三元复合驱硅垢沉积影响因素研究

仝春玥 杨晶 刘钢

摘      要： 目前随着开采程度的提高，油田的结垢现象日益严重，导致采收率降低，诸多现状都表明结垢会给油田带来不利影响。在三元复合驱（ASP）过程中，碱会与地层中的硅酸盐岩产生碱溶反应，形成硅垢，堵塞地层孔隙、严重损害储层。针对所形成硅垢设计实验，研究了影响结垢的因素，着重研究温度、pH和Ca2+、Mg2+对硅垢形成的影响。研究表明：在三元复合驱体系下，pH在10到11之间硅沉积百分数急剧下降，说明pH对硅离子稳定性的影响非常大，温度对硅垢形成的影响比pH较小，钙镁离子的存在对硅沉积具有促进作用。

关  键  词：结垢;影响;采收率;硅垢

中图分类号：TE 357.46       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）03-0515-04

Abstract： At present， with the improvement of exploitation degree， the scaling phenomenon in oilfield is becoming more and more serious， which leads to the decrease of oil recovery. Many current situations show that scaling will bring adverse effects on oilfield development. During ASP flooding， alkali will react with silicate rock in formation to form silica scale to plug formation pore and seriously damage reservoir. In this paper， an experiment was designed to study the factors affecting the formation of silicon scale， focusing on the effect of temperature， pH and Ca2+， Mg2+ on the formation of silicon scale. The results showed that， under ASP flooding system， the percentage of silicon deposition sharply decreased when pH was in the range of 10～11， which indicated that pH had a great influence on the stability of silicon ion. The temperature had smaller effect on the formation of silicon scale than pH， and the presence of calcium and magnesium ions had promoting effect on silicon deposition.

Key words： Scaling; Effect; Recovery efficiency; Silica scale

結垢是当今油田面临的巨大难题，油田结垢不仅出现在地面集输系统，也会深入地层，使油层渗透率发生改变，结垢不仅会造成经济损失，也会对油田正常生产造成严重影响，甚至造成油田停产[1-4]。目前许多油田仍采用三元复合驱（ASP）来提高油田的采收率，主要因为驱油效果好，采收率高[5]。但也会有许多问题产生：结垢多不仅会卡泵停产，还会造成检泵周期缩短[6，7]。在采用三元复合驱（ASP）体系的实际应用中，仍有严重结垢和卡泵现象的出现。那是因为在三元复合驱（ASP）体系下，会致使其中的碱与地层中的矿物发生反应，地层较高的温度加剧了对储层岩矿的溶蚀作用[8]，而压力的影响不明显，主要产生硅垢与CaCO3垢[9-11]， 根据对现场采集的垢质进行分析。结果表明，频繁卡泵井的主要垢质中硅酸盐垢的含量高达60%[12，13]，造成储层孔隙堵塞，导致严重后果。程杰成[14]建立结垢预测模型，对不同的区块，使用所建立模型，均可以提高结垢预测的准确性;李萍[15]根据溶度积理论，通过对预测模型的建立，有效的减少了对储层的伤害，为油田防垢，提供了研究依据。赵梦婕[16]对油田硅垢的形成机理，硅垢的防垢措施进行了简述， 对硅垢防垢剂以及防垢技术进行了分析，最后指出防垢技术的未来发展方向。

因此对在三元复合驱（ASP）体系下产生的垢进行研究是十分有必要的。本文对硅垢进行研究，探究三元复合驱（ASP）体系下温度、pH以及钙、镁离子浓度对硅沉积的影响，主要是通过硅钼黄比色的方法来测定可溶性硅酸盐中硅离子的浓度[17]。通过研究硅垢的影响条件，来控制硅垢的生成。抑制或减少三元复合驱（ASP）体系中硅垢形成，保护储层，提高开采率，具有十分重要意义。

1  实验部分

1.1  实验仪器

实验所用仪器分别是：BS-124S电子天平、PHS-25型PH计、电子恒温水浴锅、HWCB-2磁力搅拌器、玻璃仪器气流烘干器、101-ABS型电热鼓风干燥箱、722E型可见分光光度计以及中速定量滤纸。

1.2  实验试剂

实验所用试剂，见表1。

2  实验方法

该实验是通过硅钼黄比色的方法来测定可溶性硅酸盐中硅离子的浓度。由于在不同酸度情况下，所生成的硅钼杂多酸的形态均不同，见表2。

一般来说，当pH>2时，α型为主，而当pH<2时，β型为主。对β硅钼酸的形成，所需要的酸度一般是在pH=0.5-2的范围内。而在此区间内，单硅酸能够与钼酸钠反应生成硅钼黄，其深浅程度与硅酸盐的含量成正比[18-20]。

3  实验步骤

（1） 模拟的地层水含量：CO32- 2 500 mg/L、HCO3-1 000 mg/L、CL-1 500 mg/L、SO42-30 mg/L、Ca2+ 0 mg/L、Mg2+ 0 mg/L、Na+ 3 000 mg/L、pH=11。在其中加入含量为3 000 mg/L的硅酸钠，并且用酸碱等量调和pH，使pH值在6到13之内等梯度变化。

（2） 分别加入氯化钙、氯化镁，使溶液中钙镁离子浓度为10、20、30、40 mg/L，以此来考察温度，pH以及各种离子对硅结垢的影响。将溶液放在恒温水浴锅内，设置不同的温度梯度，20、40、60、80 ℃，待其反应。

（3） 一段时间后，取出部分反应液，取过滤后溶液，用硅钼黄比色法测定硅离子的含量。

4  实验结果分析

4.1  温度、pH对硅垢的影响

在硅离子在3 000 mg/L， pH值在6到13之间，不同温度梯度的条件下，硅沉积的百分含量与温度和pH的关系见表3。

根据所记录的实验数据，分别绘制在温度为20、40、60、80 ℃等梯度变化时且pH在6～14之间等梯度变化时，硅沉积的百分含量变化曲线，见图1。

通过表3和图1可知，在pH一定时，随着温度的增大，硅沉积的百分含量呈现下降的趋势，随着温度的升高，溶液中硅离子的浓度增加。该现象可以说明温度的升高对硅结垢起到了不利的影响。在相同温度曲线下，随着pH的增大硅沉积的百分含量有所下降，且在pH=10到11之间呈现急剧下降的趋势，在pH值从6～13等梯度变化过程中，可溶性硅含量增加1 400 ppm。综上所述，pH对硅离子稳定性的影响非常大，在三元复合驱含高硅采出液体系pH在小于11时，会产生大量硅垢[21]。

4.2  钙镁离子对硅垢的影响

在设定pH=9，以钙镁离子存在的初始硅离子浓度为3000mg/L的硅酸钠溶液为反应体系，设置不同的溫度梯度，以及不同的钙镁离子浓度，研究对硅沉积的影响。

4.2.1  钙离子对硅垢的影响

记录不同温度和不同钙离子浓度下，硅沉积质量分数的变化，见表4。

根据所记录的实验数据，分别绘制在温度为20、40、60、80 ℃时，随钙离子变化硅沉积的变化曲线，见图2。

4.2.2  镁离子对硅垢的影响

记录不同温度和不同镁离子浓度下，硅沉积质量分数的变化，见表5。

根据所记录的实验数据，分别绘制在温度为20、40、60、80 ℃时，镁离子对硅沉积的变化曲线，见图3。

4.2.3  实验现象

硅酸钠溶液中，钙镁离子浓度为0时，体系均一。加入钙镁离子以后，溶液中有白色沉淀生成。由图2和图3可知，当钙镁浓度不断增加时，硅沉积百分数也随之增加。钙镁离子的加入促进了硅沉积的反应进程，同时钙镁离子的含量出现降低趋势，钙镁硅出现了共同沉积的现象。由此可以得到，在三元复合驱体系下钙镁离子的存在对硅沉积具有促进作用[22]。

5  结 论

（1）pH在10到11之间硅沉积百分数急剧下降，同时在 pH 值从6～13等梯度变化过程中，可溶性硅含量增加1 400 ppm。因此，pH值对硅沉积的影响非常大，在三元复合驱体系下，pH在小于11时，会产生大量硅垢。

（2）当模拟的地层水pH值一定时， 温度从20 ℃到80 ℃等梯度变化过程中，随温度的升高，可溶性硅的含量略有增加500 ppm，硅沉积减少。硅沉积的百分含量随着温度的增大而下降，表明温度的升高对硅垢的形成有着不利影响。

（3）当钙镁浓度增加时，硅沉积百分数也随之增加，浓度从0 mg/L到40 mg/L梯度变化过程中，随浓度的升高，硅沉积质量分数均有减少。说明在三元复合驱体系下钙镁离子的存在对硅沉积具有促进作用。

参考文献：

[1] Richard A. Dawe，Yuping Zhang. Kinetics of calcium carbonate scaling using observations from glass micromodels[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering，1997，18（3） ：13-14.

[2] 何金钢，杨晶，宋考平，董秀龙.强碱三元复合驱结垢现象[J].石油化工高等学校学报，2014，27（05）：72-79.

[3] 富源. 三元复合驱防垢卡抽油泵研发与应用[D].东北石油大学，2016.

[4]吴清红，王颖.油田水结垢腐蚀机理及对策研究[J].当代化工，2016，45（08）：1827-1830.

[5] 宋考平，何金钢，杨晶.强碱三元复合驱对储层孔隙结构影响研究[J].中国石油大学学报（自然科学版），2015，39（05）：164-172.

[6] Khaled Touati，Lassaad Gzara，Sélim Mahfoudhi，Soumaya Bourezgui， Amor Hafiane，Hamza Elfil. Treatment of coastal well water using ultrafiltration-nanofiltration-reverse osmosis to produce isotonic solutions and drinking water： Fouling behavior and energy efficiency [J]. Journal of Cleaner Production，2018，200（8）：203-206.

[7]卞伟，王庆华，白羽，黄晶，杨迪.三元复合驱采出井结垢规律研究[J].内蒙古石油化工，2015，41（09）：150-152.

[8]邵光超. 油田结垢与防垢技术研究[D].东北石油大学，2015.

[9]孟园园，任呈强，郑云萍，李拥军，梁爱国，史建英.油井结垢规律及其控制措施[J].化工进展，2015，34（S1）：202-206.

[10]Argyro Spinthaki，Georgia Skordalou，Aggeliki Stathoulopoulou， Konstan -tinos D. Demadis. Modified macromolecules in the prevention of silica scale[J]. Pure and Applied Chemistry，2016，88（10-11）：36-38

[11]Guolin Jing，Shan Tang，Xiaoxiao Li，Huaiyuan Wang. The analysis of scaling mechanism for water-injection pipe columns in the Daqing Oilfield[J]. Arabian Journal of Chemistry，2013，98（1）：24-26.

[12]刘宇，王宝辉.油田硅垢生成及控制技术研究进展[J].化学工程师，2015，29（10）：40-43.

[13]Xiaoxi Yang，Wei Li，Longjiang Guo，Xiaojie Liu，Hongqing Feng. Prediction of CaCO 3 scaling in water injection wellbore[J]. Applied Thermal Engineering，2016，98（1）：24-26.

[14]程杰成，王慶国，王俊，李翠勤，施伟光.强碱三元复合驱钙、硅垢沉积模型及结垢预测[J].石油学报，2016，37（05）：653-659.

[15]李萍，程祖锋，王贤君，刘钦甫，丁述理.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（05）：63-66.

[16]赵梦婕，刘利军，袁辉，周有祯，谢京豫，窦小龙.硅垢防垢技术研究进展[J].精细石油化工进展，2015，16（05）：24-28.

[17]Ming Xie，Stephen R. Gray. Silica scaling in forward osmosis： From solution to membrane interface[J]. Water Research， 2017， 108 （9）： 104-109.

[18]Guolin Jing，Shan Tang，Xiaoxiao Li，Huaiyuan Wang. The analysis of scaling mechanism for water-injection pipe columns in the Daqing Oilfield[J]. Arabian Journal of Chemistry， 2013， 48 （3）：87-90.

[19]Siti Qurratu Aini Mahat，Ismail Mohd Saaid，Bhajan Lal. Green silica scale inhibitors for Alkaline-Surfactant-Polymer flooding： a review[J]. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology， 2016， 6 （3）： 32-33.

[20]Chunyu Chen，Ni Bai，Yan Zhang，Lina Jiao，Mingzhu Xia，Gang Chen. A theoretical study of the inhibition effect of PAMAM molecule on silica scale[J]. Journal of Molecular Modeling，2017，23（1）：52-55.

[21] 马文杰，蒲彬，唐礼强.油田硅垢的结垢机理及其防垢技术研究进展[J].山东化工，2015，44（23）：30-32.

[22]Guolin Jing，Shan Tang，Xiaoxiao Li，Tao Yu，Yanjun Gai. The scaling conditions for ASP flooding oilfield in the fourth Plant of Daqing oilfield[J]. Journal of Petroleum Exploration and Production Technology， 2013，3（3）：152-154.