林湾油区清污混注水体结垢机理及防治方法研究

张旭，王旭，贺斌，郝志莲，吴海，谢志海，张伟东

(1.延长油田股份有限公司靖边采油厂，陕西 榆林 718500；2.西北大学 化学与材料科学学院，陕西 西安 710069)

林湾油区是靖边采油厂的一个示范区，油层为长4+5，采取清污混注的注水开发方式，出现注水管线结垢、注入压力升高、注水见效慢等问题，严重影响油田开发效果和生产成本的有效控制[1-2]。分析油区的清水、产出水成分，预测结垢趋势，分析水垢样品的物性，详细探讨了油区注水系统的结垢机理，提出了应对措施。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验用水，取自油区注水站的清水和采出水。

7900电感耦合等离子体质谱仪；D8 ADVANCE X射线粉末衍射仪。

1.2 水质分析

水质分析按照行业标准SY/T 5523—2006《油气田水分析方法》，水样先用定性滤纸过滤，再用 0.45 μm 滤膜过滤，分别测定清水和地层水的离子含量；Sr2+、Ba2+采用电感耦合等离子体质谱仪测定。

1.3 结垢趋势预测

依据SY/T 0600—2009《油田水结垢趋势预测》标准，选择Davis-Stiff 饱和指数法和 Rynar 稳定指数法进行碳酸钙结垢趋势预测，同时按照标准方法对硫酸钡锶结垢趋势进行预测。

2 结果与讨论

2.1 注入水水质分析

按照石油天然气行业标准采集清水(水源井)和采出水水样，进行化学分析，结果见表1。

表1 注入水分析结果Table 1 Analysis results of injected water

2.2 结垢趋势预测

2.2.1 碳酸钙结垢趋势预测 依据水质分析结果，将采出水(污水)与清水按不同比例混合，在地层温度和压力(40 ℃，18 MPa)下，对林湾油区的碳酸钙结垢趋势进行了预测，结果见表2。

表2 注入水碳酸钙结垢趋势预测结果Table 2 The scaling tendency of calcium carbonate of injected water

由表2可知，两个注水站的污水与清水不管以什么比例混合，饱和指数SI均大于0；稳定指数SAI处在5～6之间，两种方法的预测结果均表明，油区清水与地层水之间配伍性差，有碳酸钙结垢趋势。

[Sr2+]——Sr2+的浓度，mol/L；

结果判定：Q/Ksp>1.0，有结垢趋势；Q/Ksp= 1.0，临界状态；Q/Ksp<1.0，无结垢趋势。油区的清水与地层水混合的硫酸锶结垢趋势预测结果见表3。

表3 注入水硫酸锶结垢趋势预测结果Table 3 The scaling tendency of strontium sulfate of injected water

由表3可知，结垢趋势严重。

2.2.3 硫酸钡结垢量的确定 部颁标准SY/T 0600—2016《油田水结垢趋势预测》中硫酸钡结垢量的确定式为：

式中B——水质稳定后水中硫酸钡的结垢量，mol/L；

Ksp——硫酸钡的溶度积，1.1×10-10。

结果判定：B≤ 0时，水质稳定不结垢；B>0时，水质不稳定，有硫酸钡垢产生，其正值越大，结垢越严重。林湾油区清水与地层水混合后硫酸钡垢的结垢预测结果见表4。

表4 注入水硫酸钡结垢趋势预测结果Table 4 The scaling tendency of barium sulfate of injected water

由表4可知，这两种水不配伍，有形成硫酸钡垢的趋势。

2.3 水垢分析

林湾油区注水系统结垢较为严重，收集了具有代表性的水垢样品，通过X射线粉末衍射仪(XRD)进行物性分析，结果见图1。

图1 注水管和流量计中水垢样品XRD图Fig.1 XRD patterns of scale sample in pipes and flow meter

由图1可知，示范区注水系统的水垢，无论哪个部位，均为硫酸钡锶垢与碳酸钙垢的混合物，且以硫酸钡锶垢为主。

2.4 结垢机理探讨

在油田注水开发过程中，经常将清水或处理后的采出水回注到储层中，当两种水质不配伍时，就会产生水垢。水垢沉积是溶质从过饱和溶液中结晶析出、聚集并沉淀的过程。

水是否结垢主要决定于水中难溶盐的离子积，当离子积小或等于难溶盐的溶度积时，它们将以离子状态存在于水中，无水垢生成，水质稳定；一旦难溶盐的离子积大于其溶度积时，就会从溶液中结晶析出，形成晶体水垢。

碳酸钙和硫酸盐垢的形成机理为[3]：

BaSO4(SrSO4)↓

2.5 硫酸钡锶垢的预防方法

林湾油区各站注入污水和清水是一套管线，注入方式是混注，即污水注完后用清水补充，这样在管线中污水与清水交界处存在一段扩散层段，在这个扩散层段成垢性阴阳离子浓度相对较高，很容易产生水垢；水中的微小悬浮物具有晶种的作用，诱发水垢的形成，相互影响，最终形成水垢而沉积在管道中。

国内外油田化学工作者采取不同的清防垢技术解决碳酸盐垢的沉积，取得了很好的效果[5]。但硫酸钡锶垢用一般方法很难清除，危害很大，其防治已成为油田防垢的技术难点[6]。油田常用聚合物型、膦酸型、羧酸型、膦酸-羧酸型和混合型等防垢剂对油井、管网进行治理，但油藏情况差异很大，防治效果不理想。

随着技术的不断进步，新型分离技术的不断产生，其中利用特种膜或阴离子交换树脂去除油田污水中成垢离子的方法，解决了油田在注水开发中管线、设备及地层存在的结垢问题，处理后水质达到油田回注要求，但一次性投资大，运行维护成本高。

3 结论

(1)林湾油区地层水为CaCl2型，属于原生地层水，表明油藏油气保存条件较好；地层水中含有成垢性阳离子Ca2+、Sr2+、Ba2+。

(2)林湾油区的清水和地层水不配伍，注入水和地层水混合后，存在碳酸钙结垢趋势，且硫酸钡锶结垢趋势严重。

(3)油区注水系统结垢较为严重，水垢样品分析结果与结垢趋势预测结果相一致，以硫酸钡锶为主，混有少量碳酸钙垢。

(4)讨论了水垢形成机理，提出了预防硫酸钡锶垢的方法。