油田注水动态结垢趋势实验研究*

雷富强 秦芳玲 张淑侠 张世君 董晨曦 王丹丹

1西安石油大学化学化工学院

2陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院

随着低渗透油田注水开发进程加深，因结垢而导致油层伤害、注水压力升高、设备磨损和垢蚀等一系列问题[1-2]出现，这些问题对油气生产的危害日趋严重，引起的经济损失也日益增加。为了高效开发低渗透油田，对注水结垢趋势进行科学的评价，并提出合理的预防措施十分必要。结垢预测评价技术研究始于20世纪30年代，至今仍在广泛而深入地进行。结垢评价方法大致可分为以下几种：①理论分析判断法。该方法是通过大量室内实验分析影响结垢因素，提出化学模型，用有关参数表征成垢介质和成垢环境，建立具有规律性的数学表达式，根据计算结果预测是否结垢。如由LANGERLIER提出、后经STIFF和DAVIS修改的“饱和度指数”法[3]，VALONE等人提出预测CaCO3结垢的改进方法——Q值法，WETTER和FULFORD的石膏垢类预测、FLETCHER的SrSO4垢预测等。②试验模拟法（分静态和动态两种[4-7]）。通常使用的静态模拟法是将试验用水放在一密闭容器内，在规定的试验温度下恒温一定时间后，通过测定成垢离子含量的变化或用称量法计算出沉积结垢量。动态模拟法是模拟地层和地表不同压力温度下的结垢工艺条件进行试验，试验结果更加真实可靠。

目前国内外使用的动态模拟试验仪按结垢反应器的类型及测试原理可分为岩心夹持器式[8-9]、盘管式两大类。岩心夹持器式动态模拟试验仪是根据岩心渗透率的变化来反映水的结垢趋势；盘管式动态模拟试验装置不仅能够较好地模拟油田注水开发过程，而且可对各部位结垢情况进行量化。本文应用盘管式动态模拟试验仪对低渗透油田的注水结垢趋势及与地层水的配伍性进行了试验评价，对结垢趋势进行了定性、定量分析，为现场采取水处理、防垢、清垢等相应技术改进或调整提供数据资料。

1 实验

1.1 主要材料和仪器

实验用水为某低渗透油田A、B、C区的地层水；A、B、C区联合站现场处理后的注入水。

实验用主要仪器：一套盘管式结垢动态模拟装置、JSM-6610LV型扫描电镜、IE250型能谱仪、分析天平、101-1型电热干燥箱等。

1.2 装置和原理

实验采用动态模拟法，盘管式动态模拟装置结构原理见图1。该装置由储水罐、恒温高压控制箱、低压常温系统、膜过滤等组成。实验温度按照实际地层地表模拟；实验压力模拟高压区和低压区。

图1 动态结垢模拟试验装置原理结构图Fig.1 Structarediagramoftheprincipleofdynamicscaling simulationtest device

2 结果与讨论

2.1 结垢动态模拟

低渗透油田A区的回注目标地层的温度高达80 ℃，地层水总矿化度在10×104mg/L左右。将油田A区联合站的注入水与地层水按一定混配比例混合均匀（混配比=注入水×100%/（注入水+地层水），再进行结垢动态模拟实验，结果见表1和图2。

表1 某油田A区混配水动态模拟实验结果Tab.1 Dynamic simulation test results of mixed water in Area A of anoilfield

图2 某油田A区混配水沉积结垢趋势Fig.2 Trend of deposition and scaling on mixed water in Area A of an oilfield

由表1和图2可以看出：

（1）注入水的沉积结垢总量高于地层水的结垢总量。地层水的沉淀结垢部位以高压区为主，为12.6 mg/L，占总沉淀结垢量的60%；处理后的注入水形成的结垢总量为49.0 mg/L，结垢部位基本在高、低压区均衡分布。

（2）注入水与地层水混配后的沉积结垢量基本介于注入水和地层水之间，没有上升趋势，说明两种水的配伍性较好；混配水以地层水为主时，沉积结垢产生部位偏向高压区即油层，而混配水以注入水为主时，沉积结垢产生部位偏向低压区即生产井底部。

（3）当混配比为50%时，结垢物总量最小，其中高压区为3.6 mg/L，低压区为17.3 mg/L，结垢物主要出现在低压区部位即生产井底部。

2.2 结垢物组分分析

以低渗透油田A区的75%混配比水样形成的结垢物为研究对象，收集盘管和滤膜上的垢样，烘干后对其进行电镜扫描和能谱元素分析，确定结垢情况，明确其结垢趋势。实验结果见表2和图3。

表2 结垢物元素分析结果Tab.2 Elemental analysis results of scale formation

图3 垢样微观形貌Fig.3 Microscopic morphology of scale sample

该垢样外观呈土灰色粉状，质地较硬，夹杂白色结晶体。元素分析结果表明，注入水沉淀结垢物的元素主要是Ca、O、C和Cl，还有少量的Na、Si、Mg和Fe。由此可初步确定垢样主要为钙盐，还有少量的铁盐和镁盐，并且多以沉积碳酸盐和可溶性的盐酸盐形式存在。

2.3 评价实验

评价实验采用低渗透油田B区和C区的水样。B区和C区的回注目标地层温度分别为95、90℃；地层水总矿化度分别为11×104、12×104mg/L，Ca、Mg质量浓度分别为3 040、5 207 mg/L。将注入水与地层水按一定混配比例混合均匀进行实验，实验结果见表3、图4和图5。

表3 B区和C区混配水动态模拟结果Tab.3 Dynamic simulation results of mixed water in Area B and C

由表3、图4可以看出：B区的注入水沉积结垢量明显低于地层水；注入水与地层水混配后，随混配水中注入水所占比例的增加，沉积结垢量呈下降趋势，说明两种水的配伍性较好；当注入水比例为100%时，结垢量最小，总量为14.3 mg/L。混配水以地层水为主时，沉积结垢产生部位偏向高压区即油层，而混配水以注入水为主时，沉积结垢产生部位偏向低压区即生产井底部。

图4 某油田B区混配水沉积结垢趋势Fig.3 Trend of deposition and scaling on mixed water in Area B of an oilfield

由表3、图5可以看出：C区的注入水沉积结垢量高于地层水；注入水与地层水混配后，随混配水中注入水所占比例的增加，沉积结垢量呈急剧上升趋势，到注入水占50%时沉积结垢量达到最高峰，随后呈下降趋势，说明两种水的配伍性极差。同时还可以看出：无论是单一水，还是混配水，沉积结垢产生部位都以高压区即油层为主。

3 结论

（1）对低渗透油田A、B、C区水质进行的混配结垢实验表明：A区在地层温度80 ℃下，地层水和处理后的注入水均有一定量的结垢物形成；地层水的沉淀结垢部位以高压区即油层为主；以地层水为主混配时，沉积结垢产生部位偏向高压区即油层，以注入水为主混配时，沉积结垢产生部位偏向低压区即生产井底部；注入水与地层水的配伍性较好，最佳混配比为50%。B区注入水与地层水的配伍性最好，混配后随注入水比例增加结垢总量逐渐减少。C区注入水与地层水配伍性最差，应根据现场具体情况采取一定的水处理技术改进或调整。

（2）通过沉积结垢物的能谱分析，确定了注入水中形成的垢样成分主要为碳酸钙，还有少量的铁盐和镁盐，并且多以碳酸盐和盐酸盐的形式存在。为此，可根据现场具体情况采取水处理、防垢、清垢等相应技术改进或调整措施，以防止地层伤害，减少注水井作业费用和注水设备维修费用。

（3）盘管式结垢动态模拟实验，能够较真实地模拟油田注水开发过程中不同部位的沉积结垢情况，快速了解结垢物的生长规律，预测结垢点，提供较准确的量化结果。该动态模拟结垢评价技术克服了低矿化度水因结垢量少而无法用静态试验法[10]即传统的离子变化法进行准确判定的缺陷。