油气田采出水配伍性评价实验影响因素研究现状

张瑶，刘壮，陈星，钟伟，马云

1.西安石油大学 陕西省油气田特种增产技术重点实验室（陕西 西安 710065）2.西部低渗-特低渗油藏开发与治理教育部工程研究中心（陕西 西安 710065）3.中国石油长庆油田分公司第一采气厂采气工艺研究所（陕西 靖边 718500）

0 引言

随着油田开发进入中后期，多层系混合开采已成为常用的开发手段。多层系开采中，若不同层系的采出液配伍性差，会堵塞地层造成不可逆转的破坏，矿垢的沉积也会在油气生产系统中导致许多严重问题，如：导致管线及相关生产设施发生腐蚀结垢等[1-5]。注入水与采出水配伍性的好坏，将直接影响采出效率[6-10]。多种类型的混合水注入既能节约成本又能保护环境，但当不配伍的水注入储层后，将对地层产生破坏性影响[11-17]。配伍性实验可以用来检测混合水样的配伍性，从而避免结垢现象的出现。此外，可以通过配伍性评价来了解混配水样的结垢情况，从而能人为处理采出水使其达到输送标准，减少管道腐蚀结垢现象的产生[18-22]。然而，国内外并未建立统一的配伍性评价标准。

在油田中，常见的垢沉积物主要包括硫酸钡、碳酸钙和硫酸钙，而硫酸钡和硫酸锶通常是同时出现的[23-26]。矿物垢是从盐溶液中沉淀出来的坚硬矿化化合物，主要涉及两种不配伍水时对油田注水系统造成伤害，其中硫酸钙垢是石油工业中导致严重结垢现象的一种[27-30]。目前，研究注入水与地层水配伍性的方法主要包括静态配伍性评价和动态配伍性评价[31]。

1 静态配伍性评价

静态配伍性实验一般用于注入水与地层水配伍性评价，是在室内进行的静态实验。其实验原理是：通常使用水浴加热的方式模拟相应的地层温度，让混配水样在该温度下静置一段时间，最后观察结垢情况，依据ISO 6058—1984《水质-钙含量的测定—EDTA 滴定法》测定混配水样中钙离子含量的变化。成垢离子分析法、比色（浊）分析法、结垢重量分析法，是目前较为常用的3 类配伍性实验的评价方法[23]。

1.1 成垢离子分析法

该方法的评价机理是通过检测混配水样中成垢离子的含量变化，从而确定混配水样的配伍性程度。实验中需测定不同比例混配水样中各成垢离子的实测值和理论值。当实测值和理论值的差值较大时，说明结垢现象严重，混配水样配伍性差；而当两值接近时，说明混配水样配伍性较好。

成垢离子分析法操作简单、便于实施，主要用于垢量较大时定量。垢量小时，由于规律性较差，该方法只能判定所分析的成垢离子形成的垢物。混配水样的颜色也会影响该实验的测量结果。

吴新民等人[32]采用成垢离子分析法，对典型“三低油田”—姬塬油田进行配伍性实验。将按不同比例混合的采出水与注入水，在同一温度80 ℃（模拟储层温度）下，静置20 d。研究表明，混合水样中硫酸根离子浓度没有明显变化，钙离子浓度随混合水样中地层水所占比例的增大而大幅下降，出现较明显的结垢现象。结果表明：姬塬长8 储层地层水与注入水混合后会对地层造成严重破坏，需要对注入水进行防垢处理。

1.2 比色（浊）分析法

该方法的评价机理是通过检测混配水样的透光率来确定混配水样的配伍性程度。实验中，当混配水样配伍性好时，水样中形成的垢晶体少，混配水样的透光率好；当混配水样配伍性较差时，形成的垢晶体增多，从而导致混配水样的透光率降低。

比色分析法通常用于半量定量。该实验方法适用于垢量较大，且结垢在水中呈悬浮状态的情况。但它容易受到溶液颜色的影响，无法测量容器壁所结垢，而且测量沉淀垢时，测量误差明显。

谢娟等人[33]对陕西某气井稠化酸返排液进行一系列处理，以降低稠化酸返排液与注入水的结垢趋势。采用提高稠化酸返排液pH 的方法降低钙离子浓度，再通过添加絮凝剂聚合氯化铝、聚丙烯酰进行沉降处理除去SS，最后利用比色分析法对混合水样（优化后的稠化酸返排液与注入水按不同比例混合的混合物）进行配伍性评价。实验表明，处理后上清液的透光率高达98.5%，混合水样未出现硫酸钙和碳酸钙结垢趋势。但溶液颜色对该实验结果的影响较大，为了获得精确结果，往往不建议单独使用。

1.3 结垢重量分析法

结垢重量分析法实验原理:采用滤膜过滤，对抽滤前后滤膜上的质量差进行测定，从而得到混配水样结垢量[34]。实验中选取纤维滤膜对混配水样进行抽滤，然后测量烘干后的滤膜质量，抽滤过程前后所测量的纤维滤膜质量差就是混配水样的垢物质量。

结垢重量分析法原理简单、使用广泛，定量较好，其优点在于其测量结果不受溶液颜色的影响，垢量测量结果会比较准确。结垢重量分析法适用于生成的垢量较大且在水中呈悬浮状态的结垢现象，对测量垢量较少或结垢主要依附在容器壁上的结垢情况误差较大。采出水样中的悬浮固体也会对该方法的结果准确性带来影响，且该方法易受到人为操作因素影响，对过滤、干燥等步骤进行准确操作可有效降低人为操作误差[35]。

刘丝雨等人[34]对陕北定边区块长7 层位采出水和浅层地层水采用结垢重量分析法测定混合水样中硫酸根离子的含量。实验结果表明，当混配水样比例中V（浅层地层水）∶V（长7 层位采出水）=2∶8时，结垢量最大，混配水样中的硫酸根离子降低量也最大，再将水样进行絮凝处理可使混配水样达到回注标准，使其能作为回注水回注地层。结垢重量分析法原理简单，可行性强，但容易受到人为操作因素的影响。对过滤、干燥等步骤进行准确操作可有效降低人为操作误差。

通过上述比对分析可知，这三类常用的静态配伍性实验方法各有其适用情况和优缺点，应根据不同的水样特征来选择合适的配伍性方法，以排除干扰物的影响。

2 动态配伍性评价

参照石油天然气行业标准SY/T 5523—2006《油气田水分析方法》对悬浮固体进行动态配伍性评价。动态配伍性实验原理：在模拟地层条件的情况下，将多种不配伍水连续注入天然岩心或人造岩心模型中，以了解不配伍水型混合后对储层渗透率的损害情况。动态配伍性实验主要应用环境为：注入水—地层水交替驱替过程；该配伍性实验的实验条件为：温度，恒定温度[36]；驱替速度：恒定速度；动态配伍性实验中两种水源的配伍性好坏评判标准为：注入水与地层水共同作用时对孔隙渗透率降低程度（损伤程度）的影响[37]。

动态配伍性实验也称驱替实验，是海上油田注水开发过程中所必须进行的实验[31]。影响动态配伍性评价的主要因素是二价铁离子，尤其是在含铁量较高的采出水样中。

甘秀玉等人[38]在混配水（V（地层水）∶V（海水）=4∶1）注入过程中进行动态配伍性实验。实验表明，随着注入PV数的增大，混配水出现结垢现象，而结垢会对岩石空隙造成阻塞，从而导致岩心渗透率越来越低。当注入PV=50 时，渗透率为85%。由此可见，由于地层水和海水的离子含量差异较大，在同等地层条件下两者的配伍性也较差。因此，在实际注水作业时添加防垢剂是必要的。

陈华兴等人[39]以海上聚合物驱示范油田绥中36-1 油田含聚污水回注为例，通过动态配伍性实验评价，研究了污水回注地层的结垢机理。结果表明未加防垢剂时，水源水对储层岩心的损害率为中等偏弱损害，加入防垢剂后变为弱损害。即长期注入单一水源井水，不采取防垢措施时，还是会对储层岩心造成严重损害。

刘美遥等人[40]对JX1-1 油田混配水样进行了动态配伍性实验。实验中结合静态配伍性实验所得数据，选用配比为V(清污混合水)∶V(地层水)=6∶4，因为此配比结垢量最大。在清污混合水回注地层的过程中，随着清污混合水中水源水所占比例的增大，其对储层渗透率的伤害越大。为了保持沙河街储层回注能力，单独回注污水是必要的。

在多层系采出水外输及回注过程中，静态配伍性实验和动态配伍性实验都能测得采出水的配伍性。但静态配伍性评价一般为多层系采出水混合外输提供依据，动态配伍性评价一般为采出水回注地层提供依据。而且实验室方法只能有效模拟出地下温度的变化情况，无法对地下压力的真实变化情况进行有效的模拟，其结果的准确性还有待提高[41]。在实际的工程操作中，建议将这两种方法结合使用，进而得到更全面更贴切的结果[13]。

通过上述常用配伍性试验评价方法的对比分析，总结出各种方法的适用情况和优缺点（表1）。

表1 配伍性评价常用方法对比

3 配伍性实验影响因素屏蔽方法研究现状

3.1 悬浮固体的影响及屏蔽方法

在配伍性实验里，采出水中的悬浮固体会对实验造成较大影响[42]。实验室中通常采用过滤法来预处理悬浮固体。为了保证过滤效果，通常会用较细的滤纸进行过滤，但过滤过程中混配水样的晶种必然会损失，目前尚无此方面的误差计算。而且，在采出水的过滤过程中，采出水的加热、溶解氧的增加会使二价铁转化为氧化铁垢物，也会影响测量结果的真实性[23]。所以这样处理就显得依据不足。

为了屏蔽采出水中悬浮固体对配伍性实验的影响，采用已经称重处理过的微孔薄膜来过滤混配前的各水样，然后经过洗盐、洗油、烘干、称重等一系列步骤得出测量结果，再将该值等比例从最终结果中减除。

3.2 二价铁离子的影响及屏蔽方法

铁垢产生的机理为混配水中的二价铁离子与溶解氧发生反应，生成氢氧化铁，氢氧化铁不稳定分解得到Fe2O3沉淀。

在实际的地层环境中，溶解氧含量极低，地层水中的二价铁离子几乎无法转变成铁垢，而在实验室中一系列的实验操作会不可避免地引入溶解氧。所以在含铁量较高的采出水中，二价铁离子对混配水样配伍性的影响往往较大。

屏蔽采出水中二价铁离子对配伍性实验的影响是一直在探索的问题，经过多次经验总结得出该方法：为了区分水样混配前已形成的铁氧化物和混配恒温加热后所形成的铁氧化物，选择采用磺基水杨酸比色法[43-47]来测量混配前后不同混配比下的溶液中Fe2+和Fe3+的含量，然后通过差减法进行减除。最后，将磺基水杨酸比色法测得的混配前后铁离子的差值折算成Fe2O3沉淀，从总垢量中减除。

3.3 静置时间的影响及屏蔽方法

为得到更准确的配伍性结果，静置时间往往越长越好。混配水中的结垢量会随静置时间的延长而增加[48]。不同的混配水样，其最佳静置时间往往不同。为屏蔽静置时间对配伍性实验的影响，可以将不同比例的混配水样静置处理，通过观察混配水样中结垢量随静置时间的变化得出该水样的最佳混配时间。

宋绍富等人［48］以延长油田瓦窑堡油藏地层水为研究对象，对配伍性实验中的静置时间做了研究。实验表明，对于低比例混合水，即V（长2 水）∶V（长6 水）为1∶4～1∶10 时，静置时间大于8 h 后，结垢量变化不大；对于高比例混合水，即V（长2 水）∶V（长6 水）为1∶0.1～1∶0.7 时，静置时间大于24 h 后，结垢量变化不大。

由于现场实验条件有限，动态配伍性实验装置复杂难以在现场展开，因此在现场应用中，建议采用原理简单、操作易行的比色分析法。

4 结论

通过对油田采出水配伍性评价及影响因素做了对比和总结，得出以下几点结论和建议：

1）静态配伍性评价中结垢重量分析法原理简单，不受溶液颜色影响，应用广泛。可以进一步优化该方法，将混配水样中悬浮固体分为悬浮垢和沉降垢，并利用多种微观分析手段对配伍性实验进行评价，这对提高结果的精确性有重大意义。

2）静态配伍性评价和动态配伍性评价都能测得采出水的配伍性，动态配伍性评价考虑了地层因素。实验室中，为了得到更全面更贴切的结果，可以考虑将静态、动态配伍性评价结合使用。

3）国内外学者对配伍性实验的影响因素做了大量研究，提出了一系列注水水质标准，但适用性不强，难以保证油田经济高效开采，建立采出水及污水回注水质指标标准，显得十分必要。

4）国内外尚未建立统一的配伍性评价方法，采用不同的评价方法会得出不同的结论。为了便于实验室间的结果比对与指导现场生产，迫切需要建立多层系开发采出液及采出水回注的配伍性评价方法。