中东M油田高矿化度地层水结垢趋势预测与防垢实验研究*

刘书杰邢希金林科雄

(1.中国石油大学(北京); 2.中海油研究总院; 3.荆州市汉科新技术研究所)

中东M油田高矿化度地层水结垢趋势预测与防垢实验研究*

刘书杰1,2邢希金2林科雄3

(1.中国石油大学(北京); 2.中海油研究总院; 3.荆州市汉科新技术研究所)

选取中东M油田Asmari和Mishrif灰岩储层高矿化度地层水为研究对象,通过水质分析和结垢趋势预测,考察了该油田高矿化度地层水结垢特性。通过室内防垢实验,开展了化学防垢剂优选和金属防垢器防垢效果评价,结果表明,将优选的硫酸钙防垢剂ZT-16与碳酸钙防垢剂ZT-00按照不同比例复配后形成的复合防垢剂HSI适合于M油田高矿化度地层水防垢,这种复合防垢剂与金属防垢器联合使用不仅可以取得良好的防垢效果,而且能够有效降低化学防垢剂用量,从而达到控制注入成本的目标。上述研究成果对高矿化度油田地层水结垢预测与防垢具有借鉴意义。

中东油田;高矿化度;结垢趋势预测;复合防垢剂HSI;金属防垢器;联合防垢

0 引言

在油田注水开发过程中,结垢可以发生在从地层到地面管网的各个部位,进而堵塞地层基岩或裂缝、井筒以及生产装置等,从而增加流体的流动阻力,延长停产检修时间,引起管线的局部腐蚀;与此同时,结垢产物也增加了注入水对油层的损害程度,给油田生产作业带来了极大的危害[1-2]。因此,研究油田现场地层水和注入水水质特征,并对油田水进行结垢预测,将会对油田注水开发起到极其重要的作用。

中东M油田主要开发Asmari和Mishrif两套储层,储层岩性为典型的孔隙型碳酸盐岩。Asmari储层埋深约在3000m,地层温度为95℃,地层压力为28 MPa,为正常温压系统;Mishrif储层埋深约为4000m,地层温度为120℃,地层压力为38 MPa,为正常温压系统。受碳酸盐岩地层形成过程中蒸发作用的影响,该油田碳酸盐岩地层水多表现出高矿化度特征,地层水矿化度约230000mg/L,如此高矿化度油田产出水在中东乃至世界范围内较为少见,如何防垢也无类似矿场经验可借鉴。笔者以中东M油田地层水为研究对象,预测该油田地层水和注入水的结垢趋势,提出防垢方法,以期对该油田及类似高矿化度油田高效开发起到指导意义。

1 地层水组成

M油田高矿化度地层水离子组成详见表1。从表1可以看出,该油田地层水含有大量成垢阳离子Ca2+、Mg2+和成垢阴离子HCO3-、SO42-,同时还含有微量Sr2+。由于MgSO4是溶于水的,从地层水离子类型分析来看,该油田成垢类型可能为碳酸钙、硫酸锶、硫酸钙等。

表1 中东M油田地层水离子组成

2 结垢趋势预测

为确保研究的标准性,利用石油行业标准的SI饱和指数和Scalechem V4.0商业软件对M油田高矿化度地层水的结垢类型与结垢量进行预测。

2.1 SI指数预测结果

根据石油行业标准《SY/T0600—2009油田水结垢趋势预测》[3],预测方法采用其中的Davis-Stiff饱和指数法,该方法主要考虑系统中的热力学条件。饱和指数定义如下式[4-5]:

式中:SI为饱和指数;Ip为实际溶液的离子积;Ksp为溶度积平衡常数。

根据饱和指数SI的大小可预测产生沉淀可能性的大小,即SI值越大,产生垢沉淀的可能性也越大。若SI＜0,溶液未饱和,不结垢;若SI=0,溶液饱和,平衡状态;若SI＞0,溶液过饱和,结垢。

根据以上理论,对M油田Asmari和Mishrif地层水的结垢趋势进行预测,结果见表2。从表2数据可以看出,该油田地层水在井筒中SI预测指数除Mishrif地层水在50℃时小于0,不结硫酸钙垢,其余SI预测指数均大于0,结硫酸钙垢和碳酸钙垢的趋势明显,并且随着温度的升高结垢趋势越明显。

表2 中东M油田地层水结碳酸钙垢和硫酸钙垢预测结果

图1 中东M油田Asmari储层地层水结垢量预测结果

图2 中东M油田Mishrif储层地层水结垢预测结果

2.2 软件预测结果

ScaleChem软件最初是由美国OLI公司与壳牌石油公司共同开发,是由生产技术专家(工程师和科学家)共同开发的一套垢化学分析系统,它可以预测多达54种矿物的结垢可能性和结垢趋势,囊括了世界上任何油、气产层和处理设施中可能发生的结垢反应。ScaleChem软件可预测315.6℃、151.7 MPa和700000mg/L的高温、高压、高浓度系统。

笔者利用ScaleChem V4.0软件计算了M油田含伴生天然气的地层水从井底到地面的结垢特征,如图1、2所示。从图1、2可以看出,M油田地层水从油藏到地面过程中(降温)都具有结碳酸钙垢和硫酸钙垢的趋势;Asmari储层地层水在地层温度压力条件下结碳酸钙垢量在200 mg/L左右,结硫酸钙垢量在600 mg/L左右;Mishrif储层地层水由于受地层伴生天然气中二氧化碳含量较高的影响,结垢量更大,碳酸钙垢量达到440 mg/L左右,硫酸钙垢量达到1327mg/L左右。

从M油田地层水结垢趋势预测结果来看,该油田地层水结碳酸钙垢和硫酸钙垢趋势明显,且结垢量大,总结垢量可达1700mg/L以上,对油田开采和后期以地层水作为注入水的防垢工作带来很大压力。

3 防垢实验研究

通过M油田地层水结垢预测可以看出,该油田地层水主要可能结硫酸钙垢和碳酸钙垢,且结垢量较大。针对该油田的结垢类型和结垢特征,室内主要对化学防垢技术进行研究,优选适合于该油田地层水的化学防垢剂,并对金属防垢器的作用效果进行评价。

3.1 防垢实验方法

防垢剂防垢性能评价参照石油天然气行业标准《SY/T5673—93油田用防垢剂性能评价方法》[6],采用成垢离子测定法。

防垢性能用防垢率表征,其百分数越大,防垢性能越好。防垢率按下式计算:

式中:V0为加热前测定混合水总Ca2+、Mg2+耗用EDTA(乙二胺四乙酸化学简称)体积,m L;V1为未加防垢剂时水样加热后总Ca2+、Mg2+耗用EDTA体积,m L;V2为加有防垢剂的水样加热后总Ca2+、Mg2+耗用EDTA体积,m L。

3.2 防垢剂优选

单剂选择以防垢率大于95%作为评判标准,对多种硫酸钙防垢剂进行筛选实验,通过防垢剂的用量和防垢率的关系选出最佳的防垢剂,实验结果见表3。由表3可知,防垢剂ZT-16抑制硫酸钙垢的效果最好,当加量达到25 mg/L时,防垢率已大于96%。

表3 多种防垢剂抑制硫酸钙垢效果评价

同时,对渤海油田广泛应用的碳酸钙防垢剂ZT-00也进行了评价,结果见表4。由表4可知,防垢剂ZT-00加量为15 mg/L时,防垢率已大于95%。

利用优选的硫酸钙防垢剂ZT-16与碳酸钙防垢剂ZT-00,按照不同比例进行复配后对M油田注入水进行防垢效果评价,最后研制出了适合于该油田地层水防垢的复合防垢剂HSI[7],并对其性能进行了评价,结果见表5。由表5可知,在复合防垢剂HSI加量为40 mg/L时,对M油田地层水防垢率已大于96%,可以满足油田高矿化度地层水作为注入水的防垢要求需要。但是,高矿化度地层水所需防垢剂加量大,长期注入成本高,因此可与其他防垢方法联合使用以降低加药量,控制成本。

表4 ZT-00防垢剂抑制碳酸钙垢效果评价

表5 复合防垢剂HSI加量对M油田地层水防垢效果评价

3.3 金属防垢器防垢效果评价

金属防垢器是借助于材质中含有铜、锌、镍等不同金属成分形成一种特殊的电化学催化体,利用合金中元素的电负性比液相低的特点,使流体产生极化效应,从而使流体中垢样颗粒受其作用始终处于悬浮状态和溶解状态,防止其增大积聚。金属防垢器作为一种有效的防垢手段在油田生产中已经得到广泛使用。

笔者利用M油田高矿化度地层水,对金属防垢器的实际防垢效果进行了静态实验评价和动态实验评价,以考察金属防垢器在该油田的适用性,实验中以渤海海水作为对比样进行评价。其中,动态评价实验中采用M油田实际流体温度、流速(根据油田产量反算得到),由于压力对结垢影响较小,实验是在常压下进行。

1)静态实验评价。把金属防垢器放置在装有水样的大量筒中,放入80℃烘箱中,不同时间后取出,倒出量筒中水样并过滤,测定水样的成垢量和钙镁损失率,以此评价金属防垢器的静态防垢效果,结果见表6。从表6可以看出:在静态条件下,对于低矿化度盐水(如渤海海水,其矿化度为30000mg/L左右),金属防垢器的防垢效果较好,能够达到72.25%;但对于M油田高矿化度地层水,金属防垢器防垢效果不太明显,防垢率仅为50%左右。

2)动态实验评价。参考文献[8]油田结垢及防垢动态评价方法。把金属防垢器放置在不锈钢管中,利用大排量平流泵连接成循环回路,将回路整体放入80℃烘箱中,以30 m L/min流速循环,不同时间取样测试水样中钙镁损失率,以此评价金属防垢器的动态防垢效果,结果见表7。从表7可以看出,金属防垢器在M油田高矿化度地层水中动态防垢率也在50%左右,在低矿化度盐水(如渤海海水)中动态防垢率能达到85%以上。

表6 金属防垢器静态防垢效果评价

表7 金属防垢器动态防垢效果评价

3.4 联合防垢效果评价

上述静态实验评价与动态实验评价结果显示,单独采用金属防垢器对于M油田高矿化度地层水的防垢效果均不太明显。为此,开展了金属防垢器与化学防垢剂HSI联合防垢效果评价,结果见表8、9。从表8、9可以看出,金属防垢器与化学防垢剂HSI复合使用,在高矿化度地层水中具有良好的防垢效果,同时可以降低化学防垢剂的用量,从而达到控制成本的目标。

表8 金属防垢器和防垢剂HSI联合静态防垢效果评价

表9 金属防垢器和防垢剂HSI联合动态防垢效果评价

4 结论

1)行业标准饱和指数法和商业软件预测表明,中东M油田高矿化度地层水结碳酸钙垢和硫酸钙垢趋势明显,结垢量大,井筒环境下碳酸钙最高结垢量440 mg/L,硫酸钙最高结垢量1 327 mg/L。

2)防垢剂筛选评价结果表明,复合防垢剂HSI的性能能够满足中东M油田高矿化度地层水的防垢要求,加量为40 mg/L时,对该油田地层水防垢率大于96%。

3)对于M油田高矿化度地层水,单独采用金属防垢器的防垢效果不是很理想,但金属防垢器与化学防垢剂联合使用可以取得良好的防垢效果,同时可有效降低化学防垢剂的用量,从而达到控制注入成本的目标。

[1] 张鸿勋,张祺.采油工艺原理[M].北京:石油工业出版社,1994.

[2] 朱义吾,赵作滋,巨全义,等.油田开发中的结垢机理及其防治技术[M].西安:陕西科学技术出版社,1995.

[3] 国家能源局.SY/T0600—2009油田水结垢趋势预测[S].北京:石油工业出版社,2010.

[4] 俞进桥,张继超.用Oddo-Tomson饱和指数法预测油井结垢[J].油气采收率技术,1999,6(1):79-86.

[5] 舒福昌,余维初,梅平.宝浪油田注水结垢趋势预测及试验验证[J].江汉石油学院学报,2000,22(3):87-89.

[6] 中国石油天然气总公司.SY/T5673—93油田用防垢剂性能评价方法[S].北京:石油工业出版社,1994.

[7] 刘振法,吴运娟,寇建朝,等.环保型阻垢剂聚天冬氨酸的研制[J].河北省科学院学报,2002,19(3):186-188.

[8] 王世强,王笑菡,王勇.油田结垢及防垢动态评价方法的应用研究[J].中国海上油气(工程),1997,9(1):39-48.

(编辑:孙丰成)

Study on scaling tendency prediction and anti-scaling experiment for high salinity formation water of M oilfield in the Middle East

Liu Shujie1,2Xing Xijin2Lin Kexiong3

(1.China University of Petroleum,Beijing,102249; 2.CNOOCResearch Institute,Beijing,100027;3.Jingzhou HANC New Technology Institute,Hubei,434000)

The high salinity formation water in Asmari and Mishrif limestone reservoirs of M oilfield

in the Middle East is used for this study.The scaling characteristics of high salinity formation water have been studied by analyzing water quality and predicting scaling tendency.The optimization of chemical anti-scaling agent and effect evaluation of metal antiscaling device have been carried out through indoor anti-scaling experiments.The results show that the compound anti-scaling agent HSI formed by mixing the optimized Calcium sulphate anti-scaling agent ZT-16 with calcium carbonate anti-scaling agent ZT-00 in varying proportions could satisfy the anti-scaling requirements of high salinity formation water in the M oilfield.This compound anti-scaling agent combined with metal anti-scaling device could not only have an excellent anti-scaling effect,but also significantly reduce the dosage of chemical anti-scaling agent.These findings have the reference significance to the scaling prediction and anti-scaling of high salinity formation water.

Middle East oilfield;high salinity;scaling tendency prediction;compound anti-scaling agent HSI;metal anti-scaling device;associated anti-scaling

2014-02-27改回日期:2014-03-06

*“十二五”国家科技重大专项子课题“深水油田采油模式及增产技术研究(编号:2011ZX05030-005-08)”部分研究成果。

刘书杰,男,教授级高级工程师,中国海洋石油总公司钻完井专家,现主要从事海洋石油钻完井方面的设计研究工作。地址:北京市东城区东直门外小街6号海油大厦(邮编:100027)。