聚驱油田注入流体与地层水的配伍机制研究-以X油田为例

张丽平，孟祥海，王杏尊，刘长龙，袁 征，高 尚，杨红斌

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459； 2.中海油田服务股份有限公司，天津 300459； 3.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

当注入水和配伍性较差的地层水相遇时注入水和地层水之间、岩石和混合水之间逐渐建立一种新的化学平衡，在建立新的平衡过程中随着压力和温度的变化存在结垢的可能。刘津[1]、尹先清[2]以及程静波[3]等人的研究成果均表明，当油田注入水和地层水配伍性较差时极易发生结垢现象。为了研究注入流体与地层水的配伍机制，本文以X油田为例，借助室内实验详细研究了聚驱油田注入流体与地层水的配伍机制。

1 实验

1.1 材料与仪器

(1)实验材料：碳酸钠、氯化钠、硫酸钠、碳酸氢钠、氯化钙、六水合氯化镁、氯化钾，国药集团化学试剂有限公司；聚合物：APP4；去离子水，实验室自制。

(2)模拟注入水、地层水，离子含量如表1。

表1 注入水和地层水离子含量

1.2 实验方法

1.2.1 金属离子与聚合物配伍性[4-5]

a.用不同浓度无机盐溶液配制2000 mg/L聚合物溶液；b.将聚合物溶液密封，放置于恒温水浴中，观察聚合物絮凝情况；c.使用流变仪测量聚合物溶液黏度。

1.2.2 注入水与地层水的配伍性实验[6]

a.按照不同比例(1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1)配制地层水和注入水混合溶液，密封置于恒温水浴中；b.使用抽滤装置将烧杯中溶液用0.45 μm滤膜抽滤；c.将抽滤后的滤膜放置烘箱中烘干。无机垢生成量计算公式如下：

(1)

式中：m1为0.45 μm生物滤膜重量，g；m2为0.45 μm生物滤膜和无机垢的总重量，g；V为混合溶液体积，L；

1.2.3 注入流体与地层水的配伍性实验[6]

a.按一定体积比配制地层水与注入水混合溶液，并用混合溶液分别配制500，1000，1500，2000 mg/L的聚合物溶液；b.将聚合物溶液密封，置于恒温水浴中；c.称量絮凝沉淀质量。

2 结果与讨论

2.1 金属离子与聚合物配伍机制

2.1.1 Ca2+、Mg2+离子对聚合物黏度影响

用不同质量分数的CaCl2和MgCl2溶液配制2000 mg/L的聚合物溶液中，测量在储层温度条件下聚合物溶液的黏度，实验结果如图1所示。

图1 Ca2+、Mg2+离子浓度对聚合物黏度影响

由图1可知，随着Ca2+、Mg2+离子浓度增加聚合物黏度先快速降低后降趋于平缓。这是因为绥中36-1使用的聚合物为聚丙烯酰胺与疏水单体单元的阴离子共聚物，临近的阴离子基团之间存在静电斥力的作用形成网状结构。随着溶液中Ca2+、Mg2+浓度的增加，减弱了阴离子基团间的静电斥力，导致阴离子分子链发生卷曲，减弱了聚合物分子间的缔合作用导致聚合物黏度下降。

2.1.2 Ca2+离子浓度对水动力学直径影响

图2 不同Ca2+离子浓度下聚合物水动力学直径

由图2可知，随Ca2+离子浓度的增大，归一化权重分布函数分布峰右移。因为离子浓度较低时聚合物分子线团呈舒展状态，随着离子浓度升高聚合物分子线团收缩。因此，随着Ca2+离子浓度增加，聚合物水动力学直径增加，可包裹尺寸更大物质如注入水中固体悬浮物、注入水与地层水配伍性较差产生的无机垢、储层中的砂砾、胶质沥青质等造成储层堵塞。

2.2 注入水与地层水配伍机制

基于注入水及地层水水质分析，在注入水和地层水中含有一定量的结垢离子，随着注入水进入储层，改变储层原有温度、压力等条件，易形成无机垢。以沉淀法称量的无机垢生成量为基础分析地层水与注入水的配伍性，实验结果如图3所示。

由图3可知，不同比例的注入水和地层水混合溶液均出现无机垢沉淀。随注入量增加结垢量呈现先上升后下降的趋势。当地层水与注入水体积比为3∶7时无机垢结垢量最大为0.365 g/L。导致无机垢沉淀的原因有两个，一是化学组分不相溶的水互相混合形成难溶于水的无机物，当水溶液中无机物含量超过其溶解度会形成过饱和溶液，此时会有晶体析出，随着析出晶体的不断累积形成无机垢沉淀。二是由于注入水进入储层导致温度、压力等热力学条件改变，导致水中离子平衡发生变化，使成垢组分溶解度降低而析出无机垢沉淀。

图3 油田结垢量曲线

2.3 地层水与注入流体配伍机制

按地层水与注入水体积比为3∶7配制混合溶液，用混合溶液配制不同浓度的聚合物溶液，研究聚合物浓度对絮凝沉淀量的影响，实验结果如图4所示。

图4 聚合物浓度对絮凝的影响

从图4可知，随聚合物浓度的增大，絮凝沉淀质量越大。油田注入水与地层水配伍性较差，会产生无机垢沉淀。当注入流体与地层水相遇时，聚合物会包裹无机垢形成难以解除的絮凝沉淀。而随着聚合物浓度的不断提高，因注入水和地层水产生的无机垢被聚合物包裹，无机垢质量逐渐减少，因此随着聚合物浓度的增多，絮凝沉淀质量的增长速度逐渐减慢。

3 结论

(1)注入水中的二价阳离子主要为Mg2+和Ca2+。随着Mg2+和Ca2+离子浓度的升高，聚合物分子线团收缩越严重易形成包裹结构。

(2)当地层水与注入水体积比为3∶7时，生成无机垢结最大量为0.365 g/L，地层水与注入水配伍性较差生成无机垢是造成储层堵塞的原因之一。

(3)生成的絮凝沉淀物多为聚合物包裹无机垢，且絮凝沉淀的生成量与聚合物浓度呈正相关。因此，注入流体与地层水配伍性较差生成絮凝沉淀也是绥中36-1油田堵塞的原因之一。