CaCO3結垢趨勢預測在張天渠油田中的應用

李貽浩，楊 平，高 斐，閔江本，壽 翔 （長江大學石油工程學院，湖北武漢430100）

吳 瓊 （中石化河南油田分公司勘探開發研究院，河南 南陽473132）

腐蝕是引起套管損害的重要原因之一，它始終伴隨在油氣田開發過程中。通過對鹽池采油廠套損原因的分析可知，腐蝕是導致鹽池采油廠套漏的主要因素，因此有必要對鹽池采油廠套管的腐蝕結垢趨勢預測進行研究，為預防套管的損壞奠定基礎。

油氣井發生的腐蝕一般與所處環境的地層水或注入水的組成、腐蝕性介質、細菌以及油井的溫度和壓力有關。因此，在項目研究過程中，全面分析注入水和產出水中離子成分、伴生氣的組成是相當重要的，只有進行全面準確的分析、判斷，才能對張天渠油田結垢趨勢預測找出真正的腐蝕原因所在，進一步研究出腐蝕的機理及規律，最終達到有效控制腐蝕的目的。

1 張天渠油田腐蝕環境分析

張天渠油田是套損的多發地區，鹽池采油廠82%的套損井都在該地區，因此主要以張天渠油田為對象展開研究。考慮到不同環境套管腐蝕的狀態不同，因此有必要對張天渠油田油水井采出水和注入水的水質情況有一個比較全面的了解和認識。筆者有針對性的選取了注污水井、注清水井、清水受效油井、污水受效油井的水樣，確定了5口油水井即D985井、HK17A井、HK17C井、HK20A井、D598B井進行水質普查，分析水的組成。

按SY 5523-2006《油氣田水分析方法》標準對現場水樣進行了Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl-、、Fe2＋、S2-、溶解氧、pH值、溫度、礦化度、SRB（硫酸鹽還原菌）和水型的調查與分析，結果如表1、表2所示。據此確定各井水質結垢傾向及腐蝕性，查找腐蝕因素，確定成垢離子，在此基礎上進行腐蝕因素和水質結垢試驗研究。

表1 現場取樣井基本情況

表2 延長組注入水及油層采出水水質分析

2 影響油田水中CaCO3垢結垢因素

影響油田水中CaCO3垢結垢因素主要為：一是富含成垢離子的內因，如Ca2＋、Mg2＋、Ba2＋、Se2＋、、、等離子；二是影響結垢的外因，如溫度、壓力、礦化度、pH值等［1-2］。

1）溫度 CaCO3的溶解度隨著溫度升高而降低，CaCO3結垢趨勢增大。相反，CaCO3的溶解度隨著溫度降低而升高，CaCO3結垢趨勢減小。CaCO3的溶解度隨著溫度的變化因結晶水含量不同而有所不同。

2）礦化度 CaCO3的溶解度隨著礦化度升高而升高，CaCO3結垢趨勢減小。相反，CaCO3的溶解度隨著礦化度降低而降低，CaCO3結垢趨勢增加。

3）系統壓力 當系統壓力增大時，CO2在水中的分壓也會增大，同時水中CaCO3的溶解度也增大，結垢傾向將減小。反之CaCO3結垢傾向就會增大。CaSO4的溶解度隨壓力的增加而增加，NaCl的濃度對CaSO4溶解度也有影響，一定的NaCl濃度對應于一定的臨界壓力，臨界壓力隨NaCl濃度增大而降低，在臨界壓力以上CaSO4溶于蒸餾水而不溶于NaCl水溶液，在臨界壓力以下則相反。

4）pH值 CaCO3在水中的溶解度隨著pH值升高而降低，CaCO3結垢傾向將增加；反之，CaCO3結垢傾向將會減小。而對CaSO4垢，pH值影響不大。

引起結垢的主要因素是壓力下降，就注入水油井而言，礦化度降低對結垢的影響很大，也是不可忽視的重要因素。壓降可達數個兆帕的生產井近井地帶是一個 “壓降漏斗區”。向生產井運移的含水的地層流體在經過近井地層時，水中如果含有CO2，那么CO2會因壓力下降而逸出，這一過程破壞了水的原始平衡狀態，可能形成CaCO3垢［3］，其反應式為：

近井垢可以使地層堵塞，進而地層滲透率下降，產液量也會隨之減少。近井垢直接影響油田油井產液量，導致產液量下降。

延安組地層水水型大部分為NaSO4和NaHCO3型。水性偏弱酸性，Ca2＋、Mg2＋、、、都是成垢離子，具備產生碳酸鹽、硫酸鹽垢的條件。強采方式開采原油，油井流壓會很低，當地層油水吸入泵筒和流入井底時，由于液柱壓力遠低于地層水溶解CO2氣體的最小分壓，將會導致CO2氣體逸出，Ca（HCO3）2在水中的動態平衡方程式會向有利于生成CaCO3垢的方向移動，形成大量碳酸鈣垢。

在形成CaCO3垢過程中，垢晶體將會吸附周圍環境的原油、腐蝕物、泥砂等物質一起沉積增大，形成無機垢混合物。CaCO3垢聚集在油管內外壁、篩管、尾管、套管內壁等處，通過使管徑變小來影響泵效。井下設備和套管中的結垢能使有桿泵的抽油桿時常斷脫。結垢物長時間聚集還會引起嚴重的垢下腐蝕現象。其中井筒垢對采油開發生產造成的損害是直接的，是研究防垢除垢的重點部位。

3 碳酸鹽垢的飽和度指數預測方法

用于油田生產碳酸鹽垢的飽和度指數預測方法［4］的計算公式如下：

式中，SI為飽和度指數，也稱結垢指數；pH為實測水樣的pH值；pCa為Ca2＋濃度的負對數；pAlk為總堿度的負對數；K為Stiff和Davis常數，是溫度和離子強度的函數。

SI＜0，CaCO3不會結垢；SI＝0，CaCO3處于飽和狀態；SI＞0，CaCO3過飽和，產生結垢。

4 現場應用效果

在整體把握張天渠延2油田的腐蝕環境后，對多相關動態生產資料進行分析處理，應用上述方法對張天渠延2油田的7口井CaCO3的結垢趨勢進行了計算，預測結果見表3。由表3可知，由飽和度指數預測方法計算結垢指數得出的結論與實際情況之間的誤差很小，滿足了工程的需要，說明該方法適合于該地區的CaCO3結垢趨勢的預測。

表3 延2的油井碳酸鈣結垢情況的預測

［1］中國腐蝕與防護學會 .腐蝕試驗數據的統計分析 ［M］.北京：化學工業出版社，1988：112-143.

［2］化學工業部化工機械研究院 .腐蝕與防護手冊：腐蝕理論、試驗及監測 ［M］.北京：化學工業出版社，1989：134-145.

［3］朱世東 .CO2腐蝕機理及其預測防護 ［J］.熱處理技術與裝備，2008，29（6）：3-4.

［4］李國浩，谷壇，唐永帆，等 .CO2腐蝕預測模型 ［J］.石油化工腐蝕與防護，2007，24（6）：5-6.