延安区块油井成垢离子趋高成因及其防垢措施研究

赵升，徐江峰，王成艳，薛东圆，黎力，郝健

（延长油田股份有限公司化验中心，陕西 延安 716000）

随着延安区块油井的开发进入新阶段，混层开发已经比较多见，产生的油田采出水性质也越来越复杂，但由于采出水中成垢离子含量普遍较高，其在温度、压力等条件变化或与其他层位采出水接触的情况下，容易在井筒内壁结晶析出，长时间累积造成井筒中堵塞节流现象严重[1-2]。目前常见的结垢堵塞类型主要为固相物与缓蚀剂引起的复合堵塞、硫沉积堵塞、结盐堵塞及水合物堵塞[3-4]。延安区块油井目前已有上千多口井由于干线及管道等出现大量异物，造成的管道堵塞和腐蚀引起的管道穿孔、设备的损毁失效等，严重影响油井的正常生产，使井筒内压差增大，产量下降，甚至导致关井停产。

国内外学者目前对油田开采过程中的结垢问题研究主要涉及结垢机理研究、结垢影响因素、结垢趋势预测模型以及结垢速率分析等方面[5-6]，但鲜有学者研究成垢离子的来源。本文以延安区块严重堵塞的单井YA-1 为研究对象，在采出水水质和堵塞异物组成分析的基础上，对其采集的地层岩屑进行分析，研究产生结垢堵塞的成垢离子来源，并提出相应的防垢及处理措施，以期解决井筒结垢堵塞问题，为现场实现解堵及预防提供依据，达到延长油井寿命、提高产能的目的。

1 材料与方法

1.1 主要试剂与仪器

主要试剂：石油醚、盐酸、氢氧化钠、硝酸银、氯化钡、氯化钠均为分析纯。

主要仪器：HK-8100 型电感耦合等离子发射光谱仪（ICP，北京华科易通分析仪器公司）；XRF-1800型X 射线荧光光谱仪（XFS，日本岛津有限公司）；X-衍射仪D/MAX-2400（XRD，日本理学公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 采出水组成及性质分析方法

实验水样选取延安区块油田典型严重堵塞的YA-1 单井的采出水。按照石油行业标准《油气田水分析方法》(SY/T 5523—2016)对采出水水质组成进行分析[7]。

1.2.2 堵塞异物分析方法

采集YA-1 的堵塞异物进行组分分析，将堵塞异物放于105 ℃条件下烘干2 h 测其含水率，同时使用XRF-1800 X 射线荧光光谱仪对烘干后的堵塞异物进行化学成分分析；干燥样品后在研钵中研细，称取一定量用石油醚萃取，取固相烘干，测定其含油率；再取一定量放入马弗炉中至550 ℃和950 ℃下分别煅烧2 h，测定各温度段的煅烧减量；对煅烧后的堵塞异物用1+1 HCl 溶解后过滤，滤液定容到500 mL，测其阳离子含量，滤渣用于测定酸不溶物，使用XRF-1800 X 射线荧光光谱仪对烘干后的堵塞异物进行化学成分分析。

1.2.3 成垢离子来源分析

1）岩屑XRD 分析 调取YA-1 的岩屑研碎，对其进行XRD 分析。

2）岩屑浸出实验 称取10 g YA-1 的岩屑，分别加入200 mL 的蒸馏水、10 000、50 000、100 000 mg·L-1的NaCl 溶液浸泡，摇匀后放于90 ℃的烘箱中，浸泡50 d 后测其水溶液中的成垢离子含量；用100 mL 1+1 HCl 溶解10 g 的岩屑，测其离子含量，确定离子来源。

1.2.4 阻垢剂优选

依据SY/T 5673—1993《油田用防垢剂性能评定方法》[8]，选择两种钡阻垢剂（钡Ⅰ和钡Ⅱ），取8份YA-1 的采出水，两种阻垢剂加量分别为40、80、120 和160 mg·L-1，摇匀后于70 ℃下恒温16 h，测定两种阻垢剂对BaSO4的阻垢率。

2 结果与讨论

2.1 采出水水质分析

根据1.2.1 的分析方法，对进入分离器的YA-1采出水水质分析结果见表1。

表1 YA-1 单井采出水的水质组成分析 （mg·L-1,pH 除外）

由表1 可知，延安区块油田的YA-1 采出水矿化度高，易成垢离子Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+含量高，且含有SO42-，易产生硫酸盐垢沉淀；pH 值较低，采出水显弱酸性，HCO3-电离产生CO32-的能力减弱，因此碳酸盐垢含量可能不高，铁离子、Cl-含量较高，会产生一定的腐蚀作用。

2.2 堵塞异物组成分析

采集YA-1 单井的堵塞物，通过化学容量法和X-荧光光谱仪对堵塞物进行化学成分分析，结果见表2 和表3。

表2 堵塞产物组成分析结果（化学容量法） 质量分数/%

表3 堵塞产物组成分析结果（XFS）以氧化物质量分数计 质量分数/%

从表2 和表3 可知，YA-1 的堵塞物含油量和有机物含量较低，排除由于油污、油井作业流体、结蜡等造成的油井堵塞，而是以酸不溶的硫酸锶（钡）垢为主形成的无机物堵塞。其中硫酸锶（钡）垢质量分数达76.60%，酸溶物中Fe 所占比例相较与其他阳离子较高，可能伴随着一定程度的腐蚀。此外还含有少量的钙、钠、铝、硅酸盐，微量的镁、钾、磷酸盐等物质。由于钡、锶在地层中属于微量元素，常存在于储层中的大量矿物中，而该井在近两年无任何作业，故需进一步研究成垢离子钡、锶的来源。

2.3 成垢离子来源分析

2.3.1 岩屑组成分析

为了研究YA-1 内形成酸不溶的硫酸锶（钡）垢的离子来源，调取YA-1 的岩屑，对其组成进行X射线衍射晶相(XRD)分析，结果如图1。

图1 YA-1 岩屑XRD 图谱

由图1 可以看出，CaMg(CO3)2、SiO2、CaCO3和Ba0.25Sr0.75SO4的峰值较强，SrSO4、BaCO3和BaSO4的峰值较弱，说明岩屑中含有大量的CaCO3、MgCO3、SiO2和一定量SrSO4、BaCO3、BaSO4等无机物。在油井的生产过程中，地层岩屑中的的无机物会在油水环境中冲刷和浸泡的作用下溶解产生Ca2+、Mg2+、Ba2+和Sr2+等易成垢离子，且在深井条件下，酸性物质也会和岩屑中的碳酸盐、硅酸盐等物质发生溶解。在酸性条件下，CaMg(CO3)2、CaCO3、BaCO3等物质会和水溶液中的H+反应溶解产生Ca2+、Mg2+和Ba2+等易成垢离子，反应方程式见1-3。

SrSO4、BaSO4在浓酸条件下通过酸性侵蚀溶解作用产生也会一定量的成垢离子Sr2+和Ba2+。YA-1筒采出水为弱酸性，且含有SO42-、HCO3-等成垢阴离子，会和岩屑溶解出的（尤其是工作液为强酸性时）Ca2+、Mg2+、Ba2+和Sr2+等离子结合，产生硫酸盐和碳酸盐结垢，沉积在油井管道内部，使得井筒堵塞且腐蚀作用加剧。

2.3.2 岩屑浸出实验

选用不同浓度的NaCl 溶液和1+1 HCl 对岩屑进行浸泡试验，实验时间为50 d，岩屑浸出液中离子分析结果见表4。

表4 浸泡岩屑后不同溶液中离子成分分析

由表4 可知，YA-1 地层岩屑在不同溶液中浸泡会溶解出一定量的成垢阳离子。其中用NaCl 溶液就可以溶解出部分Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+离子，并随着溶液浓度的增加，Ca2+、Mg2+、Ba2+和Sr2+离子均呈明显增加的趋势，Fe 溶解出的量较小，这是由于当NaCl 浓度越高时，溶液中的Cl-浓度越大，矿化度越高，Cl-会穿过岩屑中的孔隙，到达岩屑内层，使得岩屑与溶液的接触面积增大，且由于腐蚀加剧，使得岩屑更容易溶解，浸出液中的离子浓度增大。用1+1 HCl 进行岩屑浸泡实验时，溶液中Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+和Fe 离子含量明显高于NaCl 溶液的浸出量。由此可知，YA-1 在长时间的生产过程中，其采出水中的Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+离子在没有外界药剂添加情况下主要来源于地层岩屑在地层水中的溶解作用，尤其是当对储层进行酸化作业后，酸液通过酸性侵蚀溶解作用，极大地增加了采出水中Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、Fe 离子的浓度，当遇到不同层位的地层水含有成垢阴离子时，就会在井筒或地面管线结垢，导致管线堵塞[9-11]。

2.4 防垢措施研究

2.4.1 阻垢剂的筛选

化学防垢法是目前国内外对于油气田防垢的主要方法[12-13]。根据堵塞异物的组成成分结果可知，YA-1 的堵塞物主要是酸不溶的硫酸锶（钡）垢，且大部分为BaSO4垢。实验选用两种钡阻垢剂，对不同浓度的阻垢剂对采出水的阻垢效果进行评价，实验结果见图2。

图2 不同阻垢剂的阻垢效果

由图2 可知，随着阻垢剂加量的增加，阻垢率逐渐增大，当阻垢剂加量为40 mg·L-1后，两种阻垢剂的阻垢效果基本趋于稳定。其中钡Ⅱ的阻垢率均高于钡Ⅰ，阻垢剂加量为40 mg·L-1时，阻垢率在95%以上，阻垢效果良好。因此，在实际工作中，可以通过投加阻垢剂的方式防止YA-1 内硫酸锶（钡）垢的产生，有效控制井筒内产生无机物堵塞。

2.4.2 防垢控制措施

1）投加高效钡锶阻垢剂。使用防垢剂是油气田常用的控制结垢措施，添加少量防垢剂能起到延缓、减少或抑制结垢的作用。

2）严格控制酸化压裂返排液排放，避免进入后续油井管线而导致的油井堵塞。

3）控制物理条件。影响硫酸锶钡结垢的外界因素主要有温度、压力、含盐量、pH 值、成垢离子浓度、水的流动状态、管道形状及其他环境条件等。从设计角度考虑，要防止垢的生成，输油管道的内壁应光滑或施以涂层，减少弯管，增大水的流速等[14-15]。

3 结论

1）YA-1 单井采出水矿化度高，易成垢离子Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+含量高，pH 值较低，Fe2+/3+、Cl-含量较高；其堵塞异物的主要成分为酸不溶的硫酸锶（钡）垢，并含有少量的腐蚀产物。

2）YA-1 单井内岩屑的主要成分为CaCO3、MgCO3和SiO2，并含有一定量Ba、Sr 的无机盐；在井筒中油水环境和酸性条件下溶解产生易成垢的Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+离子。YA-1 采出水中的Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、Fe 离子主要来源于地层岩屑在水中的溶解作用，特别是地层的酸化压裂。

3）钡Ⅱ阻垢剂阻垢性能较好，阻垢率随阻垢剂加量的增加而逐渐增大，在阻垢剂加量为40 mg·L-1后，阻垢效果最佳趋于稳定，阻垢率达95%以上。因此，在实际工作中，可以通过投加阻垢剂的方式防止YA-1 内硫酸锶（钡）垢的产生，有效控制井筒内产生无机物堵塞；也可以采取控制酸化压裂返排液的排放和井筒内的物理条件等方式防垢。