提出了應(yīng)對(duì)措施。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)用水，取自油區(qū)注水站的清水和采出水。

7900電感耦合等離子體質(zhì)譜儀；D8 ADVANCE X射線粉末衍射儀。

1.2 水質(zhì)分析

水質(zhì)分析按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5523—2006《油氣田水分析方法》，水樣先用定性濾紙過濾，再用 0.45 μm 濾膜過濾，分別測(cè)定清水和地層水的離子含量；Sr2+、Ba2+采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定。

1.3 結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)

依據(jù)SY/T 0600—2009《油田水結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)，選擇Davis-Stiff 飽和指數(shù)法和 Rynar 穩(wěn)定指數(shù)法進(jìn)行碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)，同時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)硫酸鋇鍶結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 注入水水質(zhì)分析

按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采集清水(水源井)和采出水水樣，進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見表1。

表1 注入水分析結(jié)果Table 1 Analysis results of injected water

2.2 結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)

2.2.1 碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè) 依據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，將采出水(污水)與清水按不同比例混合，在地層溫度和壓力(40 ℃，18 MPa)下，對(duì)林灣油區(qū)的碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果見表2。

表2 注入水碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果Table 2 The scaling tendency of calcium carbonate of injected water

由表2可知，兩個(gè)注水站的污水與清水不管以什么比例混合，飽和指數(shù)SI均大于0；穩(wěn)定指數(shù)SAI處在5～6之間，兩種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果均表明，油區(qū)清水與地層水之間配伍性差，有碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)。

[Sr2+]——Sr2+的濃度，mol/L；

結(jié)果判定：Q/Ksp>1.0，有結(jié)垢趨勢(shì)；Q/Ksp= 1.0，臨界狀態(tài)；Q/Ksp<1.0，無結(jié)垢趨勢(shì)。油區(qū)的清水與地層水混合的硫酸鍶結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果見表3。

表3 注入水硫酸鍶結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果Table 3 The scaling tendency of strontium sulfate of injected water

由表3可知，結(jié)垢趨勢(shì)嚴(yán)重。

2.2.3 硫酸鋇結(jié)垢量的確定 部頒標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0600—2016《油田水結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)》中硫酸鋇結(jié)垢量的確定式為：

式中B——水質(zhì)穩(wěn)定后水中硫酸鋇的結(jié)垢量，mol/L；

Ksp——硫酸鋇的溶度積，1.1×10-10。

結(jié)果判定：B≤ 0時(shí)，水質(zhì)穩(wěn)定不結(jié)垢；B>0時(shí)，水質(zhì)不穩(wěn)定，有硫酸鋇垢產(chǎn)生，其正值越大，結(jié)垢越嚴(yán)重。林灣油區(qū)清水與地層水混合后硫酸鋇垢的結(jié)垢預(yù)測(cè)結(jié)果見表4。

表4 注入水硫酸鋇結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果Table 4 The scaling tendency of barium sulfate of injected water

由表4可知，這兩種水不配伍，有形成硫酸鋇垢的趨勢(shì)。

2.3 水垢分析

林灣油區(qū)注水系統(tǒng)結(jié)垢較為嚴(yán)重，收集了具有代表性的水垢樣品，通過X射線粉末衍射儀(XRD)進(jìn)行物性分析，結(jié)果見圖1。

圖1 注水管和流量計(jì)中水垢樣品XRD圖Fig.1 XRD patterns of scale sample in pipes and flow meter

由圖1可知，示范區(qū)注水系統(tǒng)的水垢，無論哪個(gè)部位，均為硫酸鋇鍶垢與碳酸鈣垢的混合物，且以硫酸鋇鍶垢為主。

2.4 結(jié)垢機(jī)理探討

在油田注水開發(fā)過程中，經(jīng)常將清水或處理后的采出水回注到儲(chǔ)層中，當(dāng)兩種水質(zhì)不配伍時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生水垢。水垢沉積是溶質(zhì)從過飽和溶液中結(jié)晶析出、聚集并沉淀的過程。

水是否結(jié)垢主要決定于水中難溶鹽的離子積，當(dāng)離子積小或等于難溶鹽的溶度積時(shí)，它們將以離子狀態(tài)存在于水中，無水垢生成，水質(zhì)穩(wěn)定；一旦難溶鹽的離子積大于其溶度積時(shí)，就會(huì)從溶液中結(jié)晶析出，形成晶體水垢。

碳酸鈣和硫酸鹽垢的形成機(jī)理為[3]：

BaSO4(SrSO4)↓

2.5 硫酸鋇鍶垢的預(yù)防方法

林灣油區(qū)各站注入污水和清水是一套管線，注入方式是混注，即污水注完后用清水補(bǔ)充，這樣在管線中污水與清水交界處存在一段擴(kuò)散層段，在這個(gè)擴(kuò)散層段成垢性陰陽(yáng)離子濃度相對(duì)較高，很容易產(chǎn)生水垢；水中的微小懸浮物具有晶種的作用，誘發(fā)水垢的形成，相互影響，最終形成水垢而沉積在管道中。

國(guó)內(nèi)外油田化學(xué)工作者采取不同的清防垢技術(shù)解決碳酸鹽垢的沉積，取得了很好的效果[5]。但硫酸鋇鍶垢用一般方法很難清除，危害很大，其防治已成為油田防垢的技術(shù)難點(diǎn)[6]。油田常用聚合物型、膦酸型、羧酸型、膦酸-羧酸型和混合型等防垢劑對(duì)油井、管網(wǎng)進(jìn)行治理，但油藏情況差異很大，防治效果不理想。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型分離技術(shù)的不斷產(chǎn)生，其中利用特種膜或陰離子交換樹脂去除油田污水中成垢離子的方法，解決了油田在注水開發(fā)中管線、設(shè)備及地層存在的結(jié)垢問題，處理后水質(zhì)達(dá)到油田回注要求，但一次性投資大，運(yùn)行維護(hù)成本高。

3 結(jié)論

(1)林灣油區(qū)地層水為CaCl2型，屬于原生地層水，表明油藏油氣保存條件較好；地層水中含有成垢性陽(yáng)離子Ca2+、Sr2+、Ba2+。

(2)林灣油區(qū)的清水和地層水不配伍，注入水和地層水混合后，存在碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)，且硫酸鋇鍶結(jié)垢趨勢(shì)嚴(yán)重。

(3)油區(qū)注水系統(tǒng)結(jié)垢較為嚴(yán)重，水垢樣品分析結(jié)果與結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果相一致，以硫酸鋇鍶為主，混有少量碳酸鈣垢。

(4)討論了水垢形成機(jī)理，提出了預(yù)防硫酸鋇鍶垢的方法。