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中石油長慶油田分公司第十二采油廠，甘肅 慶陽 745400

目前，我國的大部分油田都已進入開發(fā)的中后期，普遍采用注水開發(fā)工藝來實現(xiàn)油田穩(wěn)產(chǎn)，因而對水資源的需求巨大[1～5]。在水資源匱乏的地區(qū)，注水開發(fā)時經(jīng)常將清水和污水混合作為注水使用[6]，但在注水開發(fā)的過程中通常存在著結垢的問題：結垢不僅會造成儲層堵塞，也會對采油管道和集輸管線造成不同程度的損害[7～9]。

1 研究方法

1.1 水樣離子與pH值分析

1.2 結垢量測定

將Z9Z、Z5水樣分別與N17-22、N20-18水樣按體積比0∶1、1∶4、2∶3、1∶1、3∶2、4∶1、1∶0的比例進行混合(注入水與地層地層水按比例混合總體積記為V(a∶b))，然后分別轉入玻璃瓶中密封，將其置于40℃的恒溫烘箱中，恒溫24h后過濾，并洗滌玻璃瓶和沉淀。最后將過濾膜和玻璃瓶烘干，測所產(chǎn)生垢的質量m(a∶b)。以W表征水樣配伍性，計算公式如下：

1.3 結垢趨勢預測

油田常見的垢有碳酸鈣垢、硫酸鈣垢、硫酸鋇垢、硫酸鍶垢。向地層注水后，不同的水樣混合會使水樣的離子組成、pH值等發(fā)生變化，其結垢狀況也會發(fā)生變化。因此，需要考慮不同比例下的結垢趨勢，設注入水與地層水的體積比為a∶b=0∶1、1∶4、2∶3、1∶1、3∶2、4∶1、1∶0。忽略水樣混合后由密度所造成的體積變化，混合后水樣中i離子組分的摩爾濃度Ci混計算公式為：

離子強度μ計算公式為：

式中：Ci注、Ci地分別為注入水樣、地層水樣中i離子組分的摩爾濃度，mol/L;Ci為水樣中i離子組分的摩爾濃度,mol/L;Zi為水樣中的i離子組分所帶電荷數(shù)，1。

現(xiàn)場實際地層溫度約40℃，故進行40℃時結垢趨勢預測。研究方法參照SY/T0600-2016油田水結垢趨勢預測方法[15]。

1.4 垢樣分析

收集不同水樣混合后產(chǎn)生的垢樣，用掃描電鏡觀察垢的形貌，并對微觀區(qū)域進行能譜分析，了解所產(chǎn)生的垢的微觀物理形貌及化學組成。

1.5 阻垢率計算

針對水樣結垢情況，選擇合適的阻垢劑，以水樣結垢量為指標考察防垢劑對水樣阻垢的性能。阻垢率計算如下:

式中：η為阻垢劑的阻垢率，%；ω0為未添加阻垢劑時水樣的結垢量，mg/L；ω1為添加阻垢劑后水樣的結垢量，mg/L。

2 水樣分析結果

水樣離子及pH值分析結果如表1。

表1 水樣離子及pH分析結果表

3 結垢趨勢預測結果

注入水與地層水不同比例混合后結垢趨勢預測如表2～9所示。

表2 Z9Z水樣與N17-22水樣混合后碳酸鈣結垢趨勢預測

注：K為修正系數(shù)，1；SI為飽和度指數(shù)，1。下同。

表3 Z9Z水樣與N20-18水樣混合后碳酸鈣結垢趨勢預測

表4 Z5水樣與N17-22水樣混合后碳酸鈣結垢趨勢預測

表5 Z5水樣與N20-18水樣混合后結碳酸鈣垢趨勢預測

3.1 碳酸鈣垢趨勢預測

1)Z9Z水樣與N17-22、N20-18水樣混合。表2結果顯示，Z9Z水樣與N17-22水樣混合后，隨著Z9Z水樣的比例增大，SI值逐漸減小，表明Z9Z水樣注入到N17-22結碳酸鈣垢的結垢趨勢會減小。表3結果顯示，Z9Z水樣與N20-18水樣混合，隨著Z9Z水樣的比例增大，SI值先增大后減小，在體積比4∶1時SI值達到最大。

2)Z5水樣與N17-22、N20-18水樣混合。表4結果顯示，Z5水樣與N17-22水樣混合后，隨著Z9Z水樣的比例增大，SI值逐漸減小。表明Z5水樣注入到N17-22后碳酸鈣垢的結垢趨勢會減小。表5結果顯示，Z5與N20-18以3∶2的比例混合時SI值最大，表明Z5水樣與N20-18水樣以3∶2混合后結碳酸鈣垢的趨勢最大。

3.2 硫酸鹽結垢趨勢預測

2)Z5水樣與N17-22、N20-18水樣混合。表8與表9的結果表明，Z5水樣與N17-22和N20-18水樣混合后均無硫酸鋇垢的結垢趨勢;Z5、N17-22和N20-18水樣本身均有硫酸鋇垢的結垢趨勢，Z5水樣與兩者混合后也有硫酸鋇垢的結垢趨勢;Z5水樣與N17-22以4∶1混合，與N20-18以3∶2混合有最大的硫酸鋇垢的結垢趨勢;Z5水樣自身有硫酸鍶垢的結垢趨勢，與N17-22和N20-18水樣混合后，隨著Z5水樣比例的增大，硫酸鍶垢的結垢趨勢也增大，但硫酸鍶垢的趨勢要小于Z9Z水樣與N17-22和N20-18水樣混合后硫酸鍶垢的結垢趨勢。

表6 Z9Z水樣與N17-22水樣混合后硫酸鹽結垢趨勢預測

表7 Z9Z水樣與N20-18水樣混合后硫酸鹽結垢趨勢預測

表8 Z5水樣與N17-22水樣混合后硫酸鹽結垢趨勢預測

表9 Z5水樣與N20-18水樣混合后硫酸鹽結垢趨勢預測

4 結垢量測定結果

圖1 Z9Z水樣與地層水混合后結垢量圖 圖2 Z5水樣與地層水混合后結垢量圖

5 垢樣分析結果

圖3 垢樣微觀形貌

結垢趨勢預測研究結果表明，注入水與地層水混合后可能會產(chǎn)生硫酸鋇垢、硫酸鍶垢和碳酸鈣垢，準確判斷結垢類型需對垢樣進行分析。采用MIRA3型場發(fā)射掃描電鏡(泰思肯貿(mào)易(上海)有限公司)進行垢樣微觀形態(tài)及能譜分析。將注入水與地層水混合后產(chǎn)生的垢樣收集進行微觀分析，垢樣微觀形貌如圖3所示。

觀察不同水樣所產(chǎn)生的垢樣，可發(fā)現(xiàn)垢樣主要有2種形態(tài)，分別為片狀堆積物和塊狀物，符合硫酸鋇垢、硫酸鍶垢和碳酸鈣垢的常見形貌，這與文獻[16]及文獻[17]研究一致。選擇不同水樣混合后的垢樣進行能譜分析(EDS)，結果如圖4所示，垢樣元素組成及質量分數(shù)如表10所示。測試結果表明，垢樣主要元素組成為Ca、Ba、Sr、S、C和O，進一步證實了垢樣主要成分為碳酸鈣、硫酸鋇、硫酸鍶。

圖4 垢樣EDS分析

混合水樣各元素質量分數(shù)/%CaMgBaSrCOSZ9Z∶N17-223.80037.2518.733.0323.7213.47Z9Z∶N20-182.68039.1315.912.8325.6113.84Z5 ∶N17-222.77039.0617.353.2325.3912.20Z5 ∶N20-183.01038.5916.353.0224.1814.85

6 水樣防垢

圖5 阻垢劑EDTMPS對水樣的阻垢率

以上研究表明，注入水與地層水混合后會有嚴重的結垢現(xiàn)象(混合型垢)，主要成分為硫酸鋇垢、硫酸鍶垢和碳酸鈣垢，在油田開采過程中會使儲層或輸水管道堵塞。因此，阻垢劑必須同時具有防硫酸鋇垢、硫酸鍶垢和碳酸鈣垢的能力。文獻研究表明，阻垢劑EDTMPS對硫酸鋇垢、硫酸鍶垢和碳酸鈣都具有較好的阻垢能力[18～20]，故選擇EDTMPS作為阻垢劑使用，其性能考察如圖5所示。

由圖5可知，EDTMPS對試驗水樣具有較好的阻垢性能，50mg/L時阻垢率均能達到90%以上，故現(xiàn)場可選擇EDTMPS進行防垢，最佳用量為50mg/L。

7 結論

1)Z9Z水樣與N17-22、N20-18水樣以1∶4混合后結垢量最大，Z5水樣與N17-22、N20-18水樣以3∶2混合后結垢量最大；Z5水樣與N17-22、N20-18水樣混合后的最大結垢量小于Z9Z水樣與N17-22、N20-18水樣混合后的最大結垢量，Z5水樣與地層水的配伍性好于Z9Z水樣。

2)Z9Z和Z5水樣與N17-22水樣混合后會降低碳酸鈣垢的結垢趨勢，與N20-18水樣混合后會增加碳酸鈣垢的結垢趨勢。Z9Z和Z5水樣與N17-22、N20-18水樣混合后均有硫酸鋇垢的結垢趨勢，大部分有硫酸鍶垢結垢趨勢，均無硫酸鈣垢結垢趨勢。垢樣分析表明，注入水與地層水混合后所結的垢為混合型垢，主要成分為硫酸鋇、硫酸鍶和碳酸鈣。

3)可選擇EDTMPS作為阻垢劑進行防垢，最佳用量為50mg/L，阻垢率能達到90%以上。