强碱三元复合驱采出井结垢机理及影响因素研究*

付青春

（大庆油田有限责任公司 第三采油厂，黑龙江 大庆163000）

强碱三元复合驱采出井结垢机理及影响因素研究*

付青春

（大庆油田有限责任公司 第三采油厂，黑龙江 大庆163000）

强碱三元复合驱已经广泛应用于大庆油田，但对于三元驱的结垢问题还没有系统的研究。本文根据电解质溶度积理论及硅酸脱水聚合原理，结合大庆油田强碱三元复合驱现场试验区块采出井采出液离子统计结果，给出了碳酸垢、硅酸垢的结垢机理及结垢条件，分析了碱类型、粘土矿物对采出井结垢严重程度的影响规律。研究结果表明：碳酸盐垢的结垢主要原因是CO23-、OH-等成垢阴离子浓度的增加。碳酸盐结垢条件是,在地下温度、压力等因素一定的条件下,成垢离子浓度乘积大于碳酸盐溶度积。硅酸垢的结垢主要原因是岩石在较高pH值条件下生成硅酸盐。硅酸垢的结垢条件是硅离子浓度、pH值、成垢金属离子浓度三者达到一定临界值。本研究对三元驱采出井结垢预测、工业化应用以及注采井距的合理设计具有重大意义。

强碱三元复合驱；结垢机理；结垢条件；结垢影响因素

强碱三元复合驱在实际生产过程中采出井结垢现象严重。这严重影响日常生产工作，同时制约该技术的发展[1]。因此，有必要对强碱三元复合驱采出井结垢机理及其影响因素进行研究[2]。在调研大量学者对结垢机理的基础上发现，结垢机理主要为注入体系中的强碱成分进入油藏内与储层中的岩石相互接触、作用，发生物理化学反应，将岩石中的硅铝离子溶蚀出来[3]，导致地层中平衡状态的改变；同时注入体系的进入使得温度、压力等条件改变诱发泥质垢、钙垢、镁垢及硅铝垢的生成[4-6]。垢的形成过程为：水溶液 过饱和溶液 晶体析出 晶体生长

结垢[7-10]。结垢影响因素的研究发现结垢受到碱型[11]的影响，碱的pH值越大，结垢越严重[12]。

已有的研究还存在一些问题：粘土含量对结垢程度的影响往往被忽略；只研究了结垢机理，对结垢条件没有做深入的研究，没有定量的给出什么情况下开始结垢。

本文以大量的统计结果为基础，结合化学反应中产生沉淀的溶度积原理和粘土矿物与碱发生的化学反应，进一步分析了采出井碳酸垢和硅酸垢的结垢原因，定量的给出了结垢的条件；分析pH值、粘土含量、碱型等各因素对采出井结垢的影响。

1 实验部分

1.1 实验用品及仪器

实验用水（大庆油田注入水，矿化度为4826.7 mg·L-1）；表面活性剂（质量分数 0.3%）；碱剂（NaOH，质量分数为1.2%）；聚合物（部分水解聚丙烯酰胺，浓度为2000 mg·L-1、分子量为2500万、水解度为25%）；储层矿物分别为石英、长石、伊利石、高岭石、绿泥石，纯度95%以上。

AAS-475型原子吸收光谱仪；THZ-82型恒温水浴振荡器；JY33-TGL-16型高速离心机；JKY/SJ-4A型pH计。

1.2 实验方法

（1）分别将各储层矿物粉碎至120目以下，烘干待用。

（2）按照固体粉末和溶液的比例5g∶20mL，分别将质量浓度为1.2%NaOH溶液或配制好的三元溶液与各矿物烘干粉进行混合后装入50mL耐碱的塑料容器中密封，激烈振荡后放入45℃的恒温箱中，进行静态浸泡实验。

（3）每天振荡一次，在不同时间点（1、5、16、30、40d）取样，将样品放入离心管中，以 8000 r·min-1转速离心20min，取离心管上层清液测定氢氧化钠的浓度、硅离子浓度和铝离子浓度。

（4）利用原子吸收光谱仪测定硅离子浓度和铝离子浓度。

2 结果与讨论

2.1 碳酸垢的结垢原因分析

检测发现垢样的主要组成部分是碳酸盐，部分垢样中碳酸盐含量可达80%以上。根据溶度积理论，金属阳离子与浓度乘积如果大于碳酸盐的溶度积，则会产生碳酸盐沉淀，如表1所示为25℃时各碳酸盐溶度积常数。三元复合驱采出井中，与碳酸垢结垢有关的反应方程如下：

表1 25℃时溶度积常数表Tab.1 25℃solubility product constant

为了方便计算，根据浓度间转换关系将表1中浓度单位由 mol·L-1转换为 mg·L-1，下面以 CaCO3为例，转换方法为：经过转换，表1中各种难溶电解质的溶度积常数见表2。

表2 25℃时溶度积常数表Tab.2 25℃Solubility product constant

2.2 碳酸垢的结垢条件确定

溶度积的影响因素主要有温度、压力。溶度积随着温度升高而增大；随着压力升高而增大；随着流速增大而增大。考虑地层中的条件，受这3个因素的综合影响，溶度积最多可能增大几十倍。在标准状况下CaCO3的溶度积为19.38。当离子积达到溶度积时Ca2+与对应浓度曲线见图1。将标况下难容电解质溶度积换算到实际生产条件下的溶度积，预测溶度积约为19.38。

图1 标准状况下达到溶度积时Ca2+与对应浓度Fig.1 Ca2+andconcentration when meeting the solubilityproduct constant in standard condition

2.3 硅酸垢的结垢原因分析

硅酸垢的结垢条件是硅离子浓度、pH值、成垢金属离子浓度三者达到一定临界值。强碱能够溶蚀储层岩石，强碱与储层岩石中的粘土矿物发生反应，生成偏铝酸盐和硅酸盐，偏铝酸根和硅酸遇到溶液中Ca2+、Mg2+等反应生成沉淀。如下所示，为SiO2垢在三元驱驱过程中的形成过程和机理：硅垢的形成过程

碱性条件下，硅酸发生分子内聚合形成多聚硅酸的球形颗粒，而后颗粒发生缩合反应生成凝胶，凝胶脱水生成脱水凝胶，继续脱水最终生成无定型SiO2，无定型SiO2在热力学、动力学的作用下，晶体逐渐长大，最终生成坚硬的晶体SiO2。从注入井到采出井流动过程中由于采出水的温度、压力及动力学条件发生变化，生产的无定型SiO2及地层中复杂溶液相互作用，促使SiO2晶体逐渐长大，最终生产井出现结垢现象。

2.4 硅酸垢的结垢条件确定

为了验证硅酸垢结垢原因是否正确，将统计得到的Ca2+、Mg2+和Si4+浓度与如图2所示结垢浓度图版进行对比，根据采出井硅酸垢质形成初期成垢离子的浓度可知，杏六区东部I块Ca2+浓度在16～60mg·L-1的范围内，2-SO3浓度在28mg·L-1以上，当pH值在8～10之间时Ca2+、Mg2+对应的 Si4+成垢浓度为27～30mg·L-1。如图3所示该区块硅离子浓度在28mg·L-1以上。满足结垢的条件，会产生硅垢。

图2 不同浓度钙镁离子对应成垢硅离子浓度Fig.2 Scaling silicon concertration from different concertartion Ca2+and Mg2+

2.5 采出井结垢影响因素分析

采出井结垢受到CO2含量、粘土含量、碱型等因素的影响。

2.5.1 CO2含量对碳酸垢的影响 CO2含量影响碳酸垢的形成。图3给出了不同pH值条件下，CO2在水中在发生的反应。这些反应均为可逆反应，当pH值在8.4～12之间时，发生反应，溶液中浓度开始增大浓度减小，当pH值大于12时，消失，溶液中主要是强碱的加入使得溶液pH值升高，使反应向右进行，使浓度增加。碳酸根浓度的增加使碳酸垢的形成条件更容易满足。碳酸垢更易于形成。

2.5.2 粘土含量对硅酸垢的影响 为了研究粘土含量对硅酸垢的影响，进行了实验来模拟地层中储层矿物与ASP三元体系的反应。

图4、5是储层矿物与ASP三元复合体系反应过程中硅、铝离子浓度随时间变化关系曲线。

图3 碳酸随着pH值变化在溶液中的存在形式（标准状况）Fig.3 With the change of pH carbonic acid existence form in solution

图4 ASP三元复合体系中硅离子浓度随时间变化关系Fig.4 ASP system silicon ion concentration time-varying curve

图5 ASP三元复合体系中铝离子浓度随时间变化关系Fig.5 ASP system aluminium ion concentration time-varying curve

由图4、5可以看出，各种矿物与ASP三元复合体系作用后，硅离子浓度在反应开始后5d内迅速增加，随后浓度增加缓慢，30d后ASP三元复合体系与高岭石、伊利石和石英的反应中硅离子浓度明显增加，反应开始后30d内硅离子浓度由大到小的矿物顺序为：绿泥石＞高岭石＞长石＞伊利石＞石英；反应开始30d后硅离子浓度由大到小的矿物顺序为高岭石＞绿泥石＞长石＞伊利石＞石英。铝离子浓度在反应开始后0.5d内迅速增加，随后浓度增加缓慢，使得铝离子浓度由大到小的矿物顺序为：伊利石、绿泥石、高岭石、长石。实验得到以下结论：（1）碱与储层岩石骨架、粘土矿物发生化学反应主要生成硅铝酸盐。（2）硅、铝离子浓度主要取决于粘土含量及反应时间。

3 结论与建议

（2）硅酸垢的结垢主要原因是碱的加入pH值较高溶解岩石生成硅酸盐，随着注入段塞前移由于碱耗在采出端pH值较低硅酸盐析出结垢。硅酸盐条件是硅离子浓度、pH值、成垢金属离子浓度三者达到一定临界值。

（3）碱与岩石骨架、粘土矿物发生化学反应主要生成硅铝酸盐。硅、铝离子浓度主要取决于粘土含量及反应时间。

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Strong base ASP flooding production well scaling mechanism and influence factor research*

FU Qing-chun
（Oil Recovery Plant No.3,Daqing Oil field Corp.Ltd.,Daqing 163000,China）

Strong base ASP flooding has been widely used in Daqing oilfield.However there is no systemic researches on the ASP flooding scaling problems.Based on the theory of electrolyte solubility product and dehydration silicate polymerization principle,combined with strong alkali ASP flooding produced liquid ion statistical result in daqing oil field,gives the scaling mechanism and scaling condition of carbonate scale and silicate scale,analyzes the effect of type of alkali,injector producer distance,clay minerals on production well scaling.The results show that anion concentration such as carbonate,hydroxyl concentration increased is the main reason of carbonate scaling,the product of anion concentration and kation concentration is the main condition of carbonate scaling.In the condition of high pH the rock generate silicate is the main reason of silicate scaling,Silicon ions concentration,pH,and metal ion concentration reaches a certain threshold is the main condition of silicate scaling.Silicon and aluminum ions concentration mainly depends on clay content and alkali and rock reaction time.This research has great significance to ASP flooding production well scale prediction,industrialized application and rational design of injector producer distance.

strong base ASP flooding；scaling mechanism；scaling condition；scaling influence factor

TE343

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170907

2017-05-02

黑龙江省自然科学基金面上项目《聚合物溶液在油层中的工作粘度变化规律研究》（No.D2015008）

付青春（1974-），男，黑龙江安达人，工程师，从事油田三次采油工作。