油田注水動態結垢趨勢實驗研究*

雷富強 秦芳玲 張淑俠 張世君 董晨曦 王丹丹

1西安石油大學化學化工學院

2陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院

隨著低滲透油田注水開發進程加深，因結垢而導致油層傷害、注水壓力升高、設備磨損和垢蝕等一系列問題[1-2]出現，這些問題對油氣生產的危害日趨嚴重，引起的經濟損失也日益增加。為了高效開發低滲透油田，對注水結垢趨勢進行科學的評價，并提出合理的預防措施十分必要。結垢預測評價技術研究始于20世紀30年代，至今仍在廣泛而深入地進行。結垢評價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實驗分析影響結垢因素，提出化學模型，用有關參數表征成垢介質和成垢環境，建立具有規律性的數學表達式，根據計算結果預測是否結垢。如由LANGERLIER提出、后經STIFF和DAVIS修改的“飽和度指數”法[3]，VALONE等人提出預測CaCO3結垢的改進方法——Q值法，WETTER和FULFORD的石膏垢類預測、FLETCHER的SrSO4垢預測等。②試驗模擬法（分靜態和動態兩種[4-7]）。通常使用的靜態模擬法是將試驗用水放在一密閉容器內，在規定的試驗溫度下恒溫一定時間后，通過測定成垢離子含量的變化或用稱量法計算出沉積結垢量。動態模擬法是模擬地層和地表不同壓力溫度下的結垢工藝條件進行試驗，試驗結果更加真實可靠。

目前國內外使用的動態模擬試驗儀按結垢反應器的類型及測試原理可分為巖心夾持器式[8-9]、盤管式兩大類。巖心夾持器式動態模擬試驗儀是根據巖心滲透率的變化來反映水的結垢趨勢；盤管式動態模擬試驗裝置不僅能夠較好地模擬油田注水開發過程，而且可對各部位結垢情況進行量化。本文應用盤管式動態模擬試驗儀對低滲透油田的注水結垢趨勢及與地層水的配伍性進行了試驗評價，對結垢趨勢進行了定性、定量分析，為現場采取水處理、防垢、清垢等相應技術改進或調整提供數據資料。

1 實驗

1.1 主要材料和儀器

實驗用水為某低滲透油田A、B、C區的地層水；A、B、C區聯合站現場處理后的注入水。

實驗用主要儀器：一套盤管式結垢動態模擬裝置、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

實驗采用動態模擬法，盤管式動態模擬裝置結構原理見圖1。該裝置由儲水罐、恒溫高壓控制箱、低壓常溫系統、膜過濾等組成。實驗溫度按照實際地層地表模擬；實驗壓力模擬高壓區和低壓區。

圖1 動態結垢模擬試驗裝置原理結構圖Fig.1 Structarediagramoftheprincipleofdynamicscaling simulationtest device

2 結果與討論

2.1 結垢動態模擬

低滲透油田A區的回注目標地層的溫度高達80 ℃，地層水總礦化度在10×104mg/L左右。將油田A區聯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），再進行結垢動態模擬實驗，結果見表1和圖2。

表1 某油田A區混配水動態模擬實驗結果Tab.1 Dynamic simulation test results of mixed water in Area A of anoilfield

圖2 某油田A區混配水沉積結垢趨勢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）注入水的沉積結垢總量高于地層水的結垢總量。地層水的沉淀結垢部位以高壓區為主，為12.6 mg/L，占總沉淀結垢量的60%；處理后的注入水形成的結垢總量為49.0 mg/L，結垢部位基本在高、低壓區均衡分布。

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

（3）當混配比為50%時，結垢物總量最小，其中高壓區為3.6 mg/L，低壓區為17.3 mg/L，結垢物主要出現在低壓區部位即生產井底部。

2.2 結垢物組分分析

以低滲透油田A區的75%混配比水樣形成的結垢物為研究對象，收集盤管和濾膜上的垢樣，烘干后對其進行電鏡掃描和能譜元素分析，確定結垢情況，明確其結垢趨勢。實驗結果見表2和圖3。

表2 結垢物元素分析結果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，質地較硬，夾雜白色結晶體。元素分析結果表明，注入水沉淀結垢物的元素主要是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 評價實驗

評價實驗采用低滲透油田B區和C區的水樣。B區和C區的回注目標地層溫度分別為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行實驗，實驗結果見表3、圖4和圖5。

表3 B區和C區混配水動態模擬結果Tab.3 Dynamic simulation results of mixed water in Area B and C

由表3、圖4可以看出：B區的注入水沉積結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，沉積結垢量呈下降趨勢，說明兩種水的配伍性較好；當注入水比例為100%時，結垢量最小，總量為14.3 mg/L。混配水以地層水為主時，沉積結垢產生部位偏向高壓區即油層，而混配水以注入水為主時，沉積結垢產生部位偏向低壓區即生產井底部。

圖4 某油田B區混配水沉積結垢趨勢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區的注入水沉積結垢量高于地層水；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，沉積結垢量呈急劇上升趨勢，到注入水占50%時沉積結垢量達到最高峰，隨后呈下降趨勢，說明兩種水的配伍性極差。同時還可以看出：無論是單一水，還是混配水，沉積結垢產生部位都以高壓區即油層為主。

3 結論

（1）對低滲透油田A、B、C區水質進行的混配結垢實驗表明：A區在地層溫度80 ℃下，地層水和處理后的注入水均有一定量的結垢物形成；地層水的沉淀結垢部位以高壓區即油層為主；以地層水為主混配時，沉積結垢產生部位偏向高壓區即油層，以注入水為主混配時，沉積結垢產生部位偏向低壓區即生產井底部；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垢總量逐漸減少。C區注入水與地層水配伍性最差，應根據現場具體情況采取一定的水處理技術改進或調整。

（2）通過沉積結垢物的能譜分析，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，可根據現場具體情況采取水處理、防垢、清垢等相應技術改進或調整措施，以防止地層傷害，減少注水井作業費用和注水設備維修費用。

（3）盤管式結垢動態模擬實驗，能夠較真實地模擬油田注水開發過程中不同部位的沉積結垢情況，快速了解結垢物的生長規律，預測結垢點，提供較準確的量化結果。該動態模擬結垢評價技術克服了低礦化度水因結垢量少而無法用靜態試驗法[10]即傳統的離子變化法進行準確判定的缺陷。