Study on Scaling Law of Oilfield Produced Water with High Ca2+ and Ba2+

Kaiwen Liu, Fan Zhang, Yan Cheng, Xiangwei Li, Zhiying He, Lin LinJianghan Machinery Research Institute Limited Company of CNPC, Wuhan Hubei

2Xi'an Changqing Technology Engineering Co., Ltd., Xi'an Shaanxi

3China Liaohe Petroleum Engineering Co.Ltd., Panjin Liaoning

Abstract

Keywords

1.引言

由于油田采出水回注不配伍問題，導(dǎo)致地面和地下油氣生產(chǎn)設(shè)備結(jié)垢，已成為一個(gè)重要的操作問題，也成為在注入井或生產(chǎn)井中造成地層傷害的主要原因[1][2]，并最終影響油田的開發(fā)效果和經(jīng)濟(jì)效益。注水結(jié)垢問題在我國(guó)廣泛存在[3][4][5]，因此要認(rèn)真對(duì)待采出水的配伍性問題，以避免結(jié)垢造成生產(chǎn)損失。回注水結(jié)垢的種類很多，早期研究重點(diǎn)是CaCO3結(jié)垢[6][7]，近年來BaSO4結(jié)垢問題也得到廣泛研究重視[8][9]。研究發(fā)現(xiàn)注水組成、溫度與pH值是影響配伍結(jié)垢的最重要因素[10]-[15]。由于碳酸鹽結(jié)垢與硫酸鹽結(jié)垢同時(shí)存在，針對(duì)長(zhǎng)慶油田2種不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的油田采出水，進(jìn)行不同溫度與pH值條件下的配伍試驗(yàn)研究，重點(diǎn)考察配伍條件對(duì)總結(jié)垢量、CaCO3結(jié)垢、BaSO4結(jié)垢的影響，為油田采出水回注及阻垢劑添加提供技術(shù)支撐。

2.試驗(yàn)材料與方法

2.1.試驗(yàn)材料

長(zhǎng)慶油田胡四聯(lián)合站(A)油田采出水、胡十二接轉(zhuǎn)站(B)采出水；HCl、NaOH，分析純；中速定性濾紙；0.25 μm醋酸纖維濾膜。

2.2.試驗(yàn)方法

現(xiàn)場(chǎng)取A、B水樣后密封保存，水樣靜置，取上清液，用濾紙過濾去除漂浮物。按不同體積比(1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2、9:1)在玻璃錐形瓶中混合，混合后的水樣用膠紙封口，分別在25℃ (模擬地表環(huán)境)和60℃ (模擬實(shí)際油藏溫度)溫度下靜置24 h，肉眼觀察水樣混配前后的結(jié)垢變化，用濾膜過濾分離結(jié)垢與上清液，采用重量測(cè)量法測(cè)量總結(jié)垢重量，上清液采用濃度計(jì)算法測(cè)定剩余結(jié)垢離子組成。

3.試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1.水質(zhì)組成

水樣中所有陽離子按照ISO/TC147標(biāo)準(zhǔn)，采用ICP-AES法[16]測(cè)量。Cl?質(zhì)量濃度采用離子色譜法測(cè)量，質(zhì)量濃度按照HJ/T 342—2007標(biāo)準(zhǔn)采用鉻酸鋇分光光度法[16]測(cè)量，質(zhì)量濃度按照DZ/T 0064—1993標(biāo)準(zhǔn)采用自動(dòng)電位滴定法測(cè)量，質(zhì)量濃度根據(jù)碳酸鹽電離平衡計(jì)算；礦化度按照SL79—1994標(biāo)準(zhǔn)，采用重量法[16]測(cè)量。水質(zhì)測(cè)量結(jié)果見表1。

Table 1.The results of water quality analysis of two water samples表1.兩種水樣的水質(zhì)分析結(jié)果

兩種水樣均有很高的礦化度，水樣A中金屬陽離子質(zhì)量濃度高，含少量碳酸根陰離子，顯示為富含結(jié)垢陽離子的堿土氯化物型溶液；水樣 B中陽離子較少，而富含大量硫酸根、碳酸(氫)根等陰離子，顯示為富含結(jié)垢陰離子的鈉鹽溶液。因此對(duì)兩種水樣進(jìn)行配伍試驗(yàn)，重點(diǎn)考察不同配比的結(jié)垢量與上清液組成變化規(guī)律。

3.2.25℃時(shí)的配伍試驗(yàn)

當(dāng)A、B水樣體積比在3:7～8:2之間時(shí)，結(jié)垢非常嚴(yán)重。通過重量法測(cè)得總結(jié)垢量見圖1。該組試驗(yàn)pH值范圍在7～8之間，因此Mg2+不會(huì)形成沉淀，其他幾種結(jié)垢離子測(cè)量結(jié)果見圖2，再結(jié)合表1數(shù)據(jù)，通過物料平衡計(jì)算得到CaCO3、BaSO4結(jié)垢量。

由圖1可見，在體積比為4:6～8:2范圍內(nèi)，總結(jié)垢量處于高位區(qū)域，該區(qū)域與BaSO4結(jié)垢的高位區(qū)域比較一致，在常溫下，BaSO4結(jié)垢對(duì)總體結(jié)垢產(chǎn)生重要影響。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，CaCO3結(jié)垢的分布趨勢(shì)與總結(jié)垢分布趨勢(shì)完全不同，說明常溫下CaCO3結(jié)垢不是主導(dǎo)結(jié)垢趨勢(shì)分布的主要因素。

從圖2的上清液中結(jié)垢離子質(zhì)量濃度變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著配比右移，結(jié)垢陽離子質(zhì)量濃度逐漸增加，而結(jié)垢陰離子質(zhì)量濃度逐漸減小。結(jié)垢陽離子中 Ca2+的質(zhì)量濃度最大，結(jié)垢陰離子中的質(zhì)量濃度明顯超過，兩種離子將是構(gòu)成CaCO3結(jié)垢的潛在因素。

Figure 1.The scaling capacity of compatibility at 25?C圖1.25℃時(shí)配伍的結(jié)垢量情況

Figure 2.The changes of ion concentration in supernatant of compatibility at 25?C圖2.25℃時(shí)配伍的上清液結(jié)垢離子質(zhì)量濃度變化

3.3.60℃的配伍試驗(yàn)

圖3中在水樣A、B體積比為2:8～6:4區(qū)域，總結(jié)垢量處于高位區(qū)域，對(duì)比25℃時(shí)結(jié)垢增加20%以上。該分布趨勢(shì)與圖1趨勢(shì)有很大不同，總結(jié)垢量趨勢(shì)與CaCO3結(jié)垢量趨勢(shì)比較一致，而受BaSO4結(jié)垢量分布影響明顯變小。與圖1相比較，BaSO4結(jié)垢量為400 mg左右，而CaCO3結(jié)垢的最大數(shù)值從400 mg/L以下提高到1000 mg/L以上，說明60℃結(jié)垢的主要貢獻(xiàn)來自CaCO3結(jié)垢。

將圖4中的60℃配伍上清液結(jié)垢離子質(zhì)量濃度分布與圖2比較，變化趨勢(shì)有一致性，即隨著配比右移，結(jié)垢陽離子質(zhì)量濃度逐漸增加，而結(jié)垢陰離子質(zhì)量濃度逐漸減小，結(jié)垢陽離子中 Ca2+的質(zhì)量濃度最大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量濃度不再突出，說明CaCO3結(jié)垢消耗了大量。

3.4.pH值對(duì)結(jié)垢的影響

Figure 3.The scaling capacity of compatibility at 60?C圖3.60℃時(shí)配伍的結(jié)垢量情況

Figure 4.Changes of ion concentration in supernatant of compatibility in 60?C圖4.60℃時(shí)配伍上清液結(jié)垢離子質(zhì)量濃度變化

Figure 5.The scaling of compatibility solution with different pH values圖5.不同pH值配伍液的結(jié)垢量

在水樣A、B體積比為5:5的水樣中定量加入NaOH溶液，測(cè)定配伍的結(jié)垢生成量。圖5為重量法測(cè)定總結(jié)垢量與pH值的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。曲線明顯可分為3段，第1段為結(jié)垢量1000 mg/L左右的緩慢上升區(qū)，到pH值為7.5時(shí)結(jié)束，對(duì)應(yīng)著BaSO4與CaCO3結(jié)垢區(qū)域；第2段為階躍到結(jié)垢量2500～3300 mg/L左右的緩慢上升區(qū)域，由于pH值的上升，逐漸解離為，導(dǎo)致CaCO3與SrCO3競(jìng)爭(zhēng)沉淀成為主力；繼續(xù)升高pH值，當(dāng)pH值為10.2左右出現(xiàn)結(jié)垢量階躍進(jìn)入第3段，該區(qū)域?qū)?yīng)著Mg(OH)2沉淀的發(fā)生。該結(jié)果啟示在實(shí)際運(yùn)行中，為避免過多結(jié)垢量的產(chǎn)生，應(yīng)該控制各配伍水的pH值不超過7.5。

4.結(jié)語

兩種水樣嚴(yán)重不相容，25℃結(jié)垢偏向于BaSO4主導(dǎo)，60℃結(jié)垢偏向于CaCO3主導(dǎo)。60℃組的結(jié)垢量比25℃組的約增加20%，增加量的主要貢獻(xiàn)是CaCO3結(jié)垢。pH值上升使結(jié)垢量成倍增加，當(dāng)pH值上升到10.2以上時(shí)，導(dǎo)致Mg(OH)2結(jié)垢生成。為避免過多結(jié)垢量的產(chǎn)生，應(yīng)該控制各配伍水的pH值不超過7.5。