油田注入水结垢评价及治理措施

郑忠文，田世伟，李俊华，路建萍，焦伟杰，张江平，姚 磊

（1.延长油田股份有限责任公司 青化砭采油厂，陕西 延安716003；2.陕西省石油化工研究设计院，陕西 西安710054）

在油田的不断开采过程中，地层能量逐步下降，表现为油井液面下降甚至供油不足，油井产量急剧下降。为了保持或增加油层压力，使油田高产稳产及提高石油采收率，油田逐步进入注水开采阶段。注水类型有清水注入、清污混注和污水回注等方式。青化砭采油厂注水系统采用清污混注的方式进行注水。两种水均含有不同的成垢离子，由于水的热力学不稳定性和化学不相容性，成垢离子相互作用，就会产生不稳定的、易于沉淀的物质。同时，地层水中所含的成垢阴阳离子原有的化学平衡在压力、温度和pH 值等因素的变化下被破坏，成垢组分溶解度降低而析出结晶沉淀，最终造成管线和设备的腐蚀，BaSO4（Si）、CaCO3、CaSO4结垢问题和地层堵塞问题，严重影响油田的正常生产。

1 油田注水系统水质分析

油田注水系统中出现严重的结垢问题多为注入水和地层水含有不同的成垢离子，导致其配伍性较差。因此，需要对油田注入水和地层水的水质进行分析。选择延河水和长6 层位水水样，依据《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》（SY/T5329-94）[1]、《油田水分析方法》（SY/T5523-2006）[2]对青化砭油田注水系统进行水质分析，具体结果见表1。

表1 青化砭注水系统水质分析结果（mg·L-1）Tab.1 Water quality analysis results of Qinghuabianwater injection system

2 油田注水结垢趋势分析

不同来源的水相混时，应根据水中成垢离子的浓度、理论溶度积常数的大小，进行成垢离子浓度最大或理论溶度积最小的结垢趋势预测。依据《油田水结垢趋势预测》（SY/T 0600-1997）[3]对青化砭油田注水系统延河水和长6 层位部分井水的结垢趋势进行分析。

2.1 CaCO3 结垢趋势预测

CaCO3结垢趋势预测可采用由Davis 和Stiff 提出的预测油田水结垢的饱和指数法[4]。根据公式计算及结垢趋势判断方法可知，延河水无CaCO3结构趋势；长6 除贾88 井外，均有CaCO3结构趋势。延河水和长6 层位部分井水的CaCO3结垢趋势结果见表2。

表2 河水和地层水的CaCO3 结垢趋势结果Tab.2 Results of CaCO3 scaling trends on riverand formation water

2.2 CaSO4 结垢趋势预测

Skillman 等人以热力学溶解度测定为基础，提出了预测油田水中硫酸盐溶解度的计算方法[5,6]，根据公式计算及结垢趋势判断方法可知，延河水和长6 地层水均无CaSO4结垢趋势。延河水和长6 层位部分井水的CaSO4结垢趋势结果见表3。

表3 河水和地层水的CaSO4 结垢趋势结果Tab.3 Results of CaSO4 scaling trends on riverand formation water

2.3 BaSO4 结垢趋势预测

BaSO4结垢趋势预测计算公式如下：

式中 B：水质稳定后水中BaSO4的结垢量，mol·L-1；m 和a 分别为初始条件中Ba2+和SO24-的浓度，mol·L-1；Ksp：BaSO4的溶度积。

根据公式计算及结垢趋势判断方法可得：延河水和长6 地层水均无BaSO4结构趋势。延河水和长6 层位部分井水的BaSO4结垢趋势结果见表4。

3 油田注水配伍性分析

青化砭油田注水系统采用清污混注的方式进行注水，即将延河水注入到长6 底层水中。现将两种水以不同比例互配，进行配伍性分析，分析结果见图1～3 和表5。

图1 河水与地表水在不同配比下的CaCO3 结垢趋势结果Fig.1 Results of CaCO3 scaling trends on river and formationwater under different ratios

图2 河水与地表水在不同配比下的CaSO4 结垢趋势结果Fig.2 Results of CaSO4 scaling trends on river and formationwater under different ratios

图3 河水与地表水在不同配比下的BaSO4 结垢趋势结果Fig.3 Results of BaSO4 scaling trends on river and formationwater under different ratios

表5 河水与地层水的配伍性结果Tab.5 Compatibility results of river and formation water

结果表明，延河水与长6 地层水在一定的配比范围内能形成CaCO3垢；BaSO4的溶度积常数很低，延河水与长6 地层水对BaSO4垢较敏感，当两种水一接触，马上就有BaSO4沉淀，且在特定配比下BaSO4结垢最严重。

4 油田注水系统垢样微观分析

对青化砭油田混注水中的垢样进行X- 射线衍射仪（XRD）分析，具体结果见图4。

图4 垢样的XRD 分析图Fig.4 The XRD analysis chart of scaling sample

XRD 分析表明：配伍性结垢为BaSO4，温度压力变化的为CaCO3，运行过程产生的为FeS 和Fe（OH）3，地层中带入的SiO2。垢样分析结果也验证了青化砭油田注水系统混注水中CaCO3和BaSO4结垢趋势的正确性。

对油田注水系统的潜在结垢物进行扫描电镜（SEM）分析（见图5 和表6）。其形貌及能谱分析表明，潜在结垢物较疏松，黑白色相混，主要为CaCO3，其次为FeS、SiO2等垢物。

图5 潜在结垢物的SEM 图Fig.5 The SEM figure of potential scaling sample

表6 潜在结垢物的能谱分析结果Tab.6 Spectrum analysis results of potentialscaling sample

5 结垢预测结论及防垢措施、建议

关于青化砭油田注水系统的结垢趋势，归纳为以下几点：（1）单一的长6 地层水有形成CaCO3垢的可能性；（2）延河水和长6 地层水混注时，可形成比较严重的CaCO3、BaSO4垢，不会形成CaSO4垢；（3）垢样经XRD 和SEM微观分析可知，混注水中结垢物为BaSO4、CaCO3、FeS、Fe（OH）3和SiO2；潜在结垢物为CaCO3、FeS、SiO2和NaCl 垢物。

针对青化砭注水系统结垢现状，可从以下几个方面提出防垢措施及建议：

（1）油田防垢剂的应用 结合防垢剂的分散作用、螯合和络合作用、絮凝作用、变形作用等防垢机理，针对目前油田注水系统出现严重的腐蚀结垢问题，应从防垢剂的药剂类型、药剂用量、加药方式及加药位置等方面着手进行试验和研究，找出效果优异、应用广泛、经济适宜的油田防垢剂及防垢工艺。

（2）注水方式的改进 因不同类型的水含有不同的成垢离子，混合后其配伍性差甚至出现严重的结垢问题。所以在注入水过程中，应避免清污混合及不同层位水混合注入，实行清污水分注、同层位水注入的注入方式。

［1] SY/T5329-94.碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法［S].

［2] SY/T5523-2006，油田水分析方法［S].

［3] SY/T 0600-1997，油田水结垢趋势预测［S].

［4] 肖曾利，蒲春生，时宇，等.油田水无机结垢及预测技术研究进展［J].断块油气田，2004，11（6）:76-78.

［5] 关德，杨寨，魏光华，等.SZ36-1 油田注水系统结垢趋势预测及防垢研究［J].油田化学，2000，17（2）:136-138.

［6] 周本省.工业冷却水系统中金属的腐蚀与防护［M].北京：化学工业出版社，1995.14.