南堡油田1-5区注水井结垢规律试验研究

(中石油冀东油田分公司南堡作业区，河北 唐山 063200) (油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学)，四川 成都 610500) (中石油冀东油田分公司南堡作业区，河北 唐山 063200)

随着油田开发的不断进行，开采油气所需要的天然能量不断衰竭。越来越多的油田通过注水的方式来使地面补充、恢复能量，从而保持油藏压力，以达到长期稳产、提高油气采收率的效果。然而，注水开发也带来了一系列的问题，其中结垢是最为严重的问题之一。垢主要是无机盐类，其中碳酸钙最为常见[1～4]。水垢的形成主要是由于溶液中大量的碳酸根离子和成垢阳离子超过其在水中的溶度积，将高浓度的盐水作注入水时会有很大的成垢风险[5,6]。其次，外界环境的变化也会导致结垢，如井筒中温度上升、地层高温、水体pH值上升等都会导致结垢[7～11]。为此，笔者对南堡油田1-5区注水井的结垢规律进行试验研究，分析其结垢机理，明确结垢的主控因素，旨在为预防和控制注水井结垢提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

药品：NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2·H2O、Na2CO3、Na2SO4、EDTA、氨-氯化铵缓冲剂(pH值=10.0)、铬黑T指示剂等，以上药品均为分析纯。

仪器：AA-7020型原子吸收分光光度计(北京东西分析仪器有限公司)、883型离子色谱仪(瑞士万通公司)、PARR 4584型高温高压反应釜(美国PARR公司)、DZKW-D-4型恒温水浴锅(江东精密仪器有限公司)、PHB-3型精密pH计(杭州奥利龙仪器有限公司)、电子天平、恒温烘箱、烧杯、量筒、容量瓶、锥形瓶、酸式滴定管等。

1.2 试验方法

先将一定量的注入水水样过滤后放入锥形瓶中，在恒温条件下静置24h，然后采用EDTA滴定法计算出结垢量。试验具体操作按照SY/T 5523—2016标准执行[12]。结垢量的计算公式如下：

(1)

式中：M为样本结垢量，mg/L；V0为所取样本体积，mL；V1为试验前滴定消耗的EDTA标准液体积，mL；V2为试验后滴定消耗的EDTA标准液体积，mL；c为EDTA标准液浓度，mol/L；N为碳酸钙相对原子质量，mg/mol。

2 水样离子与垢样成分

2.1 水样离子分析

表1 注入水离子分析表

2.2 垢样成分分析

从南堡油田1-5区井筒中取水垢样本，洗油烘干，将洗净的垢样进行X衍射(见图1)分析，垢样中无机物主要为方解石(98.98%)，另含有少量石英(1.02%)。和水样分析一致，进行注水开发时易形成CaCO3。图2是垢样的电镜扫描图片，可以看到CaCO3垢颗粒堆积紧密。

图1 南堡1-5区井筒垢样X衍射曲线 图2 垢样电镜图

3 正交试验研究

试验以注入水为研究对象，将注入水的温度、压力、含盐量(NaCl质量浓度)、钙离子质量浓度及pH值设置为试验因子，以24h后注入水水样最终结垢量为指标，建立5因素、4水平的正交表(见表2)。

正交试验各因素的极差(R)见表3，其排序为R(D)>R(E)>R(C)>R(A)>R(B)，即注入水中钙离子质量浓度大小是影响结垢的主要因素，其后依次是注入水的pH值、含盐量、温度，压力对结垢的影响最小。

表2 正交试验各因素水平值

表3 极差计算结果

表4 方差分析表

对各个因素进行方差分析，结果如表4所示。F比为效应项与误差项的比值，F比值越大代表该项处理的影响越明显。误差项是随机误差，误差值越小代表试验精度越高。从结果可以看出，只有因素D(钙离子质量浓度)的F比高于临界值(6.25)，说明钙离子质量浓度对结垢的影响较为显著，而其他因素影响并不显著。所以，在注水时控制注入水中钙离子质量浓度显得尤为重要。

4 单因素对结垢量的影响

4.1 温度

温度对结垢量的影响曲线见图3，可以看出，随着温度的升高，水样的结垢量逐渐增大。这一方面是由于温度会影响碳酸钙的溶解，碳酸钙在水中的溶解度随温度升高而下降，从而导致高温时会有更多的碳酸钙结晶析出；另一方面是由于介质中的结垢离子随温度增加，反应活性增强，离子反应加快，导致结垢速率加快。

4.2 含盐量

含盐量对结垢量的影响曲线见图4，可以看出，当含盐量为1000mg/L时，注入水的最终结垢量最大(248mg/L)，随着含盐量的增加，注入水的结垢量逐渐减少，即在高含盐量情况下可以抑制碳酸钙垢的生成。这是由于增加了水中非成垢离子质量浓度，对成垢离子的活动空间进行了限制，成垢离子难以相互碰撞结晶，使得成垢离子的活动性减弱，导致结垢速率降低。所以，应当保持注入水的含盐量在2000mg/L左右，能够有效预防碳酸钙结垢。

4.3 pH值

pH值对结垢量的影响曲线见图5，可以看出，pH值的增加使得水样的结垢量逐渐增加。当注入水的pH值较高时，注入水水样中大量的碳酸氢根离子会水解为碳酸根离子，这将有利于与钙离子结合生成碳酸钙，从而导致注入水结垢趋势增强。

4.4 钙离子质量浓度

钙离子质量浓度对结垢量的影响曲线见图6，可以看出，随着钙离子质量浓度的增加，注入水的结垢量近乎呈线性增加的变化规律。钙离子质量浓度的增加会导致结垢量的显著变化。这可以解释为南堡油田1-5区注入水中有足够量的碳酸氢根离子，钙离子质量浓度的增加会导致结垢反应一直向着正方向进行，使得结垢量大幅度增加。所以，对注入水中的成垢离子质量浓度加以控制可以降低注水井结垢趋势。

图3 温度对结垢量的影响曲线 图4 含盐量对结垢量的影响曲线

图5 pH值对结垢量的影响曲线 图6 钙离子质量浓度对结垢量的影响曲线

图7 压力对结垢量的影响曲线

4.5 压力

5 配伍性研究

表5 注入水与地层水混合的配伍性试验

在注水过程中产生无机沉淀的原因之一就是外来流体与地层流体不配伍而导致的结垢。将已过滤的注入水及地层水按体积比为1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1混合，分别在室温(20℃)和90℃的情况下静置4h，观察是否发生结垢。试验结果见表5，可以看出，南堡1-5区注入水与地层水在常温下配伍性好，无明显结垢现象；在温度为90℃条件下，注入水所占比例较大时会有少量沉淀生成，配伍性差。

6 结论

2)为确定各因素对结垢影响的主次顺序，设计了正交试验来进行分析。结果表明，注入水中钙离子质量浓度大小是影响注入水结垢的主要因素；其后依次是注入水pH值、含盐量、温度，压力对结垢的影响最小。对各个因素单独分析可知，温度的上升、pH值和钙离子质量浓度的增加都会导致注入水结垢趋势上升；而压力和含盐量的增加则会导致注入水结垢趋势下降。

3)注入水及地层水在高温条件下混合后有沉淀产生，配伍性差。

4)为了减缓注水井的结垢问题，需要对注入水水质进行控制，维持注入水中钙离子质量浓度在较低范围内。