南堡油田1-5區注水井結垢規律試驗研究

(中石油冀東油田分公司南堡作業區，河北 唐山 063200) (油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(西南石油大學)，四川 成都 610500) (中石油冀東油田分公司南堡作業區，河北 唐山 063200)

隨著油田開發的不斷進行，開采油氣所需要的天然能量不斷衰竭。越來越多的油田通過注水的方式來使地面補充、恢復能量，從而保持油藏壓力，以達到長期穩產、提高油氣采收率的效果。然而，注水開發也帶來了一系列的問題，其中結垢是最為嚴重的問題之一。垢主要是無機鹽類，其中碳酸鈣最為常見[1～4]。水垢的形成主要是由于溶液中大量的碳酸根離子和成垢陽離子超過其在水中的溶度積，將高濃度的鹽水作注入水時會有很大的成垢風險[5,6]。其次，外界環境的變化也會導致結垢，如井筒中溫度上升、地層高溫、水體pH值上升等都會導致結垢[7～11]。為此，筆者對南堡油田1-5區注水井的結垢規律進行試驗研究，分析其結垢機理，明確結垢的主控因素，旨在為預防和控制注水井結垢提供依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

藥品：NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2·H2O、Na2CO3、Na2SO4、EDTA、氨-氯化銨緩沖劑(pH值=10.0)、鉻黑T指示劑等，以上藥品均為分析純。

儀器：AA-7020型原子吸收分光光度計(北京東西分析儀器有限公司)、883型離子色譜儀(瑞士萬通公司)、PARR 4584型高溫高壓反應釜(美國PARR公司)、DZKW-D-4型恒溫水浴鍋(江東精密儀器有限公司)、PHB-3型精密pH計(杭州奧利龍儀器有限公司)、電子天平、恒溫烘箱、燒杯、量筒、容量瓶、錐形瓶、酸式滴定管等。

1.2 試驗方法

先將一定量的注入水水樣過濾后放入錐形瓶中，在恒溫條件下靜置24h，然后采用EDTA滴定法計算出結垢量。試驗具體操作按照SY/T 5523—2016標準執行[12]。結垢量的計算公式如下：

(1)

式中：M為樣本結垢量，mg/L；V0為所取樣本體積，mL；V1為試驗前滴定消耗的EDTA標準液體積，mL；V2為試驗后滴定消耗的EDTA標準液體積，mL；c為EDTA標準液濃度，mol/L；N為碳酸鈣相對原子質量，mg/mol。

2 水樣離子與垢樣成分

2.1 水樣離子分析

表1 注入水離子分析表

2.2 垢樣成分分析

從南堡油田1-5區井筒中取水垢樣本，洗油烘干，將洗凈的垢樣進行X衍射(見圖1)分析，垢樣中無機物主要為方解石(98.98%)，另含有少量石英(1.02%)。和水樣分析一致，進行注水開發時易形成CaCO3。圖2是垢樣的電鏡掃描圖片，可以看到CaCO3垢顆粒堆積緊密。

圖1 南堡1-5區井筒垢樣X衍射曲線 圖2 垢樣電鏡圖

3 正交試驗研究

試驗以注入水為研究對象，將注入水的溫度、壓力、含鹽量(NaCl質量濃度)、鈣離子質量濃度及pH值設置為試驗因子，以24h后注入水水樣最終結垢量為指標，建立5因素、4水平的正交表(見表2)。

正交試驗各因素的極差(R)見表3，其排序為R(D)>R(E)>R(C)>R(A)>R(B)，即注入水中鈣離子質量濃度大小是影響結垢的主要因素，其后依次是注入水的pH值、含鹽量、溫度，壓力對結垢的影響最小。

表2 正交試驗各因素水平值

表3 極差計算結果

表4 方差分析表

對各個因素進行方差分析，結果如表4所示。F比為效應項與誤差項的比值，F比值越大代表該項處理的影響越明顯。誤差項是隨機誤差，誤差值越小代表試驗精度越高。從結果可以看出，只有因素D(鈣離子質量濃度)的F比高于臨界值(6.25)，說明鈣離子質量濃度對結垢的影響較為顯著，而其他因素影響并不顯著。所以，在注水時控制注入水中鈣離子質量濃度顯得尤為重要。

4 單因素對結垢量的影響

4.1 溫度

溫度對結垢量的影響曲線見圖3，可以看出，隨著溫度的升高，水樣的結垢量逐漸增大。這一方面是由于溫度會影響碳酸鈣的溶解，碳酸鈣在水中的溶解度隨溫度升高而下降，從而導致高溫時會有更多的碳酸鈣結晶析出；另一方面是由于介質中的結垢離子隨溫度增加，反應活性增強，離子反應加快，導致結垢速率加快。

4.2 含鹽量

含鹽量對結垢量的影響曲線見圖4，可以看出，當含鹽量為1000mg/L時，注入水的最終結垢量最大(248mg/L)，隨著含鹽量的增加，注入水的結垢量逐漸減少，即在高含鹽量情況下可以抑制碳酸鈣垢的生成。這是由于增加了水中非成垢離子質量濃度，對成垢離子的活動空間進行了限制，成垢離子難以相互碰撞結晶，使得成垢離子的活動性減弱，導致結垢速率降低。所以，應當保持注入水的含鹽量在2000mg/L左右，能夠有效預防碳酸鈣結垢。

4.3 pH值

pH值對結垢量的影響曲線見圖5，可以看出，pH值的增加使得水樣的結垢量逐漸增加。當注入水的pH值較高時，注入水水樣中大量的碳酸氫根離子會水解為碳酸根離子，這將有利于與鈣離子結合生成碳酸鈣，從而導致注入水結垢趨勢增強。

4.4 鈣離子質量濃度

鈣離子質量濃度對結垢量的影響曲線見圖6，可以看出，隨著鈣離子質量濃度的增加，注入水的結垢量近乎呈線性增加的變化規律。鈣離子質量濃度的增加會導致結垢量的顯著變化。這可以解釋為南堡油田1-5區注入水中有足夠量的碳酸氫根離子，鈣離子質量濃度的增加會導致結垢反應一直向著正方向進行，使得結垢量大幅度增加。所以，對注入水中的成垢離子質量濃度加以控制可以降低注水井結垢趨勢。

圖3 溫度對結垢量的影響曲線 圖4 含鹽量對結垢量的影響曲線

圖5 pH值對結垢量的影響曲線 圖6 鈣離子質量濃度對結垢量的影響曲線

圖7 壓力對結垢量的影響曲線

4.5 壓力

5 配伍性研究

表5 注入水與地層水混合的配伍性試驗

在注水過程中產生無機沉淀的原因之一就是外來流體與地層流體不配伍而導致的結垢。將已過濾的注入水及地層水按體積比為1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1混合，分別在室溫(20℃)和90℃的情況下靜置4h，觀察是否發生結垢。試驗結果見表5，可以看出，南堡1-5區注入水與地層水在常溫下配伍性好，無明顯結垢現象；在溫度為90℃條件下，注入水所占比例較大時會有少量沉淀生成，配伍性差。

6 結論

2)為確定各因素對結垢影響的主次順序，設計了正交試驗來進行分析。結果表明，注入水中鈣離子質量濃度大小是影響注入水結垢的主要因素；其后依次是注入水pH值、含鹽量、溫度，壓力對結垢的影響最小。對各個因素單獨分析可知，溫度的上升、pH值和鈣離子質量濃度的增加都會導致注入水結垢趨勢上升；而壓力和含鹽量的增加則會導致注入水結垢趨勢下降。

3)注入水及地層水在高溫條件下混合后有沉淀產生，配伍性差。

4)為了減緩注水井的結垢問題，需要對注入水水質進行控制，維持注入水中鈣離子質量濃度在較低范圍內。