油氣田采出水配伍性評價實驗影響因素研究現狀

張瑤，劉壯，陳星，鐘偉，馬云

1.西安石油大學 陜西省油氣田特種增產技術重點實驗室（陜西 西安 710065）2.西部低滲-特低滲油藏開發與治理教育部工程研究中心（陜西 西安 710065）3.中國石油長慶油田分公司第一采氣廠采氣工藝研究所（陜西 靖邊 718500）

0 引言

隨著油田開發進入中后期，多層系混合開采已成為常用的開發手段。多層系開采中，若不同層系的采出液配伍性差，會堵塞地層造成不可逆轉的破壞，礦垢的沉積也會在油氣生產系統中導致許多嚴重問題，如：導致管線及相關生產設施發生腐蝕結垢等[1-5]。注入水與采出水配伍性的好壞，將直接影響采出效率[6-10]。多種類型的混合水注入既能節約成本又能保護環境，但當不配伍的水注入儲層后，將對地層產生破壞性影響[11-17]。配伍性實驗可以用來檢測混合水樣的配伍性，從而避免結垢現象的出現。此外，可以通過配伍性評價來了解混配水樣的結垢情況，從而能人為處理采出水使其達到輸送標準，減少管道腐蝕結垢現象的產生[18-22]。然而，國內外并未建立統一的配伍性評價標準。

在油田中，常見的垢沉積物主要包括硫酸鋇、碳酸鈣和硫酸鈣，而硫酸鋇和硫酸鍶通常是同時出現的[23-26]。礦物垢是從鹽溶液中沉淀出來的堅硬礦化化合物，主要涉及兩種不配伍水時對油田注水系統造成傷害，其中硫酸鈣垢是石油工業中導致嚴重結垢現象的一種[27-30]。目前，研究注入水與地層水配伍性的方法主要包括靜態配伍性評價和動態配伍性評價[31]。

1 靜態配伍性評價

靜態配伍性實驗一般用于注入水與地層水配伍性評價，是在室內進行的靜態實驗。其實驗原理是：通常使用水浴加熱的方式模擬相應的地層溫度，讓混配水樣在該溫度下靜置一段時間，最后觀察結垢情況，依據ISO 6058—1984《水質-鈣含量的測定—EDTA 滴定法》測定混配水樣中鈣離子含量的變化。成垢離子分析法、比色（濁）分析法、結垢重量分析法，是目前較為常用的3 類配伍性實驗的評價方法[23]。

1.1 成垢離子分析法

該方法的評價機理是通過檢測混配水樣中成垢離子的含量變化，從而確定混配水樣的配伍性程度。實驗中需測定不同比例混配水樣中各成垢離子的實測值和理論值。當實測值和理論值的差值較大時，說明結垢現象嚴重，混配水樣配伍性差；而當兩值接近時，說明混配水樣配伍性較好。

成垢離子分析法操作簡單、便于實施，主要用于垢量較大時定量。垢量小時，由于規律性較差，該方法只能判定所分析的成垢離子形成的垢物。混配水樣的顏色也會影響該實驗的測量結果。

吳新民等人[32]采用成垢離子分析法，對典型“三低油田”—姬塬油田進行配伍性實驗。將按不同比例混合的采出水與注入水，在同一溫度80 ℃（模擬儲層溫度）下，靜置20 d。研究表明，混合水樣中硫酸根離子濃度沒有明顯變化，鈣離子濃度隨混合水樣中地層水所占比例的增大而大幅下降，出現較明顯的結垢現象。結果表明：姬塬長8 儲層地層水與注入水混合后會對地層造成嚴重破壞，需要對注入水進行防垢處理。

1.2 比色（濁）分析法

該方法的評價機理是通過檢測混配水樣的透光率來確定混配水樣的配伍性程度。實驗中，當混配水樣配伍性好時，水樣中形成的垢晶體少，混配水樣的透光率好；當混配水樣配伍性較差時，形成的垢晶體增多，從而導致混配水樣的透光率降低。

比色分析法通常用于半量定量。該實驗方法適用于垢量較大，且結垢在水中呈懸浮狀態的情況。但它容易受到溶液顏色的影響，無法測量容器壁所結垢，而且測量沉淀垢時，測量誤差明顯。

謝娟等人[33]對陜西某氣井稠化酸返排液進行一系列處理，以降低稠化酸返排液與注入水的結垢趨勢。采用提高稠化酸返排液pH 的方法降低鈣離子濃度，再通過添加絮凝劑聚合氯化鋁、聚丙烯酰進行沉降處理除去SS，最后利用比色分析法對混合水樣（優化后的稠化酸返排液與注入水按不同比例混合的混合物）進行配伍性評價。實驗表明，處理后上清液的透光率高達98.5%，混合水樣未出現硫酸鈣和碳酸鈣結垢趨勢。但溶液顏色對該實驗結果的影響較大，為了獲得精確結果，往往不建議單獨使用。

1.3 結垢重量分析法

結垢重量分析法實驗原理:采用濾膜過濾，對抽濾前后濾膜上的質量差進行測定，從而得到混配水樣結垢量[34]。實驗中選取纖維濾膜對混配水樣進行抽濾，然后測量烘干后的濾膜質量，抽濾過程前后所測量的纖維濾膜質量差就是混配水樣的垢物質量。

結垢重量分析法原理簡單、使用廣泛，定量較好，其優點在于其測量結果不受溶液顏色的影響，垢量測量結果會比較準確。結垢重量分析法適用于生成的垢量較大且在水中呈懸浮狀態的結垢現象，對測量垢量較少或結垢主要依附在容器壁上的結垢情況誤差較大。采出水樣中的懸浮固體也會對該方法的結果準確性帶來影響，且該方法易受到人為操作因素影響，對過濾、干燥等步驟進行準確操作可有效降低人為操作誤差[35]。

劉絲雨等人[34]對陜北定邊區塊長7 層位采出水和淺層地層水采用結垢重量分析法測定混合水樣中硫酸根離子的含量。實驗結果表明，當混配水樣比例中V（淺層地層水）∶V（長7 層位采出水）=2∶8時，結垢量最大，混配水樣中的硫酸根離子降低量也最大，再將水樣進行絮凝處理可使混配水樣達到回注標準，使其能作為回注水回注地層。結垢重量分析法原理簡單，可行性強，但容易受到人為操作因素的影響。對過濾、干燥等步驟進行準確操作可有效降低人為操作誤差。

通過上述比對分析可知，這三類常用的靜態配伍性實驗方法各有其適用情況和優缺點，應根據不同的水樣特征來選擇合適的配伍性方法，以排除干擾物的影響。

2 動態配伍性評價

參照石油天然氣行業標準SY/T 5523—2006《油氣田水分析方法》對懸浮固體進行動態配伍性評價。動態配伍性實驗原理：在模擬地層條件的情況下，將多種不配伍水連續注入天然巖心或人造巖心模型中，以了解不配伍水型混合后對儲層滲透率的損害情況。動態配伍性實驗主要應用環境為：注入水—地層水交替驅替過程；該配伍性實驗的實驗條件為：溫度，恒定溫度[36]；驅替速度：恒定速度；動態配伍性實驗中兩種水源的配伍性好壞評判標準為：注入水與地層水共同作用時對孔隙滲透率降低程度（損傷程度）的影響[37]。

動態配伍性實驗也稱驅替實驗，是海上油田注水開發過程中所必須進行的實驗[31]。影響動態配伍性評價的主要因素是二價鐵離子，尤其是在含鐵量較高的采出水樣中。

甘秀玉等人[38]在混配水（V（地層水）∶V（海水）=4∶1）注入過程中進行動態配伍性實驗。實驗表明，隨著注入PV數的增大，混配水出現結垢現象，而結垢會對巖石空隙造成阻塞，從而導致巖心滲透率越來越低。當注入PV=50 時，滲透率為85%。由此可見，由于地層水和海水的離子含量差異較大，在同等地層條件下兩者的配伍性也較差。因此，在實際注水作業時添加防垢劑是必要的。

陳華興等人[39]以海上聚合物驅示范油田綏中36-1 油田含聚污水回注為例，通過動態配伍性實驗評價，研究了污水回注地層的結垢機理。結果表明未加防垢劑時，水源水對儲層巖心的損害率為中等偏弱損害，加入防垢劑后變為弱損害。即長期注入單一水源井水，不采取防垢措施時，還是會對儲層巖心造成嚴重損害。

劉美遙等人[40]對JX1-1 油田混配水樣進行了動態配伍性實驗。實驗中結合靜態配伍性實驗所得數據，選用配比為V(清污混合水)∶V(地層水)=6∶4，因為此配比結垢量最大。在清污混合水回注地層的過程中，隨著清污混合水中水源水所占比例的增大，其對儲層滲透率的傷害越大。為了保持沙河街儲層回注能力，單獨回注污水是必要的。

在多層系采出水外輸及回注過程中，靜態配伍性實驗和動態配伍性實驗都能測得采出水的配伍性。但靜態配伍性評價一般為多層系采出水混合外輸提供依據，動態配伍性評價一般為采出水回注地層提供依據。而且實驗室方法只能有效模擬出地下溫度的變化情況，無法對地下壓力的真實變化情況進行有效的模擬，其結果的準確性還有待提高[41]。在實際的工程操作中，建議將這兩種方法結合使用，進而得到更全面更貼切的結果[13]。

通過上述常用配伍性試驗評價方法的對比分析，總結出各種方法的適用情況和優缺點（表1）。

表1 配伍性評價常用方法對比

3 配伍性實驗影響因素屏蔽方法研究現狀

3.1 懸浮固體的影響及屏蔽方法

在配伍性實驗里，采出水中的懸浮固體會對實驗造成較大影響[42]。實驗室中通常采用過濾法來預處理懸浮固體。為了保證過濾效果，通常會用較細的濾紙進行過濾，但過濾過程中混配水樣的晶種必然會損失，目前尚無此方面的誤差計算。而且，在采出水的過濾過程中，采出水的加熱、溶解氧的增加會使二價鐵轉化為氧化鐵垢物，也會影響測量結果的真實性[23]。所以這樣處理就顯得依據不足。

為了屏蔽采出水中懸浮固體對配伍性實驗的影響，采用已經稱重處理過的微孔薄膜來過濾混配前的各水樣，然后經過洗鹽、洗油、烘干、稱重等一系列步驟得出測量結果，再將該值等比例從最終結果中減除。

3.2 二價鐵離子的影響及屏蔽方法

鐵垢產生的機理為混配水中的二價鐵離子與溶解氧發生反應，生成氫氧化鐵，氫氧化鐵不穩定分解得到Fe2O3沉淀。

在實際的地層環境中，溶解氧含量極低，地層水中的二價鐵離子幾乎無法轉變成鐵垢，而在實驗室中一系列的實驗操作會不可避免地引入溶解氧。所以在含鐵量較高的采出水中，二價鐵離子對混配水樣配伍性的影響往往較大。

屏蔽采出水中二價鐵離子對配伍性實驗的影響是一直在探索的問題，經過多次經驗總結得出該方法：為了區分水樣混配前已形成的鐵氧化物和混配恒溫加熱后所形成的鐵氧化物，選擇采用磺基水楊酸比色法[43-47]來測量混配前后不同混配比下的溶液中Fe2+和Fe3+的含量，然后通過差減法進行減除。最后，將磺基水楊酸比色法測得的混配前后鐵離子的差值折算成Fe2O3沉淀，從總垢量中減除。

3.3 靜置時間的影響及屏蔽方法

為得到更準確的配伍性結果，靜置時間往往越長越好。混配水中的結垢量會隨靜置時間的延長而增加[48]。不同的混配水樣，其最佳靜置時間往往不同。為屏蔽靜置時間對配伍性實驗的影響，可以將不同比例的混配水樣靜置處理，通過觀察混配水樣中結垢量隨靜置時間的變化得出該水樣的最佳混配時間。

宋紹富等人［48］以延長油田瓦窯堡油藏地層水為研究對象，對配伍性實驗中的靜置時間做了研究。實驗表明，對于低比例混合水，即V（長2 水）∶V（長6 水）為1∶4～1∶10 時，靜置時間大于8 h 后，結垢量變化不大；對于高比例混合水，即V（長2 水）∶V（長6 水）為1∶0.1～1∶0.7 時，靜置時間大于24 h 后，結垢量變化不大。

由于現場實驗條件有限，動態配伍性實驗裝置復雜難以在現場展開，因此在現場應用中，建議采用原理簡單、操作易行的比色分析法。

4 結論

通過對油田采出水配伍性評價及影響因素做了對比和總結，得出以下幾點結論和建議：

1）靜態配伍性評價中結垢重量分析法原理簡單，不受溶液顏色影響，應用廣泛。可以進一步優化該方法，將混配水樣中懸浮固體分為懸浮垢和沉降垢，并利用多種微觀分析手段對配伍性實驗進行評價，這對提高結果的精確性有重大意義。

2）靜態配伍性評價和動態配伍性評價都能測得采出水的配伍性，動態配伍性評價考慮了地層因素。實驗室中，為了得到更全面更貼切的結果，可以考慮將靜態、動態配伍性評價結合使用。

3）國內外學者對配伍性實驗的影響因素做了大量研究，提出了一系列注水水質標準，但適用性不強，難以保證油田經濟高效開采，建立采出水及污水回注水質指標標準，顯得十分必要。

4）國內外尚未建立統一的配伍性評價方法，采用不同的評價方法會得出不同的結論。為了便于實驗室間的結果比對與指導現場生產，迫切需要建立多層系開發采出液及采出水回注的配伍性評價方法。