聚驅(qū)油田注入流體與地層水的配伍機(jī)制研究-以X油田為例

張麗平，孟祥海，王杏尊，劉長龍，袁 征，高 尚，楊紅斌

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459； 2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459； 3.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

當(dāng)注入水和配伍性較差的地層水相遇時注入水和地層水之間、巖石和混合水之間逐漸建立一種新的化學(xué)平衡，在建立新的平衡過程中隨著壓力和溫度的變化存在結(jié)垢的可能。劉津[1]、尹先清[2]以及程靜波[3]等人的研究成果均表明，當(dāng)油田注入水和地層水配伍性較差時極易發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象。為了研究注入流體與地層水的配伍機(jī)制，本文以X油田為例，借助室內(nèi)實(shí)驗詳細(xì)研究了聚驅(qū)油田注入流體與地層水的配伍機(jī)制。

1 實(shí)驗

1.1 材料與儀器

(1)實(shí)驗材料：碳酸鈉、氯化鈉、硫酸鈉、碳酸氫鈉、氯化鈣、六水合氯化鎂、氯化鉀，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；聚合物：APP4；去離子水，實(shí)驗室自制。

(2)模擬注入水、地層水，離子含量如表1。

表1 注入水和地層水離子含量

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1 金屬離子與聚合物配伍性[4-5]

a.用不同濃度無機(jī)鹽溶液配制2000 mg/L聚合物溶液；b.將聚合物溶液密封，放置于恒溫水浴中，觀察聚合物絮凝情況；c.使用流變儀測量聚合物溶液黏度。

1.2.2 注入水與地層水的配伍性實(shí)驗[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)配制地層水和注入水混合溶液，密封置于恒溫水浴中；b.使用抽濾裝置將燒杯中溶液用0.45 μm濾膜抽濾；c.將抽濾后的濾膜放置烘箱中烘干。無機(jī)垢生成量計算公式如下：

(1)

式中：m1為0.45 μm生物濾膜重量，g；m2為0.45 μm生物濾膜和無機(jī)垢的總重量，g；V為混合溶液體積，L；

1.2.3 注入流體與地層水的配伍性實(shí)驗[6]

a.按一定體積比配制地層水與注入水混合溶液，并用混合溶液分別配制500，1000，1500，2000 mg/L的聚合物溶液；b.將聚合物溶液密封，置于恒溫水浴中；c.稱量絮凝沉淀質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 金屬離子與聚合物配伍機(jī)制

2.1.1 Ca2+、Mg2+離子對聚合物黏度影響

用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CaCl2和MgCl2溶液配制2000 mg/L的聚合物溶液中，測量在儲層溫度條件下聚合物溶液的黏度，實(shí)驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 Ca2+、Mg2+離子濃度對聚合物黏度影響

由圖1可知，隨著Ca2+、Mg2+離子濃度增加聚合物黏度先快速降低后降趨于平緩。這是因為綏中36-1使用的聚合物為聚丙烯酰胺與疏水單體單元的陰離子共聚物，臨近的陰離子基團(tuán)之間存在靜電斥力的作用形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨著溶液中Ca2+、Mg2+濃度的增加，減弱了陰離子基團(tuán)間的靜電斥力，導(dǎo)致陰離子分子鏈發(fā)生卷曲，減弱了聚合物分子間的締合作用導(dǎo)致聚合物黏度下降。

2.1.2 Ca2+離子濃度對水動力學(xué)直徑影響

圖2 不同Ca2+離子濃度下聚合物水動力學(xué)直徑

由圖2可知，隨Ca2+離子濃度的增大，歸一化權(quán)重分布函數(shù)分布峰右移。因為離子濃度較低時聚合物分子線團(tuán)呈舒展?fàn)顟B(tài)，隨著離子濃度升高聚合物分子線團(tuán)收縮。因此，隨著Ca2+離子濃度增加，聚合物水動力學(xué)直徑增加，可包裹尺寸更大物質(zhì)如注入水中固體懸浮物、注入水與地層水配伍性較差產(chǎn)生的無機(jī)垢、儲層中的砂礫、膠質(zhì)瀝青質(zhì)等造成儲層堵塞。

2.2 注入水與地層水配伍機(jī)制

基于注入水及地層水水質(zhì)分析，在注入水和地層水中含有一定量的結(jié)垢離子，隨著注入水進(jìn)入儲層，改變儲層原有溫度、壓力等條件，易形成無機(jī)垢。以沉淀法稱量的無機(jī)垢生成量為基礎(chǔ)分析地層水與注入水的配伍性，實(shí)驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，不同比例的注入水和地層水混合溶液均出現(xiàn)無機(jī)垢沉淀。隨注入量增加結(jié)垢量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)?shù)貙铀c注入水體積比為3∶7時無機(jī)垢結(jié)垢量最大為0.365 g/L。導(dǎo)致無機(jī)垢沉淀的原因有兩個，一是化學(xué)組分不相溶的水互相混合形成難溶于水的無機(jī)物，當(dāng)水溶液中無機(jī)物含量超過其溶解度會形成過飽和溶液，此時會有晶體析出，隨著析出晶體的不斷累積形成無機(jī)垢沉淀。二是由于注入水進(jìn)入儲層導(dǎo)致溫度、壓力等熱力學(xué)條件改變，導(dǎo)致水中離子平衡發(fā)生變化，使成垢組分溶解度降低而析出無機(jī)垢沉淀。

圖3 油田結(jié)垢量曲線

2.3 地層水與注入流體配伍機(jī)制

按地層水與注入水體積比為3∶7配制混合溶液，用混合溶液配制不同濃度的聚合物溶液，研究聚合物濃度對絮凝沉淀量的影響，實(shí)驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 聚合物濃度對絮凝的影響

從圖4可知，隨聚合物濃度的增大，絮凝沉淀質(zhì)量越大。油田注入水與地層水配伍性較差，會產(chǎn)生無機(jī)垢沉淀。當(dāng)注入流體與地層水相遇時，聚合物會包裹無機(jī)垢形成難以解除的絮凝沉淀。而隨著聚合物濃度的不斷提高，因注入水和地層水產(chǎn)生的無機(jī)垢被聚合物包裹，無機(jī)垢質(zhì)量逐漸減少，因此隨著聚合物濃度的增多，絮凝沉淀質(zhì)量的增長速度逐漸減慢。

3 結(jié)論

(1)注入水中的二價陽離子主要為Mg2+和Ca2+。隨著Mg2+和Ca2+離子濃度的升高，聚合物分子線團(tuán)收縮越嚴(yán)重易形成包裹結(jié)構(gòu)。

(2)當(dāng)?shù)貙铀c注入水體積比為3∶7時，生成無機(jī)垢結(jié)最大量為0.365 g/L，地層水與注入水配伍性較差生成無機(jī)垢是造成儲層堵塞的原因之一。

(3)生成的絮凝沉淀物多為聚合物包裹無機(jī)垢，且絮凝沉淀的生成量與聚合物濃度呈正相關(guān)。因此，注入流體與地層水配伍性較差生成絮凝沉淀也是綏中36-1油田堵塞的原因之一。