劉書杰邢希金林科雄

(1.中國石油大學(xué)(北京); 2.中海油研究總院; 3.荊州市漢科新技術(shù)研究所)

中東M油田高礦化度地層水結(jié)垢趨勢預(yù)測與防垢實驗研究*

劉書杰1,2邢希金2林科雄3

(1.中國石油大學(xué)(北京); 2.中海油研究總院; 3.荊州市漢科新技術(shù)研究所)

選取中東M油田Asmari和Mishrif灰?guī)r儲層高礦化度地層水為研究對象,通過水質(zhì)分析和結(jié)垢趨勢預(yù)測,考察了該油田高礦化度地層水結(jié)垢特性。通過室內(nèi)防垢實驗,開展了化學(xué)防垢劑優(yōu)選和金屬防垢器防垢效果評價,結(jié)果表明,將優(yōu)選的硫酸鈣防垢劑ZT-16與碳酸鈣防垢劑ZT-00按照不同比例復(fù)配后形成的復(fù)合防垢劑HSI適合于M油田高礦化度地層水防垢,這種復(fù)合防垢劑與金屬防垢器聯(lián)合使用不僅可以取得良好的防垢效果,而且能夠有效降低化學(xué)防垢劑用量,從而達(dá)到控制注入成本的目標(biāo)。上述研究成果對高礦化度油田地層水結(jié)垢預(yù)測與防垢具有借鑒意義。

中東油田;高礦化度;結(jié)垢趨勢預(yù)測;復(fù)合防垢劑HSI;金屬防垢器;聯(lián)合防垢

0 引言

在油田注水開發(fā)過程中,結(jié)垢可以發(fā)生在從地層到地面管網(wǎng)的各個部位,進(jìn)而堵塞地層基巖或裂縫、井筒以及生產(chǎn)裝置等,從而增加流體的流動阻力,延長停產(chǎn)檢修時間,引起管線的局部腐蝕;與此同時,結(jié)垢產(chǎn)物也增加了注入水對油層的損害程度,給油田生產(chǎn)作業(yè)帶來了極大的危害[1-2]。因此,研究油田現(xiàn)場地層水和注入水水質(zhì)特征,并對油田水進(jìn)行結(jié)垢預(yù)測,將會對油田注水開發(fā)起到極其重要的作用。

中東M油田主要開發(fā)Asmari和Mishrif兩套儲層,儲層巖性為典型的孔隙型碳酸鹽巖。Asmari儲層埋深約在3000m,地層溫度為95℃,地層壓力為28 MPa,為正常溫壓系統(tǒng);Mishrif儲層埋深約為4000m,地層溫度為120℃,地層壓力為38 MPa,為正常溫壓系統(tǒng)。受碳酸鹽巖地層形成過程中蒸發(fā)作用的影響,該油田碳酸鹽巖地層水多表現(xiàn)出高礦化度特征,地層水礦化度約230000mg/L,如此高礦化度油田產(chǎn)出水在中東乃至世界范圍內(nèi)較為少見,如何防垢也無類似礦場經(jīng)驗可借鑒。筆者以中東M油田地層水為研究對象,預(yù)測該油田地層水和注入水的結(jié)垢趨勢,提出防垢方法,以期對該油田及類似高礦化度油田高效開發(fā)起到指導(dǎo)意義。

1 地層水組成

M油田高礦化度地層水離子組成詳見表1。從表1可以看出,該油田地層水含有大量成垢陽離子Ca2+、Mg2+和成垢陰離子HCO3-、SO42-,同時還含有微量Sr2+。由于MgSO4是溶于水的,從地層水離子類型分析來看,該油田成垢類型可能為碳酸鈣、硫酸鍶、硫酸鈣等。

表1 中東M油田地層水離子組成

2 結(jié)垢趨勢預(yù)測

為確保研究的標(biāo)準(zhǔn)性,利用石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SI飽和指數(shù)和Scalechem V4.0商業(yè)軟件對M油田高礦化度地層水的結(jié)垢類型與結(jié)垢量進(jìn)行預(yù)測。

2.1 SI指數(shù)預(yù)測結(jié)果

根據(jù)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T0600—2009油田水結(jié)垢趨勢預(yù)測》[3],預(yù)測方法采用其中的Davis-Stiff飽和指數(shù)法,該方法主要考慮系統(tǒng)中的熱力學(xué)條件。飽和指數(shù)定義如下式[4-5]:

式中:SI為飽和指數(shù);Ip為實際溶液的離子積;Ksp為溶度積平衡常數(shù)。

根據(jù)飽和指數(shù)SI的大小可預(yù)測產(chǎn)生沉淀可能性的大小,即SI值越大,產(chǎn)生垢沉淀的可能性也越大。若SI＜0,溶液未飽和,不結(jié)垢;若SI=0,溶液飽和,平衡狀態(tài);若SI＞0,溶液過飽和,結(jié)垢。

根據(jù)以上理論,對M油田Asmari和Mishrif地層水的結(jié)垢趨勢進(jìn)行預(yù)測,結(jié)果見表2。從表2數(shù)據(jù)可以看出,該油田地層水在井筒中SI預(yù)測指數(shù)除Mishrif地層水在50℃時小于0,不結(jié)硫酸鈣垢,其余SI預(yù)測指數(shù)均大于0,結(jié)硫酸鈣垢和碳酸鈣垢的趨勢明顯,并且隨著溫度的升高結(jié)垢趨勢越明顯。

表2 中東M油田地層水結(jié)碳酸鈣垢和硫酸鈣垢預(yù)測結(jié)果

圖1 中東M油田Asmari儲層地層水結(jié)垢量預(yù)測結(jié)果

圖2 中東M油田Mishrif儲層地層水結(jié)垢預(yù)測結(jié)果

2.2 軟件預(yù)測結(jié)果

ScaleChem軟件最初是由美國OLI公司與殼牌石油公司共同開發(fā),是由生產(chǎn)技術(shù)專家(工程師和科學(xué)家)共同開發(fā)的一套垢化學(xué)分析系統(tǒng),它可以預(yù)測多達(dá)54種礦物的結(jié)垢可能性和結(jié)垢趨勢,囊括了世界上任何油、氣產(chǎn)層和處理設(shè)施中可能發(fā)生的結(jié)垢反應(yīng)。ScaleChem軟件可預(yù)測315.6℃、151.7 MPa和700000mg/L的高溫、高壓、高濃度系統(tǒng)。

筆者利用ScaleChem V4.0軟件計算了M油田含伴生天然氣的地層水從井底到地面的結(jié)垢特征,如圖1、2所示。從圖1、2可以看出,M油田地層水從油藏到地面過程中(降溫)都具有結(jié)碳酸鈣垢和硫酸鈣垢的趨勢;Asmari儲層地層水在地層溫度壓力條件下結(jié)碳酸鈣垢量在200 mg/L左右,結(jié)硫酸鈣垢量在600 mg/L左右;Mishrif儲層地層水由于受地層伴生天然氣中二氧化碳含量較高的影響,結(jié)垢量更大,碳酸鈣垢量達(dá)到440 mg/L左右,硫酸鈣垢量達(dá)到1327mg/L左右。

從M油田地層水結(jié)垢趨勢預(yù)測結(jié)果來看,該油田地層水結(jié)碳酸鈣垢和硫酸鈣垢趨勢明顯,且結(jié)垢量大,總結(jié)垢量可達(dá)1700mg/L以上,對油田開采和后期以地層水作為注入水的防垢工作帶來很大壓力。

3 防垢實驗研究

通過M油田地層水結(jié)垢預(yù)測可以看出,該油田地層水主要可能結(jié)硫酸鈣垢和碳酸鈣垢,且結(jié)垢量較大。針對該油田的結(jié)垢類型和結(jié)垢特征,室內(nèi)主要對化學(xué)防垢技術(shù)進(jìn)行研究,優(yōu)選適合于該油田地層水的化學(xué)防垢劑,并對金屬防垢器的作用效果進(jìn)行評價。

3.1 防垢實驗方法

防垢劑防垢性能評價參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T5673—93油田用防垢劑性能評價方法》[6],采用成垢離子測定法。

防垢性能用防垢率表征,其百分?jǐn)?shù)越大,防垢性能越好。防垢率按下式計算:

式中:V0為加熱前測定混合水總Ca2+、Mg2+耗用EDTA(乙二胺四乙酸化學(xué)簡稱)體積,m L;V1為未加防垢劑時水樣加熱后總Ca2+、Mg2+耗用EDTA體積,m L;V2為加有防垢劑的水樣加熱后總Ca2+、Mg2+耗用EDTA體積,m L。

3.2 防垢劑優(yōu)選

單劑選擇以防垢率大于95%作為評判標(biāo)準(zhǔn),對多種硫酸鈣防垢劑進(jìn)行篩選實驗,通過防垢劑的用量和防垢率的關(guān)系選出最佳的防垢劑,實驗結(jié)果見表3。由表3可知,防垢劑ZT-16抑制硫酸鈣垢的效果最好,當(dāng)加量達(dá)到25 mg/L時,防垢率已大于96%。

表3 多種防垢劑抑制硫酸鈣垢效果評價

同時,對渤海油田廣泛應(yīng)用的碳酸鈣防垢劑ZT-00也進(jìn)行了評價,結(jié)果見表4。由表4可知,防垢劑ZT-00加量為15 mg/L時,防垢率已大于95%。

利用優(yōu)選的硫酸鈣防垢劑ZT-16與碳酸鈣防垢劑ZT-00,按照不同比例進(jìn)行復(fù)配后對M油田注入水進(jìn)行防垢效果評價,最后研制出了適合于該油田地層水防垢的復(fù)合防垢劑HSI[7],并對其性能進(jìn)行了評價,結(jié)果見表5。由表5可知,在復(fù)合防垢劑HSI加量為40 mg/L時,對M油田地層水防垢率已大于96%,可以滿足油田高礦化度地層水作為注入水的防垢要求需要。但是,高礦化度地層水所需防垢劑加量大,長期注入成本高,因此可與其他防垢方法聯(lián)合使用以降低加藥量,控制成本。

表4 ZT-00防垢劑抑制碳酸鈣垢效果評價

表5 復(fù)合防垢劑HSI加量對M油田地層水防垢效果評價

3.3 金屬防垢器防垢效果評價

金屬防垢器是借助于材質(zhì)中含有銅、鋅、鎳等不同金屬成分形成一種特殊的電化學(xué)催化體,利用合金中元素的電負(fù)性比液相低的特點,使流體產(chǎn)生極化效應(yīng),從而使流體中垢樣顆粒受其作用始終處于懸浮狀態(tài)和溶解狀態(tài),防止其增大積聚。金屬防垢器作為一種有效的防垢手段在油田生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛使用。

筆者利用M油田高礦化度地層水,對金屬防垢器的實際防垢效果進(jìn)行了靜態(tài)實驗評價和動態(tài)實驗評價,以考察金屬防垢器在該油田的適用性,實驗中以渤海海水作為對比樣進(jìn)行評價。其中,動態(tài)評價實驗中采用M油田實際流體溫度、流速(根據(jù)油田產(chǎn)量反算得到),由于壓力對結(jié)垢影響較小,實驗是在常壓下進(jìn)行。

1)靜態(tài)實驗評價。把金屬防垢器放置在裝有水樣的大量筒中,放入80℃烘箱中,不同時間后取出,倒出量筒中水樣并過濾,測定水樣的成垢量和鈣鎂損失率,以此評價金屬防垢器的靜態(tài)防垢效果,結(jié)果見表6。從表6可以看出:在靜態(tài)條件下,對于低礦化度鹽水(如渤海海水,其礦化度為30000mg/L左右),金屬防垢器的防垢效果較好,能夠達(dá)到72.25%;但對于M油田高礦化度地層水,金屬防垢器防垢效果不太明顯,防垢率僅為50%左右。

2)動態(tài)實驗評價。參考文獻(xiàn)[8]油田結(jié)垢及防垢動態(tài)評價方法。把金屬防垢器放置在不銹鋼管中,利用大排量平流泵連接成循環(huán)回路,將回路整體放入80℃烘箱中,以30 m L/min流速循環(huán),不同時間取樣測試水樣中鈣鎂損失率,以此評價金屬防垢器的動態(tài)防垢效果,結(jié)果見表7。從表7可以看出,金屬防垢器在M油田高礦化度地層水中動態(tài)防垢率也在50%左右,在低礦化度鹽水(如渤海海水)中動態(tài)防垢率能達(dá)到85%以上。

表6 金屬防垢器靜態(tài)防垢效果評價

表7 金屬防垢器動態(tài)防垢效果評價

3.4 聯(lián)合防垢效果評價

上述靜態(tài)實驗評價與動態(tài)實驗評價結(jié)果顯示,單獨采用金屬防垢器對于M油田高礦化度地層水的防垢效果均不太明顯。為此,開展了金屬防垢器與化學(xué)防垢劑HSI聯(lián)合防垢效果評價,結(jié)果見表8、9。從表8、9可以看出,金屬防垢器與化學(xué)防垢劑HSI復(fù)合使用,在高礦化度地層水中具有良好的防垢效果,同時可以降低化學(xué)防垢劑的用量,從而達(dá)到控制成本的目標(biāo)。

表8 金屬防垢器和防垢劑HSI聯(lián)合靜態(tài)防垢效果評價

表9 金屬防垢器和防垢劑HSI聯(lián)合動態(tài)防垢效果評價

4 結(jié)論

1)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)飽和指數(shù)法和商業(yè)軟件預(yù)測表明,中東M油田高礦化度地層水結(jié)碳酸鈣垢和硫酸鈣垢趨勢明顯,結(jié)垢量大,井筒環(huán)境下碳酸鈣最高結(jié)垢量440 mg/L,硫酸鈣最高結(jié)垢量1 327 mg/L。

2)防垢劑篩選評價結(jié)果表明,復(fù)合防垢劑HSI的性能能夠滿足中東M油田高礦化度地層水的防垢要求,加量為40 mg/L時,對該油田地層水防垢率大于96%。

3)對于M油田高礦化度地層水,單獨采用金屬防垢器的防垢效果不是很理想,但金屬防垢器與化學(xué)防垢劑聯(lián)合使用可以取得良好的防垢效果,同時可有效降低化學(xué)防垢劑的用量,從而達(dá)到控制注入成本的目標(biāo)。

[1] 張鴻勛,張祺.采油工藝原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,1994.

[2] 朱義吾,趙作滋,巨全義,等.油田開發(fā)中的結(jié)垢機(jī)理及其防治技術(shù)[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1995.

[3] 國家能源局.SY/T0600—2009油田水結(jié)垢趨勢預(yù)測[S].北京:石油工業(yè)出版社,2010.

[4] 俞進(jìn)橋,張繼超.用Oddo-Tomson飽和指數(shù)法預(yù)測油井結(jié)垢[J].油氣采收率技術(shù),1999,6(1):79-86.

[5] 舒福昌,余維初,梅平.寶浪油田注水結(jié)垢趨勢預(yù)測及試驗驗證[J].江漢石油學(xué)院學(xué)報,2000,22(3):87-89.

[6] 中國石油天然氣總公司.SY/T5673—93油田用防垢劑性能評價方法[S].北京:石油工業(yè)出版社,1994.

[7] 劉振法,吳運娟,寇建朝,等.環(huán)保型阻垢劑聚天冬氨酸的研制[J].河北省科學(xué)院學(xué)報,2002,19(3):186-188.

[8] 王世強(qiáng),王笑菡,王勇.油田結(jié)垢及防垢動態(tài)評價方法的應(yīng)用研究[J].中國海上油氣(工程),1997,9(1):39-48.

(編輯:孫豐成)

Study on scaling tendency prediction and anti-scaling experiment for high salinity formation water of M oilfield in the Middle East

Liu Shujie1,2Xing Xijin2Lin Kexiong3

(1.China University of Petroleum,Beijing,102249; 2.CNOOCResearch Institute,Beijing,100027;3.Jingzhou HANC New Technology Institute,Hubei,434000)

The high salinity formation water in Asmari and Mishrif limestone reservoirs of M oilfield

in the Middle East is used for this study.The scaling characteristics of high salinity formation water have been studied by analyzing water quality and predicting scaling tendency.The optimization of chemical anti-scaling agent and effect evaluation of metal antiscaling device have been carried out through indoor anti-scaling experiments.The results show that the compound anti-scaling agent HSI formed by mixing the optimized Calcium sulphate anti-scaling agent ZT-16 with calcium carbonate anti-scaling agent ZT-00 in varying proportions could satisfy the anti-scaling requirements of high salinity formation water in the M oilfield.This compound anti-scaling agent combined with metal anti-scaling device could not only have an excellent anti-scaling effect,but also significantly reduce the dosage of chemical anti-scaling agent.These findings have the reference significance to the scaling prediction and anti-scaling of high salinity formation water.

Middle East oilfield;high salinity;scaling tendency prediction;compound anti-scaling agent HSI;metal anti-scaling device;associated anti-scaling

2014-02-27改回日期:2014-03-06

*“十二五”國家科技重大專項子課題“深水油田采油模式及增產(chǎn)技術(shù)研究(編號:2011ZX05030-005-08)”部分研究成果。

劉書杰,男,教授級高級工程師,中國海洋石油總公司鉆完井專家,現(xiàn)主要從事海洋石油鉆完井方面的設(shè)計研究工作。地址:北京市東城區(qū)東直門外小街6號海油大廈(郵編:100027)。