采出水结垢机理及趋势预测研究

2021-10-13闫艳鱼涛李金灵陈磊屈撑囤杨博

装备环境工程 2021年9期

闫艳，鱼涛，李金灵，陈磊，屈撑囤,3，杨博

（1.西安石油大学 a.化学化工学院 b.陕西省油气田环境污染控制技术与储层保护重点实验室，西安 710065；2.陕西绿色能源有限公司，西安 710065；3.中国石油集团安全环保技术研究院石油石化污染物控制与处理国家重点实验室，北京 102206）

目前，我国大部分油田已进入以注水开发为主要技术的中后期阶段，为保持地层压力、提高油田采收率，需要从注水井注入大量清洁水，以驱动储层原油向采油井流动[1]。由于注入水离子组成与储层中的水存在一定差异，热力学条件发生变化，结垢问题频发，造成管道堵塞、腐蚀加剧，严重影响着油田的正常生产，且会因频繁酸洗、管线更换，加大生产成本[2]。同时，随着科学技术的发展，使采出水的结垢趋势预测、及时采取控垢和防垢措施更加可行[3]。因此，结合影响结垢的因素，研究采出水结垢机理，预测结垢的趋势，对油田生产开发具有十分重要的意义。

1 采出水结垢机理

油田采出水垢沉积物主要由碳酸盐、硫酸盐及铁、硅沉淀物等不溶性固体物质组成[4]，质地紧密，成分复杂，流体不配伍、热力学条件变化、结晶动力学、流体动力学及细菌腐蚀等多个因素与结垢状况密不可分。

1.1 流体不配伍型结垢

由于处理后的采出水和地层水所含离子存在一定差异，若二者不配伍，水样相遇时，会发生离子之间的反应而导致垢晶体产生，还有可能导致硫化物垢的沉积[5]。采出水中成垢阳离子主要有Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+等，阴离子有SO42-、CO32-、HCO3-等，成垢离子之间反应生成垢的主要成分有CaCO3、MgCO3、CaSO4、BaSO4、SrSO4等。常见的化学反应如下：M2++N2-→ MN↓（其中M2+可为Ba2+、Ca2+、Sr2+、Mg2+等，N2-可为SO42-、CO32-）、 Ca(HCO3)2→

1.2 热力学条件变化型结垢

油田采出水中成垢离子和无机垢浓度均处于一定的化学平衡状态。在采出水处理、集输及回注过程中，由于热力学条件改变，难溶物质所处的化学平衡状态被打破，垢晶体析出、成长并沉积，导致垢体生成。热力学因素对结垢的影响见表1。

表1 热力学因素对结垢的影响 Tab.1 Effect of scaling factors on Thermodynamics

1.3 结晶吸附型结垢

采出水结垢是一个混合结晶的复杂过程，其生成过程可分为以下几个阶段：1）过饱和状态的溶液中，难溶物质析出形成盐分子；2）析出的盐分子结合形成晶体；3）晶体逐渐长大、沉积，形成了可见垢层[12]。考虑采出水的结垢动力因素，可以从成垢离子的过饱和度、晶核形成速率及晶体累积速率等方面入手，分析引起垢晶体生成、沉积的主要因素。其中，成垢离子的过饱和度是推动垢体晶核形成及晶体沉积的主要力量[13]；毛糙的管壁表面和水中的杂质颗粒对结晶过程也有催化作用，在较低的溶液饱和度下，难溶盐类就会析出结晶[10,14]。

1.4 流体动力学型结垢

根据流体动力学理论可知，管道结垢与流体的流态、流速及流动环境的改变有一定关系。在流体流速较大的地方，其垢层厚度相对较小；而流速较慢的地方，垢层厚度则相对较大[15-16]。此外，流体流速和流向的突变也会增加结垢的趋势。

1.5 细菌腐蚀型结垢

地层及水中含有硫酸盐还原菌（SRB）、硫细菌及铁细菌（FB）等细菌。在油田开发过程中，细菌所处的环境发生变化，容易发生大量繁殖。其中，SRB的变化最为明显。SRB中的SO42-常存在于地层水中，但地层的高温高压环境不利于SRB的繁殖[17]。由于油田开采引起的地下环境变化，SRB迅速繁殖，加剧了井筒腐蚀，并导致腐蚀垢产生[18-19]。

2 采出水结垢趋势预测研究

结垢问题是当前影响油田生产开发的最大问题。只有做好采出水的结垢趋势预测，才能有效防垢、清垢。自20世纪30年代起，结垢趋势预测领域就得到了广泛研究，随着研究的越发深入，结垢预测方法也越来越成熟。

2.1 结垢趋势预测方法评价

油田上常用SY/T 5523—2016《油田水分析方法》（现行）、SY/T 5329—2012《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》（现行）和SY/T 0600—2016《油田水结垢趋势预测方法》（现行）进行采出水的离子测定、水质分析及结垢趋势预测。随着多年的科研研究和现场观测及应用，现行的较为成熟的结垢预测方法可分为以下几种。

1）碳酸钙结垢预测方法：Langlier饱和指数法[20]、Davis-Stiff饱和指数法[21-23]、Ryznar稳定指数法[24-25]等。

2）硫酸盐结垢预测方法：Skillman热力学溶解度法[26]等。

3）混合垢预测方法：Oddo-Tomson饱和指数法[27,28]、Oli ScaleChem结垢预测软件[29]等。

油田中常用结垢预测方法的优缺点见表2。

表2 结垢预测方法评价[30-31] Tab. 2 Evaluation of scaling prediction method[30-31]

各油田采出水的离子含量不同，垢成分也各有差异，但多为混合垢。在油田采出水结垢预测中，Oddo-Tomson饱和指数法结果较为准确，应用相对广泛。张益等[33]应用Oddo-Tomson饱和指数法预测华池油田的结垢以CaCO3垢为主。在井筒附近由于压力的降低可能形成垢，证明了该方法对油田无机结垢预测的可靠性。倪兵等[34]利用Oddo-Tomson饱和指数法预测了CaSO4在高盐度海水中的结垢趋势，发现在高盐海水中，在一定范围内，Mg2+浓度降低会加大金属表面CaSO4垢的形成，同时研究得到了Oddo- Tomson饱和指数法在高盐度海水中的适用范围。

此外，美国OLI公司提出的Scale Chem结垢预测软件也广泛应用于混合垢型的预测，其数据库十分庞大，基本可以模拟地层环境，较为准确地预测出采出水结垢种类、结垢趋势、结垢部位及结垢量[32]。严忠等[35]通过Scale Chem结垢预测软件推测出某油田的结垢部位主要在于井筒，根据软件的分析预测结果，对该油气田的注水水质要求提出了改进措施，保障油气田正常的生产作业。沙军等[36]使用Scale Chem软件对姬塬油田采出水混合结垢趋势进行了预测，为油田制定相关防垢举措提供了重要依据。

为保证预测结果的准确性，有时可以选择多种方法联用来预测结垢趋势。刘丽丽等[37]预测HS油田结垢趋势时，联用Davis-Stiff饱和指数法和Ryznar稳定指数法，推测该油田垢型主要以CaCO3垢为主，与实际基本一致。陈文莹[38]应用Davis-Stiff饱和指数法和Ryznar指数法，预测出在XX矿区的QL25井有CaCO3结垢趋势，进一步利用Oddo-Tomson饱和指数法及最大结垢量公式，推测注水管线各处均有结垢趋势，且在管道起点处有最大结垢位点。

除此之外，还有众多自主开发的软件及多种计算机算法也广泛应用于油田采出水结垢预测。贾红育开发了OFFCCSTP结垢预测软件[39]。西安石油大学石油工程系利用可视化语言C6Builder4.0和FORTRAN 9.0，混合编制了PIOS1.0无机垢预测软件[40]。BP人工神经网络[16,41]、FOA-SVM算法[42]等用于结垢预测领域也有较好的准确性。

2.2 采出水最大结垢量预测方程

罗明良等人[40]借助前人的研究经验，利用溶度积规则、离子缔合理论及多元非线性回归方法，结合多种结垢预测方法，推算出了碳酸钙和硫酸盐的结垢最大量预测方程，为阻垢剂的添加提供了定量指标。

1）最大CaCO3垢量预测方程：

式中：m1为Ca2+的初始浓度，mol/L；m2为CO32-的初始浓度，mol/L；M为CaCO3最大结垢预测量，mol/L；Ksp（ CaCO3）为CaCO3的溶度积常数。

2）最大硫酸盐垢量预测方程：

式中：ma、mb、mc、md分别为Ba2+、Sr2+、Ca2+、SO42-的初始浓度，mol/L；Δma、Δmb、Δmc分别为BaSO4、SrSO4、CaSO4的沉积量，mol/L；Ksp(BaSO4)、Ksp(SrSO4)、Ksp(CaSO4)分别为BaSO4、SrSO4、CaSO4的溶度积常数。