林灣油區(qū)清污混注水體結垢機理及防治方法研究

張旭，王旭，賀斌，郝志蓮，吳海，謝志海，張偉東

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

林灣油區(qū)是靖邊采油廠的一個示范區(qū)，油層為長4+5，采取清污混注的注水開發(fā)方式，出現(xiàn)注水管線結垢、注入壓力升高、注水見效慢等問題，嚴重影響油田開發(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，預測結垢趨勢，分析水垢樣品的物性，詳細探討了油區(qū)注水系統(tǒng)的結垢機理，提出了應對措施。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗用水，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譜儀；D8 ADVANCE X射線粉末衍射儀。

1.2 水質分析

水質分析按照行業(yè)標準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譜儀測定。

1.3 結垢趨勢預測

依據(jù)SY/T 0600—2009《油田水結垢趨勢預測》標準，選擇Davis-Stiff 飽和指數(shù)法和 Rynar 穩(wěn)定指數(shù)法進行碳酸鈣結垢趨勢預測，同時按照標準方法對硫酸鋇鍶結垢趨勢進行預測。

2 結果與討論

2.1 注入水水質分析

按照石油天然氣行業(yè)標準采集清水(水源井)和采出水水樣，進行化學分析，結果見表1。

表1 注入水分析結果Table 1 Analysis results of injected water

2.2 結垢趨勢預測

2.2.1 碳酸鈣結垢趨勢預測 依據(jù)水質分析結果，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，對林灣油區(qū)的碳酸鈣結垢趨勢進行了預測，結果見表2。

表2 注入水碳酸鈣結垢趨勢預測結果Table 2 The scaling tendency of calcium carbonate of injected water

由表2可知，兩個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，兩種方法的預測結果均表明，油區(qū)清水與地層水之間配伍性差，有碳酸鈣結垢趨勢。

[Sr2+]——Sr2+的濃度，mol/L；

結果判定：Q/Ksp>1.0，有結垢趨勢；Q/Ksp= 1.0，臨界狀態(tài)；Q/Ksp<1.0，無結垢趨勢。油區(qū)的清水與地層水混合的硫酸鍶結垢趨勢預測結果見表3。

表3 注入水硫酸鍶結垢趨勢預測結果Table 3 The scaling tendency of strontium sulfate of injected water

由表3可知，結垢趨勢嚴重。

2.2.3 硫酸鋇結垢量的確定 部頒標準SY/T 0600—2016《油田水結垢趨勢預測》中硫酸鋇結垢量的確定式為：

式中B——水質穩(wěn)定后水中硫酸鋇的結垢量，mol/L；

Ksp——硫酸鋇的溶度積，1.1×10-10。

結果判定：B≤ 0時，水質穩(wěn)定不結垢；B>0時，水質不穩(wěn)定，有硫酸鋇垢產(chǎn)生，其正值越大，結垢越嚴重。林灣油區(qū)清水與地層水混合后硫酸鋇垢的結垢預測結果見表4。

表4 注入水硫酸鋇結垢趨勢預測結果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。

2.3 水垢分析

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

圖1 注水管和流量計中水垢樣品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 結垢機理探討

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層中，當兩種水質不配伍時，就會產(chǎn)生水垢。水垢沉積是溶質從過飽和溶液中結晶析出、聚集并沉淀的過程。

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

碳酸鈣和硫酸鹽垢的形成機理為[3]：

BaSO4(SrSO4)↓

2.5 硫酸鋇鍶垢的預防方法

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充，這樣在管線中污水與清水交界處存在一段擴散層段，在這個擴散層段成垢性陰陽離子濃度相對較高，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。

國內外油田化學工作者采取不同的清防垢技術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難點[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油井、管網(wǎng)進行治理，但油藏情況差異很大，防治效果不理想。

隨著技術的不斷進步，新型分離技術的不斷產(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、設備及地層存在的結垢問題，處理后水質達到油田回注要求，但一次性投資大，運行維護成本高。

3 結論

(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，存在碳酸鈣結垢趨勢，且硫酸鋇鍶結垢趨勢嚴重。

(3)油區(qū)注水系統(tǒng)結垢較為嚴重，水垢樣品分析結果與結垢趨勢預測結果相一致，以硫酸鋇鍶為主，混有少量碳酸鈣垢。

(4)討論了水垢形成機理，提出了預防硫酸鋇鍶垢的方法。