純梁采油廠首站純化外輸水質(zhì)改性體系測(cè)試

馬素俊，任鵬舉，李建兵，官慶卿

1.中國(guó)石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東 東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石化勝利油田分公司純梁采油廠，山東 濱州 256500

純梁采油廠首站來水性質(zhì)復(fù)雜，具有較低的pH 值以及較高的HCO3-和游離CO2含量，腐蝕性較強(qiáng)，導(dǎo)致地面管線和井筒結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重。采取水質(zhì)改性工藝，能夠?qū)⑹渍疚鬯畃H 值由6.4 提升到7.8～8.0，有效減少水中成垢離子數(shù)量，降低污水腐蝕性，水質(zhì)合格率明顯提升。雖然改性后污水中白云石、碳酸鈣鎂和方解石等礦物飽和指數(shù)有一定量的降低，但結(jié)垢現(xiàn)象仍然存在。

受外輸水質(zhì)自身穩(wěn)定性影響，純化、梁家樓油田注水沿程以及井下管柱結(jié)垢問題較為突出。結(jié)垢主要導(dǎo)致以下3 個(gè)方面的問題：①油管結(jié)垢，導(dǎo)致測(cè)試遇阻，無法對(duì)水井進(jìn)行測(cè)試調(diào)配、實(shí)現(xiàn)分層測(cè)試調(diào)配等。2021 年測(cè)試調(diào)配319 井次，其中測(cè)調(diào)遇阻44口井。在44口因測(cè)試調(diào)配遇阻的井中，31 口井遇阻位置≥2 000 m，占比達(dá)到71%。②結(jié)垢導(dǎo)致配水器水嘴堵塞，使得注水井的注水壓力上升。③油水井井筒結(jié)垢的同時(shí)，儲(chǔ)層也會(huì)受到不同程度結(jié)垢的損害。一旦地層具備了有利于回注水體系成垢的地質(zhì)因素，就會(huì)在地層產(chǎn)生微晶從而導(dǎo)致地層結(jié)垢。水垢會(huì)堵塞地層的孔隙系統(tǒng)，從而損害油層，使地層的有效滲透率降低，造成地層吸水能力減弱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞地層，從而縮短了部分注水井增注措施的有效期，最終影響石油開發(fā)效果。

針對(duì)這一問題，筆者開展水質(zhì)改性工藝調(diào)整與優(yōu)化技術(shù)研究的相關(guān)測(cè)試分析，通過測(cè)試分析篩選出首站水質(zhì)改性體系配方，在確保外輸水質(zhì)符合率的前提下，降低外輸水結(jié)垢趨勢(shì)，減輕管網(wǎng)與井下管柱結(jié)垢程度，以期達(dá)到進(jìn)一步提升水井增注效果以及測(cè)試調(diào)配成功率的目的。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

主要藥品：乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）（分析純）、氨-氯化銨緩沖溶液（pH=10）、30%三乙醇胺溶液、抗壞血酸（分析純）、NaOH（分析純）、KOH（分析純）、鉻黑 T（分析純）、甲基橙（分析純）、酚酞（分析純）、95%乙醇（分析純）、碘（分析純）、碘化鉀（分析純）、硫代硫酸鈉（分析純）等。

常用防垢劑見表1。

表1 常用防垢劑清單

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

HH-4 型數(shù)顯恒溫水浴鍋，江蘇省金壇陽光儀器廠；1 L 高壓釜，大連通產(chǎn)高壓釜容器制造有限公司；JJ224BC 型電子分析天平，北京海富達(dá)科技有限公司；DZF-6092 型電熱恒溫干燥箱，常州市易用科技有限公司；JB-3 型磁力攪拌器，上海雷磁新涇儀器有限公司；Aeris X 線衍射儀，丹東通達(dá)科技有限公司；500 mL 具塞錐形瓶、容量瓶、具塞量筒、移液管等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 垢樣分析

對(duì)純梁采油廠注水沿程的垢樣作XRD（X 線衍射分析）譜圖，以確定垢的主要類型和晶型。

1.3.2 水質(zhì)分析

采用SY5523—2006《油田水分析方法》的相關(guān)方法對(duì)純梁采油廠首站來水、注水沿程和外輸?shù)任恢盟畼舆M(jìn)行離子分析，得出水樣的酸堿度、陰陽離子的種類及含量等［1］。

1.3.3 防垢性能測(cè)定方法

按照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5673—93《油田用防垢劑性能評(píng)價(jià)方法》配制溶液，并進(jìn)行防垢性能測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 垢樣分析及結(jié)垢表征

結(jié)垢產(chǎn)物主要成分的XRD分析見圖1。

圖1 垢樣的XRD分析圖譜

由圖1 可知：方解石占垢樣組成的99%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），石英占1%，垢樣的主要類型是碳酸鈣垢。由于管網(wǎng)自投產(chǎn)以來，從未進(jìn)行清垢處理，所取垢樣為長(zhǎng)年累積結(jié)果，且垢樣取樣點(diǎn)少，不能表明水質(zhì)改性后垢樣組成的變化情況。因此，需要結(jié)合水樣離子分析的結(jié)果判斷注水沿程結(jié)垢類型。

2.2 水樣的離子分析

對(duì)純梁采油廠水樣進(jìn)行離子分析，并與2014年、2015 年和2022 年首站來水、外輸水中成垢離子含量檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2～3。

表2 首站及下游改性污水成垢離子檢測(cè)結(jié)果（2014、2015年）mg·L-1

從表2 和表3 對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出：2014 年首站來水成垢離子基本不含Ba2+，主要是Ca2+、Mg2+、SO42-和HCO3-，而Ca2+、Mg2+成垢通常是伴生的，形成的垢應(yīng)以鈣垢為主；2022 年監(jiān)測(cè)出首站來水的成垢離子發(fā)生了較大變化，水中監(jiān)測(cè)出含量較高的Ba2+存在，無SO42—。Ca2+、Mg2+、Ba2+和HCO3—等主要成垢離子濃度隨取樣點(diǎn)的不同而不斷變化，成垢離子中Ba2+、HCO3-含量隨沿程逐漸降低，表明有BaCO3優(yōu)先析出。

表3 首站及下游改性污水成垢離子檢測(cè)結(jié)果（2022年）mg·L-1

2.3 水樣的結(jié)垢特性分析

通過多點(diǎn)水樣的離子分析，總結(jié)了水質(zhì)結(jié)垢特性，確定了注水沿程、注水井井筒內(nèi)的結(jié)垢類型。水質(zhì)結(jié)垢特性見表4。由表4可知：目前注水沿程結(jié)垢類型以BaCO3為主，注水井井筒結(jié)垢以CaCO3為主。

表4 水質(zhì)結(jié)垢特性

2.4 防碳酸鈣垢的篩選與優(yōu)化

將5 種有機(jī)膦酸類防垢劑和4 種聚合物型防垢劑［2-6］分別加入過濾后的一定量的油田混合水中，在 6 MPa、60 ℃（模擬井筒）條件下，將其放置高壓釜中4 h，測(cè)其防垢率，結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 有機(jī)膦酸防碳酸鈣垢性能

圖3 聚合物類防碳酸鈣垢性能

由圖2 和圖3 可知：井筒條件下防垢劑ATMP、HEDP、 PASP 和HPMA 對(duì)碳酸鈣垢抑制效果較好，加藥質(zhì)量濃度達(dá)到 10 mg/L 時(shí)，防垢率均達(dá)到90%以上。

2.5 防碳酸鈣垢劑的耐溫性能評(píng)價(jià)

在水浴和老化條件下，對(duì)優(yōu)選的4 種有機(jī)膦酸防垢劑在10 mg/L 質(zhì)量濃度下的耐溫性能進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見圖4。

圖4 4種防垢劑防垢率隨溫度的變化

由圖4可知：優(yōu)選的4種防垢劑的防垢率隨溫度升高而下降，在地面溫度下，防垢率影響不大；當(dāng)使用溫度高于100 ℃時(shí)，其防垢性能會(huì)受到不同程度的影響。其中，HEDP 在溫度達(dá)到130 ℃時(shí)，防垢率仍維持在80%以上，其耐溫性能最佳。

2.6 防碳酸鋇垢的篩選與優(yōu)化

篩選部分目前常用的防垢劑（防鋇垢），分別考察不同防垢劑用量對(duì)其防垢性能的影響（實(shí)驗(yàn)條件：常溫常壓），結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 防垢劑用量對(duì)有機(jī)膦酸防鋇垢性能的影響

圖6 防垢劑用量對(duì)聚合物類防鋇垢性能的影響

從圖5 和圖6 可知：在高質(zhì)量濃度下，EDTMP、PASP 對(duì)鋇垢抑制效果最好，當(dāng)加藥質(zhì)量濃度為40 mg/L時(shí)，防垢率分別為67%和65%。

有機(jī)膦酸類防垢劑都是多元膦酸或多元羧酸鹽，其特點(diǎn)是極易與二價(jià)金屬離子絡(luò)合，并且具有較好的“溶限效應(yīng)”，可與其他多種類型藥劑發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)［7-10］。因此，將有機(jī)膦酸類防垢劑與聚合物防垢劑進(jìn)行復(fù)配，并將不同產(chǎn)品復(fù)配后的防垢率進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見圖7～9。

圖7 PASP與PAA復(fù)配后的防垢性能

圖8 EDTMP與PAA復(fù)配后的防垢性能

圖9 EDTMP與PASP復(fù)配后的防垢性能

由圖7～9 可知：在相同質(zhì)量濃度（40 mg/L）下，PASP 與PAA 復(fù)配、EDTMP 與PAA 復(fù)配、EDTMP 與PASP 復(fù)配后的防垢率分別為60%、85%和94%，其中有機(jī)膦酸防垢劑EDTMP 與聚合物類防垢劑PASP復(fù)配后抑制鋇垢效果最佳。

3 結(jié)論

1）目前首站純化外輸水成垢離子構(gòu)成與2015 年水質(zhì)改性初期發(fā)生較大變化，有較高的Ba2+存在。注水沿程結(jié)垢類型應(yīng)以BaCO3為主，注水井井筒結(jié)垢以CaCO3為主。

2）ATMP、HEDP、 PASP、HPMA對(duì)碳酸鈣垢抑制效果較好。地面溫度下，防垢率均影響不大。在溫度達(dá)到130 ℃時(shí)，HEDP耐溫性能最佳。

3）綜合考慮防垢劑的抑制鋇垢和鈣垢性能，建議優(yōu)選EDTMP與PASP復(fù)配作為防垢劑在純化油田進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。