HC油田N138区注入水配伍性研究

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中石油长庆油田分公司第十二采油厂，甘肃 庆阳 745400

目前，我国的大部分油田都已进入开发的中后期，普遍采用注水开发工艺来实现油田稳产，因而对水资源的需求巨大[1～5]。在水资源匮乏的地区，注水开发时经常将清水和污水混合作为注水使用[6]，但在注水开发的过程中通常存在着结垢的问题：结垢不仅会造成储层堵塞，也会对采油管道和集输管线造成不同程度的损害[7～9]。

1 研究方法

1.1 水样离子与pH值分析

1.2 结垢量测定

将Z9Z、Z5水样分别与N17-22、N20-18水样按体积比0∶1、1∶4、2∶3、1∶1、3∶2、4∶1、1∶0的比例进行混合(注入水与地层地层水按比例混合总体积记为V(a∶b))，然后分别转入玻璃瓶中密封，将其置于40℃的恒温烘箱中，恒温24h后过滤，并洗涤玻璃瓶和沉淀。最后将过滤膜和玻璃瓶烘干，测所产生垢的质量m(a∶b)。以W表征水样配伍性，计算公式如下：

1.3 结垢趋势预测

油田常见的垢有碳酸钙垢、硫酸钙垢、硫酸钡垢、硫酸锶垢。向地层注水后，不同的水样混合会使水样的离子组成、pH值等发生变化，其结垢状况也会发生变化。因此，需要考虑不同比例下的结垢趋势，设注入水与地层水的体积比为a∶b=0∶1、1∶4、2∶3、1∶1、3∶2、4∶1、1∶0。忽略水样混合后由密度所造成的体积变化，混合后水样中i离子组分的摩尔浓度Ci混计算公式为：

离子强度μ计算公式为：

式中：Ci注、Ci地分别为注入水样、地层水样中i离子组分的摩尔浓度，mol/L;Ci为水样中i离子组分的摩尔浓度,mol/L;Zi为水样中的i离子组分所带电荷数，1。

现场实际地层温度约40℃，故进行40℃时结垢趋势预测。研究方法参照SY/T0600-2016油田水结垢趋势预测方法[15]。

1.4 垢样分析

收集不同水样混合后产生的垢样，用扫描电镜观察垢的形貌，并对微观区域进行能谱分析，了解所产生的垢的微观物理形貌及化学组成。

1.5 阻垢率计算

针对水样结垢情况，选择合适的阻垢剂，以水样结垢量为指标考察防垢剂对水样阻垢的性能。阻垢率计算如下:

式中：η为阻垢剂的阻垢率，%；ω0为未添加阻垢剂时水样的结垢量，mg/L；ω1为添加阻垢剂后水样的结垢量，mg/L。

2 水样分析结果

水样离子及pH值分析结果如表1。

表1 水样离子及pH分析结果表

3 结垢趋势预测结果

注入水与地层水不同比例混合后结垢趋势预测如表2～9所示。

表2 Z9Z水样与N17-22水样混合后碳酸钙结垢趋势预测

注：K为修正系数，1；SI为饱和度指数，1。下同。

表3 Z9Z水样与N20-18水样混合后碳酸钙结垢趋势预测

表4 Z5水样与N17-22水样混合后碳酸钙结垢趋势预测

表5 Z5水样与N20-18水样混合后结碳酸钙垢趋势预测

3.1 碳酸钙垢趋势预测

1)Z9Z水样与N17-22、N20-18水样混合。表2结果显示，Z9Z水样与N17-22水样混合后，随着Z9Z水样的比例增大，SI值逐渐减小，表明Z9Z水样注入到N17-22结碳酸钙垢的结垢趋势会减小。表3结果显示，Z9Z水样与N20-18水样混合，随着Z9Z水样的比例增大，SI值先增大后减小，在体积比4∶1时SI值达到最大。

2)Z5水样与N17-22、N20-18水样混合。表4结果显示，Z5水样与N17-22水样混合后，随着Z9Z水样的比例增大，SI值逐渐减小。表明Z5水样注入到N17-22后碳酸钙垢的结垢趋势会减小。表5结果显示，Z5与N20-18以3∶2的比例混合时SI值最大，表明Z5水样与N20-18水样以3∶2混合后结碳酸钙垢的趋势最大。

3.2 硫酸盐结垢趋势预测

2)Z5水样与N17-22、N20-18水样混合。表8与表9的结果表明，Z5水样与N17-22和N20-18水样混合后均无硫酸钡垢的结垢趋势;Z5、N17-22和N20-18水样本身均有硫酸钡垢的结垢趋势，Z5水样与两者混合后也有硫酸钡垢的结垢趋势;Z5水样与N17-22以4∶1混合，与N20-18以3∶2混合有最大的硫酸钡垢的结垢趋势;Z5水样自身有硫酸锶垢的结垢趋势，与N17-22和N20-18水样混合后，随着Z5水样比例的增大，硫酸锶垢的结垢趋势也增大，但硫酸锶垢的趋势要小于Z9Z水样与N17-22和N20-18水样混合后硫酸锶垢的结垢趋势。

表6 Z9Z水样与N17-22水样混合后硫酸盐结垢趋势预测

表7 Z9Z水样与N20-18水样混合后硫酸盐结垢趋势预测

表8 Z5水样与N17-22水样混合后硫酸盐结垢趋势预测

表9 Z5水样与N20-18水样混合后硫酸盐结垢趋势预测

4 结垢量测定结果

图1 Z9Z水样与地层水混合后结垢量图 图2 Z5水样与地层水混合后结垢量图

5 垢样分析结果

图3 垢样微观形貌

结垢趋势预测研究结果表明，注入水与地层水混合后可能会产生硫酸钡垢、硫酸锶垢和碳酸钙垢，准确判断结垢类型需对垢样进行分析。采用MIRA3型场发射扫描电镜(泰思肯贸易(上海)有限公司)进行垢样微观形态及能谱分析。将注入水与地层水混合后产生的垢样收集进行微观分析，垢样微观形貌如图3所示。

观察不同水样所产生的垢样，可发现垢样主要有2种形态，分别为片状堆积物和块状物，符合硫酸钡垢、硫酸锶垢和碳酸钙垢的常见形貌，这与文献[16]及文献[17]研究一致。选择不同水样混合后的垢样进行能谱分析(EDS)，结果如图4所示，垢样元素组成及质量分数如表10所示。测试结果表明，垢样主要元素组成为Ca、Ba、Sr、S、C和O，进一步证实了垢样主要成分为碳酸钙、硫酸钡、硫酸锶。

图4 垢样EDS分析

混合水样各元素质量分数/%CaMgBaSrCOSZ9Z∶N17-223.80037.2518.733.0323.7213.47Z9Z∶N20-182.68039.1315.912.8325.6113.84Z5 ∶N17-222.77039.0617.353.2325.3912.20Z5 ∶N20-183.01038.5916.353.0224.1814.85

6 水样防垢

图5 阻垢剂EDTMPS对水样的阻垢率

以上研究表明，注入水与地层水混合后会有严重的结垢现象(混合型垢)，主要成分为硫酸钡垢、硫酸锶垢和碳酸钙垢，在油田开采过程中会使储层或输水管道堵塞。因此，阻垢剂必须同时具有防硫酸钡垢、硫酸锶垢和碳酸钙垢的能力。文献研究表明，阻垢剂EDTMPS对硫酸钡垢、硫酸锶垢和碳酸钙都具有较好的阻垢能力[18～20]，故选择EDTMPS作为阻垢剂使用，其性能考察如图5所示。

由图5可知，EDTMPS对试验水样具有较好的阻垢性能，50mg/L时阻垢率均能达到90%以上，故现场可选择EDTMPS进行防垢，最佳用量为50mg/L。

7 结论

1)Z9Z水样与N17-22、N20-18水样以1∶4混合后结垢量最大，Z5水样与N17-22、N20-18水样以3∶2混合后结垢量最大；Z5水样与N17-22、N20-18水样混合后的最大结垢量小于Z9Z水样与N17-22、N20-18水样混合后的最大结垢量，Z5水样与地层水的配伍性好于Z9Z水样。

2)Z9Z和Z5水样与N17-22水样混合后会降低碳酸钙垢的结垢趋势，与N20-18水样混合后会增加碳酸钙垢的结垢趋势。Z9Z和Z5水样与N17-22、N20-18水样混合后均有硫酸钡垢的结垢趋势，大部分有硫酸锶垢结垢趋势，均无硫酸钙垢结垢趋势。垢样分析表明，注入水与地层水混合后所结的垢为混合型垢，主要成分为硫酸钡、硫酸锶和碳酸钙。

3)可选择EDTMPS作为阻垢剂进行防垢，最佳用量为50mg/L，阻垢率能达到90%以上。