(中石油冀東油田分公司南堡作業(yè)區(qū)，河北 唐山 063200) (油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500) (中石油冀東油田分公司南堡作業(yè)區(qū)，河北 唐山 063200)

隨著油田開發(fā)的不斷進(jìn)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(bǔ)充、恢復(fù)能量，從而保持油藏壓力，以達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)、提高油氣采收率的效果。然而，注水開發(fā)也帶來了一系列的問題，其中結(jié)垢是最為嚴(yán)重的問題之一。垢主要是無機(jī)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(shí)會(huì)有很大的成垢風(fēng)險(xiǎn)[5,6]。其次，外界環(huán)境的變化也會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢，如井筒中溫度上升、地層高溫、水體pH值上升等都會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢[7～11]。為此，筆者對(duì)南堡油田1-5區(qū)注水井的結(jié)垢規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析其結(jié)垢機(jī)理，明確結(jié)垢的主控因素，旨在為預(yù)防和控制注水井結(jié)垢提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(jì)(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(yīng)釜(美國(guó)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(jì)(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(yàn)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(jì)算出結(jié)垢量。試驗(yàn)具體操作按照SY/T 5523—2016標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[12]。結(jié)垢量的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：M為樣本結(jié)垢量，mg/L；V0為所取樣本體積，mL；V1為試驗(yàn)前滴定消耗的EDTA標(biāo)準(zhǔn)液體積，mL；V2為試驗(yàn)后滴定消耗的EDTA標(biāo)準(zhǔn)液體積，mL；c為EDTA標(biāo)準(zhǔn)液濃度，mol/L；N為碳酸鈣相對(duì)原子質(zhì)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(qū)井筒中取水垢樣本，洗油烘干，將洗凈的垢樣進(jìn)行X衍射(見圖1)分析，垢樣中無機(jī)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(jìn)行注水開發(fā)時(shí)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(qū)井筒垢樣X衍射曲線 圖2 垢樣電鏡圖

3 正交試驗(yàn)研究

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

正交試驗(yàn)各因素的極差(R)見表3，其排序?yàn)镽(D)>R(E)>R(C)>R(A)>R(B)，即注入水中鈣離子質(zhì)量濃度大小是影響結(jié)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(duì)結(jié)垢的影響最小。

表2 正交試驗(yàn)各因素水平值

表3 極差計(jì)算結(jié)果

表4 方差分析表

對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。F比為效應(yīng)項(xiàng)與誤差項(xiàng)的比值，F(xiàn)比值越大代表該項(xiàng)處理的影響越明顯。誤差項(xiàng)是隨機(jī)誤差，誤差值越小代表試驗(yàn)精度越高。從結(jié)果可以看出，只有因素D(鈣離子質(zhì)量濃度)的F比高于臨界值(6.25)，說明鈣離子質(zhì)量濃度對(duì)結(jié)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(shí)控制注入水中鈣離子質(zhì)量濃度顯得尤為重要。

4 單因素對(duì)結(jié)垢量的影響

4.1 溫度

溫度對(duì)結(jié)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(jié)垢量逐漸增大。這一方面是由于溫度會(huì)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(dǎo)致高溫時(shí)會(huì)有更多的碳酸鈣結(jié)晶析出；另一方面是由于介質(zhì)中的結(jié)垢離子隨溫度增加，反應(yīng)活性增強(qiáng)，離子反應(yīng)加快，導(dǎo)致結(jié)垢速率加快。

4.2 含鹽量

含鹽量對(duì)結(jié)垢量的影響曲線見圖4，可以看出，當(dāng)含鹽量為1000mg/L時(shí)，注入水的最終結(jié)垢量最大(248mg/L)，隨著含鹽量的增加，注入水的結(jié)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(zhì)量濃度，對(duì)成垢離子的活動(dòng)空間進(jìn)行了限制，成垢離子難以相互碰撞結(jié)晶，使得成垢離子的活動(dòng)性減弱，導(dǎo)致結(jié)垢速率降低。所以，應(yīng)當(dāng)保持注入水的含鹽量在2000mg/L左右，能夠有效預(yù)防碳酸鈣結(jié)垢。

4.3 pH值

pH值對(duì)結(jié)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(jié)垢量逐漸增加。當(dāng)注入水的pH值較高時(shí)，注入水水樣中大量的碳酸氫根離子會(huì)水解為碳酸根離子，這將有利于與鈣離子結(jié)合生成碳酸鈣，從而導(dǎo)致注入水結(jié)垢趨勢(shì)增強(qiáng)。

4.4 鈣離子質(zhì)量濃度

鈣離子質(zhì)量濃度對(duì)結(jié)垢量的影響曲線見圖6，可以看出，隨著鈣離子質(zhì)量濃度的增加，注入水的結(jié)垢量近乎呈線性增加的變化規(guī)律。鈣離子質(zhì)量濃度的增加會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢量的顯著變化。這可以解釋為南堡油田1-5區(qū)注入水中有足夠量的碳酸氫根離子，鈣離子質(zhì)量濃度的增加會(huì)導(dǎo)致結(jié)垢反應(yīng)一直向著正方向進(jìn)行，使得結(jié)垢量大幅度增加。所以，對(duì)注入水中的成垢離子質(zhì)量濃度加以控制可以降低注水井結(jié)垢趨勢(shì)。

圖3 溫度對(duì)結(jié)垢量的影響曲線 圖4 含鹽量對(duì)結(jié)垢量的影響曲線

圖5 pH值對(duì)結(jié)垢量的影響曲線 圖6 鈣離子質(zhì)量濃度對(duì)結(jié)垢量的影響曲線

圖7 壓力對(duì)結(jié)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(yàn)

在注水過程中產(chǎn)生無機(jī)沉淀的原因之一就是外來流體與地層流體不配伍而導(dǎo)致的結(jié)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(fā)生結(jié)垢。試驗(yàn)結(jié)果見表5，可以看出，南堡1-5區(qū)注入水與地層水在常溫下配伍性好，無明顯結(jié)垢現(xiàn)象；在溫度為90℃條件下，注入水所占比例較大時(shí)會(huì)有少量沉淀生成，配伍性差。

6 結(jié)論

2)為確定各因素對(duì)結(jié)垢影響的主次順序，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)來進(jìn)行分析。結(jié)果表明，注入水中鈣離子質(zhì)量濃度大小是影響注入水結(jié)垢的主要因素；其后依次是注入水pH值、含鹽量、溫度，壓力對(duì)結(jié)垢的影響最小。對(duì)各個(gè)因素單獨(dú)分析可知，溫度的上升、pH值和鈣離子質(zhì)量濃度的增加都會(huì)導(dǎo)致注入水結(jié)垢趨勢(shì)上升；而壓力和含鹽量的增加則會(huì)導(dǎo)致注入水結(jié)垢趨勢(shì)下降。

3)注入水及地層水在高溫條件下混合后有沉淀產(chǎn)生，配伍性差。

4)為了減緩注水井的結(jié)垢問題，需要對(duì)注入水水質(zhì)進(jìn)行控制，維持注入水中鈣離子質(zhì)量濃度在較低范圍內(nèi)。