致密油藏采出水结垢趋势和配伍性研究

葛仙娥， 单巧利， 张巧生， 王通， 崔磊

（1.陕西宇阳石油工程科技工程有限公司， 西安 710018； 2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室西安长庆科技工程有限责任公司， 西安 710018）

油田采出水水质特性受原油特性、 地质状况等影响， 采出水组成复杂， 采出水中含有大量的Ca2＋、Mg2＋、 Ba2＋、 Sr2＋、 HCO3－等成垢离子［1］。 致密油藏开发采用采出水注水吞吐， 大量的成垢离子在注水过程中易造成地面管网， 井下管柱腐蚀。 目前， 常用的注入水配伍性效果评价方法有： 混配前后污水中悬浮物含量变化法、 浊度变化法、 结垢趋势值SI或者最大结垢量值PTB 预测法［2］。 上述方法弊端是工作大， 耗时长， 不能模拟高温高压情况下的配伍性评价。 ScaleChem 软件是一种结垢预测软件， 可以根据水质基本物性参数模拟现场混配中结垢量随温度和压力的变化情况， 预测出可能或者已经成垢的种类以及结垢量［3－4］。 本研究采用ScaleChem 软件分析致密油藏某层采出水改性效果及与侏罗系采出水、 地下水配伍性。

1 材料与方法

1.1 试验仪器及软件

哈希DR6000 紫外分光光度计， 原子吸收分光光度计， PHS－3C 酸度计等； ScaleChem 软件9.3。

1.2 试验样品

试验选取致密油藏某层采出水、 侏罗系采出水、 地下水为研究对象， 检测数据见表1。

表1 采出水水质指标Tab. 1 Characteristics of produced water

从表1 可以看出， 油田采出水偏中性和弱碱性， 含盐量高， 矿化度高。 致密油藏某层采出水Ca2＋、 Mg2＋、 Ba2＋、 Sr2＋、 HCO3－离子含量比较高， 水型为氯化钙， 侏罗系采出水SO42－、 HCO3－含量 较高， 侏罗系采出水和地下水属碳酸氢钠水型。

1.3 试验方法

（1） 结垢及配伍性分析。 利用ScaleChem 软件对不同层系采出水进行结垢和配伍性分析， 判断其是否结垢以及配伍情况。

（2） 致密油藏某层水质改性研究。 通过投加絮凝剂Al2（SO4）3、 沉淀剂Na2CO3， 及调节pH 值进行水质改性， 利用ScaleChem 软件分析Na2CO3、 pH值对降低结垢离子含量的影响， 对比改性后致密油藏某层采出水和侏罗系采出水配伍性。

2 结果与讨论

2.1 结垢性分析

2.1.1 致密油藏某层采出水结垢趋势

在压力为101.325 kPa， 温度为0～60 ℃的条件下， 利用ScaleChem 软件模拟致密油藏某层采出水结垢趋势， 结果见图1。

图1 致密油藏某层采出水结垢类型及结垢趋势Fig. 1 Scale type and scaling trend of produced water from a certain layer of tight reservoir

由图1 可知， 致密油藏某层采出水自身结垢类型主要是BaSO4、 CaCO3。 随着温度的升高， BaSO4的结垢量不断降低， 总体变化不大； CaCO3的结垢量逐渐增大， 这是因为绝大多数盐在水中的溶解度是随温度的升高而增大， 但CaCO3具有反常的溶解度， 在温度升高时溶解度反而下降， 即水温升高时会沉淀更多的CaCO3。

2.1.2 侏罗系采出水结垢趋势

在压力为101.325 kPa， 温度为0～60 ℃的条件下， 利用ScaleChem 软件模拟侏罗系采出水结垢趋势， 结果见图2。

图2 侏罗系采出水结垢类型及结垢趋势Fig. 2 Scale type and scaling trend of Jurassic produced water

由图2 可知， 侏罗系采出水自身结垢类型主要是CaCO3、 SrCO3， 两者结垢量均随着温度的升高而逐渐增大， 水温越高越有利于CaCO3沉淀的形成。

2.1.3 地下水结垢趋势

在压力为101.325 kPa， 温度为0～60 ℃的条件下， 利用ScaleChem 软件模拟地下水结垢趋势，结果见图3。

图3 地下水结垢类型及结垢趋势Fig. 3 Scale type and scaling trend of underground water

由图3 可知， 地下水结垢类型为CaCO3， 地下水中结垢的阴阳离子含量比较低， 因此CaCO3结垢量较小， 约为10 mg／L。

2.2 配伍性分析

2.2.1 致密油藏某层采出水与侏罗系采出水配伍性分析

在温度为30 ℃， 压力为101.325 kPa 的条件下， 利用ScaleChem 软件模拟致密油藏某层采出水与侏罗系采出水的配伍性， 模拟结果见表2。

表2 致密油藏某层采出水与侏罗系采出水混合结垢类型及结垢量Tab. 2 Types and amount of scaling in mixture of produced water from a certain layer of tight reservoir and Jurassic

由表2 可以看出， 致密油藏某层采出水与侏罗系采出水按不同体积比例混合后， 主要结垢类型为BaSO4、 CaCO3及SrCO3， 除SrCO3结垢量低于100 mg／L 外， BaSO4、 CaCO3的结垢量较大， 最大结垢量达到450 mg／L 左右。 这是因为致密油藏某层采出水富含有结垢阳离子Ca2＋、 Ba2＋、 Sr2＋， 而侏罗系采出水SO42－、 HCO3－等结垢阴离子含量较高， 两者混合后会产生BaSO4、 CaCO3及SrCO3沉淀。 随着侏罗系采出水比例增大， 水中增加的SO42－、 HCO3－与致密油藏某层采出水中的Ba2＋、 Ca2＋结合， 使得BaSO4结垢量由135.7 mg／L 增至457.5 mg／L， CaCO3结垢量由173.4 mg／L 增至449.2 mg／L。 混合前致密油藏某层采出水BaSO4、 CaCO3结垢量分别为135.7、 173.4 mg／L， 依据SY／T 0600—2016《油田水结垢趋势预测方法》， 在30 ℃时， BaSO4结垢量大于0， 说明水质不稳定， 根据Ryznar 稳定指数法进行CaCO3结垢趋势预测， SAI 数值为5.34（SAI ＜6）， 有结垢趋势， 混合后合计结垢量大于混合前。因此， 致密油藏某层与侏罗系不配伍， 回注过程中势必因垢的累积而出现堵塞地层的问题。

2.2.2 致密油藏某层采出水与地下水配伍性分析

在温度为30 ℃， 压力为101.325 kPa 的条件下， 利用ScaleChem 软件模拟致密油藏某层采出水与地下水配伍性， 模拟结果见表3。

表3 致密油藏某层与地下水混合结垢类型及结垢量Tab. 3 Types and amount of scaling in mixture of produced water from a certain layer of tight reservoir and underground water

由表3 可以看出， 致密油藏某层采出水与地下水按不同体积比混合后， 主要结垢类型为BaSO4、CaCO3。 在致密油藏某层采出水与地下水的混合比例为6 ∶4 时， BaSO4结垢量达最大， 而后其结垢量逐渐降低， 这是因为地下水中不含有Ba2＋， 混合水样中Ba2＋随着地下水水量的增加而逐渐减少， 使得BaSO4结垢量逐渐降低。 而由于地下水中不含有结垢阴离子CO32－， 且HCO3－含量也比较低， CaCO3结垢量随着混合过程中地下水水量的增多而逐渐减小。 经过分析比较可知， 致密油藏某层采出水与地下水不配伍。

2.3 致密油藏某层采出水水质改性研究

基于以上分析可知， 致密油藏某层采出水与侏罗系采出水、 地下水均不配伍， 为减少设备、 管线、 地层堵塞， 必须经过改性处理达标后方可回注地层［5］。 致密油藏某层采出水水质改性思路是，将致密油藏某层采出水经Al2（SO4）3和Na2CO3混凝沉淀后， 降低水中成垢离子含量， 利用ScaleChem软件模拟改性效果。 混凝沉淀借助混凝剂对胶体粒子的静电中和、 吸附、 架桥等作用， 去除采出水中的悬浮物和不溶性污染物［6］， 因此考察沉淀剂Na2CO3投加量、 pH 值对改性结果的影响。

2.3.1 Na2CO3投加量对改性结果的影响

取100 mL 致密油藏某层采出水于250 mL 烧杯中， 搅拌条件下缓慢加入不同体积的110 mg／L Na2CO3溶液进行化学沉淀， 再缓慢加入1 mL 50 mg／L Al2（SO4）3溶液进行絮凝沉淀， 静置一段时间后真空抽滤， 测定滤液中Ca2+、 Mg2+含量， 试验结果见图4。

图4 Na2CO3 投加量对改性结果的影响Fig. 4 Effect of Na2CO3 dosage on modification results

从图4 可以看出， 随着沉淀剂Na2CO3投加量不断增加， CO32－与Ca2＋、 Mg2＋反应生成沉淀， 使得水样中Ca2＋、 Mg2＋浓度逐渐降低。 当Na2CO3投加量为2.3 mL， 其质量浓度为2.53 mg／L 时， 水样中Mg2＋浓度最低， 因此110 mg／L Na2CO3的最佳投加量为2.3 mL。

2.3.2 pH 值对改性结果的影响

取100 mL 致密油藏某层采出水在50 mg／L Al2（SO4）3溶液投加量为1 mL， 110 mg／L Na2CO3溶液投加量为2.3 mL， 对应两者的质量浓度分别为0.5、 2.53 mg／L 的条件下， 致密油藏某层采出水结垢离子含量大幅度降低， 改性后的致密油藏某层采出水与侏罗系采出水通过ScaleChem 软件配伍模拟结果见表4。 从表4 可以看出， 两者混合后结垢类型为SrCO3、 CaCO3， 对比表2 可知， 改性后消除了BaSO4结垢 类 型， SrCO3、 CaCO3结 垢 量 大 幅 度降低， 但改性后致密油藏某层采出水pH 值高达9.66， 较高的pH 值会对管道造成严重的腐蚀。

表4 改性后的致密油藏某层与侏罗系采出水混合结垢类型及结垢量Tab. 4 Types and amount of scaling in mixture of produced water from a certain layer of tight reservoir and Jurassic after modification

在模拟温度为30 ℃， 压力为101.325 kPa， 致密油藏某层采出水与侏罗系采出水的体积比为1 ∶1条件下， 调节改性后致密油藏某层采出水的pH值， 利用ScaleChem 软件模拟改性后致密油藏某层采出水与侏罗系采出水混合后的结垢情况， 模拟结果见图5。

由图5 可以看出， 随着pH 值的降低， SrCO3、CaCO3结垢量均逐渐减小， 这是因为在加入盐酸降低pH 值的过程中， 大量的CO32－转化为HCO3－， 使得水中沉淀转化为重碳酸盐。 因此， 改性最佳pH值为7.0。

图5 不同pH 值条件下的结垢趋势Fig. 5 Scaling tendency under different pH value conditions

2.3.3 改性后的致密油藏某层采出水与侏罗系采出水配伍性分析

温度为30 ℃， 压力为101.325 kPa， 改性后的致密油藏某层采出水与侏罗系采出水的pH 值为7.0， 在此条件下利用ScaleChem 软件进行模拟， 模拟结果见表5。

表5 改性后的致密油藏某层采出水与侏罗系采出水混合结垢类型及结垢量Tab. 5 Types and amount of scaling in mixture of produced water from a certain layer of tight reservoir and Jurassic after modification

比较表4（未调节pH 值）和表5（调节pH 值为7.0）可以看出， 调节pH 值后SrCO3、 CaCO3结垢量均降低， 在混合比例为1 ∶1 时， 合计结垢量由318.3 mg／L 降为156.2 mg／L， 降低率达50.9%， 达到了改性目的。

比较表3 和表5 可以看出， 致密油藏某层采出水与地下水在混合体积比为1 ∶1 时合计结垢量为492.1 mg／L， 而改性后的致密油藏某层采出水与侏罗系采出水相同体积比下的合计结垢量为156.2 mg／L， 由此可以说明， 改性后的致密油藏某层采出水与侏罗系采出水的配伍性优于致密油藏某层采出水与地下水的配伍性。

3 结论

致密油藏某层采出水结垢量大， 结垢类型为BaSO4、 CaCO3， 与侏罗系采出水和地下水混合形成的水样结垢量均较多， 配伍性差。 在Al2（SO4）3和Na2CO3溶 液 的 投 加 量 分 别 为0.5、 2.53 mg／L，pH 值为7.0 的改性条件下， 利用ScaleChem 软件模拟预测出： 改性后的致密油藏某层采出水与侏罗系系采出水的配伍性优于致密油藏某层采出水与地下水的配伍性。 该试验结果可为改性后致密油藏某层采出水代替地下水与侏罗系采出水进行混配回注提供参考， 为解决富余致密油藏某层采出水回注侏罗系地层驱油问题提供数据支撑。