三元复合驱不同体系垢样形貌特征研究

王莹莹，安娜，王舜智

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318；2.广东珠海金湾液化天然气有限公司，广东珠海519000；3.大庆油田第四采油厂，黑龙江大庆163511）

三元复合驱不同体系垢样形貌特征研究

王莹莹1，安娜2，王舜智3

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318；2.广东珠海金湾液化天然气有限公司，广东珠海519000；3.大庆油田第四采油厂，黑龙江大庆163511）

针对三元复合驱注入过程中的结垢问题，运用扫描电镜对不同体系中垢样的形貌特征进行了研究。结果表明，不同体系中的垢样主要呈现出块状、片状、球状、团状和颗粒状等形貌特征。钙、镁离子以及聚合物和表面活性剂的存在会改变垢样的形貌特征。

三元复合驱；结垢；扫描电镜；形貌特征

近年来，随着化学驱技术的不断推广，三元复合驱技术因可比水驱提高20%的原油采收率而成为最有前景的化学驱采油技术[1]。驱油剂（碱/聚合物/表面活性剂）的加入可以降低油水界面张力并改善流度比，从而提高原油采收率，但同时在驱油剂在注入地层的过程中，会与储层岩石表面接触并发生碱溶蚀反应，使Si4+，Al3+，Ca2+等成垢离子进入溶液中，在一定的条件下这些离子会与溶液中的阴离子反应产生沉淀物并从溶液中析出来，产生结垢现象，造成管道堵塞、卡泵等一系列问题[2,3]。这既会影响油田的正常生产，又会使生产运营的成本升高，从而限制了三元复合驱技术的大面积推广。程杰成等[4]分析报道了大庆油田三元复合驱结垢样品中CaCO3的结晶特性及形貌特征；徐国民等[5]对大庆油田采油四厂三元复合驱的结构类型进行研究，发现其结垢类型主要以硅酸根和铝酸根为阴离子，以Ba、Ca、Sr为阳离子的垢；李萍等[6]研究了三元复合驱油井中硅垢的形成机理及预测模型；陈仕宇等[7]对弱碱三元复合驱结垢进行了分析，并对防垢技术进行了研究。刘东升等[8]报道了强碱三元复合驱硅垢的结构特点及防垢措施。目前，已有很多文献对三元复合驱注入以及采出系统中各类垢的结垢机理、特点以及垢样进行了研究[9,10]，但对不同体系中垢样的形貌特征缺少系统的研究。本文根据现场实际情况，配制不同体系溶液，使用扫描电镜观察不同体系中硅垢的形貌，并分析不同因素对硅垢形成的影响，以期为研究硅垢的成垢规律提供理论支持。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

JSM-35CF型扫描电镜（日本电子公司）；HWS-28-电热恒温水浴锅（上海百典仪器设备有限公司）。

聚合物，相对分子质量1900×104，水解度40%，浓度为100mg·L-1（大庆油田第四采油厂）；表面活性剂，烷基苯磺酸盐，浓度为100mg·L；硅酸钠、无CaCl2、MgCl2，均为分析纯试剂。

实验用水为模拟的地层水，矿化度为5432.2mg·L-1，各离子的浓度为：C（CO32-）=1235.4mg·

1.2 实验步骤

先用配制的模拟地层水配制不同浓度的硅酸钠溶液，然后向溶液中添加无水CaCl2、MgCl2、聚合物和表面活性剂等，一段时间后，裸眼观察硅酸钠体系的变化情况，最后将各种体系中的垢样过滤、干燥，用扫描电镜观察其微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 高浓度硅体系

图1为高浓度硅体系结垢前以及结垢干燥后的图片，可以发现结垢前溶液中有大量的白色悬浮絮状物生成，判断为多聚硅酸；而干燥后的垢样呈现出块状，结构较松散。

图1 高浓度硅体系宏观裸眼全貌图Fig.1High silicon system macroscopic open hole close-up view

图2高浓度硅体系硅垢电镜扫描图Fig.2High silicon system scale and electron microscope scanning figure

图2 为高浓度硅体系中硅垢的扫描电镜图，图2（a）为放大200倍的硅垢形貌图，可以发现垢样中的SiO2呈现出块状分布特征，大小分布不均匀；图2（b）放大430倍的硅垢形貌图，可以看到有未聚合长大的小块晶体存在，这说明在结垢的早期阶段，会先生成小块的结晶颗粒，而大块晶体则是小的结晶颗粒聚集、生长形成的。

2.2 钙/镁离子的低浓度硅体系

实验过程中发现，无Ca2+、Mg2+的溶液体系均一透明无沉淀；而加入无水CaCl2、MgCl2后，立即产生白色沉淀，见图3。并且白色颗粒状沉淀会逐渐增多，并有絮状物生成，推测为多聚硅酸；硅酸会不断聚集并沉积在溶液底部形成致密的沉淀层。20d后，产生颗粒状的硅垢，见图3。

图3 Ca2+、Mg2+的低浓度硅体系裸眼全貌图Fig.3Low concentration of silicon containing calcium and magnesium ions system open hole close-up view

图4Ca2+、Mg2+低浓度硅体系硅垢电镜扫描图Fig.4Calcium magnesium ions of low concentration silicon system scale and electron microscope scanning figure

图4 （a）是加入钙、镁离子的硅垢全貌图。

由图4可以看到，除了大块的晶体状物质外，存在许多细小颗粒状物质，将硅垢放大2000倍后，如图4（b）所示，观察到垢样形状以球形和椭球形为主。球形较规则，有些球形聚集，有些为独立的细小颗粒，说明硅垢是以碳酸盐垢为晶核逐渐聚合形成的。

2.3 钙/镁/聚合物的低浓度硅体系

实验过程中同样发现单一硅离子溶液体系均一、透明无沉淀产生；同时Ca2+、Mg2+和聚丙烯酰胺后，会产生呈现渔网状的团状结构白色沉淀，只是由于聚合物粘度较大，具有捕捉、粘附作用，致使硅垢呈现出网状结构，干燥后在容器底部形成条状垢质，见图5。

图5 Ca2+、Mg2+及聚合物的低浓度硅体系裸眼全貌图Fig.5Low concentration of silicon containing calcium and magnesium ions and polymer system open hole close-up view

图6Ca2+、Mg2+及聚合物体系硅垢的电镜扫描图Fig.6Calcium and magnesium ions and electron microscope scanning figure of silicon polymer system scale

图6 为含Ca2+、Mg2+及聚合物体系硅垢的电镜扫描电镜图，将垢样放大200倍，可以观察到其形状多为不规则的块状体，并能清楚的看到网状结构；垢样放大430倍，呈现长条形垢，这是由于聚合物黏性大使多聚硅酸附着其上而形成；垢样放大9000倍，较疏松，团状和长条状垢质形态明显。

2.4 钙/镁/表面活性剂的低浓度硅体系

向溶液中加入Ca2+、Mg2+及表面活性剂后，产生白色细颗粒状沉淀。表面活性剂的特殊性质使得各分子的表面性质在多聚硅酸形成的过程中接近，致使硅垢各自分散、独立存在。从图7中可以看出，含表面活性剂硅垢干燥后基本都是分散、独立的。

图7 Ca2+、Mg2+及表面活性剂的低浓度硅体系裸眼全貌图Fig.7Contains calcium and magnesium ions and low concentrations of surfactants silicon system open hole close-up view

图8 Ca2+、Mg2+及表面活性剂体系硅垢的电镜扫描图Fig.8Containing calcium and magnesium ions and surfactant system silicon scale of electron microscope scan

图8内垢样放大500倍后，观察到多硅酸呈现出颗粒状，且形状各异。而放大5000倍后，发现多聚硅酸多以小颗粒聚集在一起，且颗粒分布密度较大。

2.5 钙/镁/聚合物/表面活性剂的低浓度硅体系

加入钙、镁离子、聚合物及表面活性剂后，溶液变的浑浊，后逐渐形成网状沉淀，见图9。将沉淀干燥后，呈现为片状或条状。

图9 Ca2+、Mg2+、聚合物及表面活性剂的低浓度硅体系裸眼全貌图Fig.9Containing calcium and magnesium ions,the low concentration of the polymer and surfactant system open hole close-up view

图10 Ca2+、Mg2+、聚合物及表面活性剂体系硅垢的电镜描图Fig.10Containing calcium and magnesium ions,polymer and surfactant system silicon scale of electron microscope scan

从图10中可以看到，混合垢由晶体硅垢、条状硅垢以及分散的不规则片状、团状、球状的垢质组成，结构很复杂。将其中具有特点的部分再放大到3000倍，可以看出，由于聚合物的存在，捕捉和粘附的多聚硅酸形成片状的硅垢，而表活剂的特殊性质使垢表面性质相近，又起到一个分散的作用，这样就使硅垢呈现出网状中间的丝状形态。

3 结论

高浓度单一硅体系，垢样呈现出块状分布特征，且大小分布不均匀；钙/镁低浓度硅体系，垢样呈现出球状和椭球状特征；钙/镁/聚合物的低浓度硅体系，垢样也呈现出不规则的块状体特征，较疏松；钙/镁/表面活性剂的低浓度硅体系，呈现出颗粒状特征，且形状各异；钙/镁/聚合物/表面活性剂的低浓度硅体系，垢样主要由条状、不规则片状、团状和球状垢质组成，结构复杂。

［1］程杰成，廖广志，杨振宇，等.大庆油田三元复合驱矿场试验综述［J］.大庆石油地质与开发，2001，20（2）：46-49.

［2］隋欣.三元复合驱硅垢形成规律与主要控制因素研究［D］.大庆石油学院，2006.

［3］程杰成，王庆国，周万富，等.三元复合驱硅垢防垢剂SY-KD的合成及应用［J］.高等学校化学学报，2014，35（2）：332-337.

［4］程杰成，周万富，王庆国，等.大庆油田三元复合驱结垢样品中碳酸钙的结晶特性及形貌特征［J］.高等学校化学学报，2012，33（6）：1138-1142.

［5］徐国民，将玉梅，党庆功，等.大庆油田采油四厂三元复合驱结垢类型研究［J］.石油与天然气化工，2013，42（1）：58-60.

［6］李萍，程祖锋，王贤君，等.三元复合驱油井中硅垢的形成机理及预测模型［J］.石油学报，2003，24（5）：63-66.

［7］陈仕宇，刘安芳，孙雪娜，等.弱碱三元复合驱结垢分析及除防垢技术研究［J］.大庆石油地质与开发，2006，25：97-99.

［8］刘东升，李金玲，李天德，等.强碱三元复合驱硅结垢特点及防垢措施研究［J］.石油学报，2007，28（5）：139-141.

［9］陈园园，王宝辉，隋欣，等.三元复合驱硅酸盐垢的影响因素及结垢机理研究［J］.油田化学，2010，27（4）：449-452.

［10］赵长久，李新峰，周淑华.大庆油区三元复合驱矿场结垢状况分析［J］.油气地质与采收率，2006，13（4）：93-95.

Study on the characteristics of scale morphology of ASP flooding system
WANG Ying-ying1，AN Na2,WANG Shun-zhi3
（1.School of Petroleum Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.Guangdong Zhuhai Jinwan LNG Corp,Zhuhai 519000，China;3.Oil Recovery Plant No.3,Daqing Oilfield Company Limited,Daqing 163511,China）

In order to solve the problem of scaling in the process of ASP flooding,the morphology of the scale in different systems was studied by scanning electron microscope.The results showed that the scale of the different system are mainly composed of massive,flaky,globular,agglomerate and granular.The presence of calcium and magnesium ions,as well as polymer and surfactant,can change the morphology of the scale.

ASP flooding;scaling;scanning electron microscope;morphological characteristics

TE39

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170885

2017-03-28

王莹莹（1993-），女，黑龙江巴彦人，在读硕士研究生，研究方向：油田采出水处理。