采出水配伍性及結垢趨勢評價方法與展望

馬迪，柯魯峰，張金輝，潘一，REGINA RASSADKINA

(1.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；2.中國石油大學 機械與儲運工程學院，北京 102249； 3.遼寧石油化工大學 創新創業學院，遼寧 撫順 113001)

多層系開采時，不同層系采出液配伍性差，混層后易產生CaSO4、BaSO4和SrSO4沉淀[1]，造成儲層堵塞，對站外管線以及站內設施產生腐蝕結垢[2-4]。例如國外油田美國伯里亞、沙特油田和埃及El-Morgan油田水驅造成的CaSO4和SrSO4結垢問題[5-6]。阿聯酋與伊朗在波斯灣的近海油田注水過程中發生的大規模結垢現象[7]。我國渤中油田、華北油田等也均發現了不同程度的結垢。而這些結垢將導致生產可靠性差，面臨人員和設備折舊等成本的不斷上升的一系列問題[8]。為了解決上述問題，需要對多層系采出水配伍性及結垢趨勢預測進行研究，本文綜述了國內外多層系采出水配伍性及結構趨勢評價方法，并對比分析了其優缺點，展望了模擬配伍性以及結垢趨勢預測的最佳方式，以期為相關研究提供參考。

1 配伍性實驗

配伍性實驗[9]可以用來檢測是否有成垢現象，從而減少因水質不配伍性導致的注水和采油系統以及管線的結垢和腐蝕[10]。它達成了多層混合開采的目的，實行了集輸過程的混合，一定程度上減少了生產所需成本，對油田的開采與發展有著極其重要的指導意義[11]。這里以地層水和注入水為例，要使兩種不同水源相混后形成少量或不形成結垢沉淀量，那么這兩種水源要具備良好的配伍性，這樣在集輸過程中才有利于采出水外輸或注入水注入地層。反之，不適配的地層采出水不能直接混輸或注入地層。目前，油田中一般使用的有靜態配伍性和動態配伍性實驗[12]。

1.1 靜態配伍性實驗

靜態配伍性實驗一般是在室內進行的，其實驗樣本來源于實際現場。實驗過程中通過對水中存在的離子進行分析，明確實驗樣品的類型和礦化度，再把經過事先處理后的兩種水質樣品按照一定配比相混合。目前，成垢離子分析法、垢物重量分析法、透光率(濁度)分析法這三類方法運用較為常見，是用來評價配伍性實驗的主要方法[13]。

宋吉峰等[14]在RX-1油田地層水分析基礎上，采用成垢離子分析法對注入水(水源井水)與地層水進行靜態配伍性評價(以Ca2+為例)，實測成垢離子Ca2+濃度為587 mg/L，較理論值803 mg/L大幅下降，說明注入水與地層水存在結構不配伍現象。地層水與注入水以7∶3比例混合后，Ca2+損失濃度高達350 mg/L，說明有結垢現象產生且結垢量最大。該方法測定采出水配伍性操作簡單便于實施，有一定的參考價值。如果研究人員能在其基礎上增加成垢離子微量檢測相關實驗，會使研究更為精準全面。

1.1.2 垢物重量分析法 該方法在實驗中運用濾膜過濾來測量產生的垢物重量。實驗過程中選取0.45 μm纖維濾膜，將混配水沿著玻璃砂芯過濾裝置引流至纖維濾膜上進行抽濾，抽濾之后至少用蒸餾水或石油醚清洗上一操作中的纖維濾膜3次，直到濾膜烘干至重量無明顯變化時，測量濾膜的總質量。混配水的垢物重量就是抽濾過程前后稱量所得的濾膜質量差。

1.1.3 透光率(濁度)分析法 該方法評價配伍性的機理是測定混配水透光率隨時間推移的情況來分析溶液的配伍性。實驗過程中，當兩種水源配伍性相適應時混配水的透光率較好，而且溶液中不會出現較多的垢晶體；當兩種水源相混產生較多的垢晶體而使溶液透光率減弱時，表明這兩種水源不配伍。

謝娟等[16]對陜北某油氣井稠化酸返排液進行優化，將其pH調節為11，投加聚合氯化鋁500 mg/L，聚丙烯酰30 mg/L，將處理后的返排液與注入水按照不同比例混合，運用透光率(濁度)分析法評價兩者配伍性，結果表明，處理后上清液的透光率高達98.5%，配伍性良好，不同比例混合后均無CaCO3和CaSO4結垢，但該方法實驗過程中易受到懸浮顆粒和顏色等干擾，不建議單獨使用。

通過對照可知，這三種靜態配伍性實驗方法各有利弊。成垢離子分析法的優點是操作可行性高，便于實施，但其變化值在成垢離子濃度達到微量時不易檢測；垢物重量分析法原理簡單且不受顏色的影響，但對其結垢量分析時，要排除過濾、干燥等外界人為操作因素的影響，實際應用時較為繁瑣；而透光率(濁度)分析法用透光率來進行分析，實驗中懸浮顆粒和顏色變化對其結果存在誤差干擾，一般不單獨使用。

1.2 動態配伍性實驗

動態配伍性實驗[17]大多應用在注入水-地層水交替驅替過程中，該配伍性測試在恒溫條件下進行，驅替速度為恒速，其評判這兩種水源配伍性好壞的標準是分析注入水與地層水這兩者共同作用時對孔隙滲透率降低程度(損傷度的好壞)的影響，進而確定其成垢狀況。同時，動態配伍性實驗也是海上油田注水開發[18]必須要進行的實驗。

甘秀玉等[19]對南海北部灣盆地的WS17-2油田進行了注入水與巖心配伍性動態評價，以地層水和海水4∶1的比例進行動態配伍性實驗，巖心滲透率隨著注入PV數增加而減小，當PV為50時，滲透率數值為85%。通過動態配伍性實驗表明，地層條件相同時海水和地層水離子含量存在較大的差異而產生不配伍性，生成部分碳酸鈣垢，降低了滲透率。因此，進行注水作業時應添加防垢劑，防止結垢現象的產生。

劉美遙等[20]針對JX1-1油田注水過程中阻抗顯著增加、吸水能力強度迅速降低的現狀，開展了以靜態實驗所得數據為基礎，以結垢最多時注入水(清污混合水)與地層水6∶4的配比進行配伍性動態評價實驗，發現清污混合回注過程中水源水所占體積配比越大，易生成結鈣質垢，對儲層的滲透率形成損害也越大。因此為防止油田儲層回注能力大幅下降，建議單獨回注污水或者清污混合注入時加入部分CaCO3垢抑制劑。該實驗方法考慮因素較全面，實驗結果清晰易觀察，為油田注水方式以及防垢措施的選擇提供了參考。

靜態配伍性實驗和動態配伍性實驗均能測得水質的配伍性。但是，靜態配伍性實驗一般是用來確定采出水配伍性，可以為多層系采出水混合外輸等提供依據；而動態配伍性實驗常用來研究采出水和儲層水之間的配伍性，其考慮了地層等因素的影響，可以為采出水回注地層提供依據。建議將兩者合理組合使用，以達到優勢互補，進而全面的確定多層系采出水在外輸及回注過程中的配伍性，為結垢趨勢評價提供理論指導。

表1 配伍性實驗評價方法及優缺點Table 1 Evaluation method of compatibility test and its advantages and disadvantages

2 結垢趨勢預測

2.1 垢的形成機理

在油氣集輸時，經常會有結垢現象的發生。由于采出液和注入水的類型各不相同，因此產生結垢差異的因素也不完全相同。在油氣集輸過程中結垢機理可以歸納為下述幾類[21]：不配伍理論、自動結垢、蒸發，氣驅或化學驅導致的結垢。這里主要研究的是油田多層系采出水的不配伍性引起的結垢現象，即“不配伍理論”。

由“不配伍理論”形成的污垢種類一般有CaCO3和MgCO3垢、CaSO4垢、BaSO4以及SrSO4垢。

碳酸鈣(鎂)成垢過程的反應方程式：

(1)

(2)

(3)

硫酸鹽垢成垢過程的反應方程式：

(4)

(5)

(6)

油田硫酸鹽垢常見的有CaSO4、BaSO4、SrSO4。CaSO4沉淀是采油注水過程中最常見的鹽類沉積類型[22]。

2.2 結垢趨勢評價

根據前面對采出水配伍性的實驗研究，結合集輸管路中垢的形成機理和種類分析，可以選擇合適的結垢趨勢評價方法，避免一些易結垢離子在集輸系統中直接混合產生垢沉淀，這可以大大節約資金和能耗。對于集輸系統結垢趨勢評價方法的探究中，靜態模擬實驗法、動態模擬實驗法、計算機預測法等是國內外應用相對較多的評價方法。

2.2.1 靜態模擬實驗法 靜態模擬實驗法又可以稱為“瓶試驗”，其實驗原理是模擬集輸系統的實際溫度，將不同的水質樣本進行兩兩混合，待混合樣本穩定一段時間后觀測結垢沉淀并進行稱重。其實驗過程與靜態配伍性實驗中的垢物重量分析法類似，該方法可以對集輸管路中常見的CaCO3和MgCO3垢、CaSO4垢、BaSO4以及SrSO4垢等進行結垢趨勢評價。

劉書杰等[23]以中東M油田高鹽度地層水為實驗對象，運用靜態實驗模擬法，使用金屬防垢器觀察實際結垢效果，以渤海海水作為對比樣考察其在油田的適用性，結果表明，靜態條件下金屬防垢器在對低礦化度的鹽水具有較好的防垢效果，結垢率只達27.75%。但對于高鹽度地層水作用效果則一般，結垢量約為50%。根據靜態模擬實驗法結果可見，實驗中雖使用金屬防垢器對于中東油田進行防垢但還是存在結垢現象，因此需要額外添加化學防垢劑。該方法成本低，可進行多次實驗，對油田結垢狀況有一定的指導作用，筆者認為還需在實驗過程中進一步對實際工況因素加以考慮，將會產生一個更加詳盡合理的實驗體系。

靜態模擬實驗法的不足之處在于模擬的是靜態工況，沒有考慮到集輸系統中流體流速、集輸壓力、管質材料等現場工況因素，但當無法獲取實際工況時，這種方法可以在節省投資的情況下于室內進行多次初步試驗，對于判斷結垢趨勢預測來說，仍然是一種比較典型的方法。

2.2.2 動態模擬實驗法 動態模擬實驗法也是在室內進行，其在靜態模擬實驗基礎上引入了集輸過程中的實際參數，通過觀測這些指標的變化來判斷是否發生結垢行為[24]。該方法也可以對集輸管路中常見的CaCO3和MgCO3垢、CaSO4垢、BaSO4以及SrSO4垢等進行結垢趨勢評價，如掃描電鏡(SEM)裝置、動態結垢實驗儀等。

SEM使用高能電子的聚焦光束在固體樣本的表面產生各種信號。衍生自電子樣品相互作用的信號揭示了關于樣品的信息，包括外部形態(紋理)、化學組成以及構成樣品的材料的晶體結構和取向[25]。Meisam等[26]通過掃描電子顯微鏡(SEM)顯微照片顯示了在注射水流入多孔介質過程中BaSO4結垢的沉積，給出了掃描電子顯微鏡(SEM)所形成的結垢晶體的形貌和粒度，可利用這些結果建立一般的反應速率方程，以預測在給定溫度、鹽水超飽和和壓差下的砂巖巖心中的BaSO4沉積。掃描電子顯微鏡(SEM)可呈現出清晰明了的結垢晶體信息，是一種便捷可用的高能電子裝置。

余維初[27]研制出一種新型的動態結垢實驗儀，該實驗儀改用雙泵對注入水和地層水進行同時驅替，并對巖心夾持器的調節接頭進行改裝，成為雙孔凸起的類型，可伸進巖樣內部，以保證注入水與地層水可在巖樣的內部進行混合。該裝置能夠模擬地層真實狀況，測出混合產生的最大結垢量，為結垢機理的研究提供了實踐指導，能夠彌補以往常規巖心驅替實驗過程對進行結垢試驗測試時的缺陷，對油田生產來說具有重大的指導意義。

與靜態模擬實驗相比，動態模擬實驗法較好的模擬了集輸系統的集輸壓力、流體溫度、流體流速等參數，其實驗結果與現場的結垢堵塞情況較為一致，是一種比較準確的結垢堵塞趨勢評價方法。但其室內投資大，實驗裝置構建復雜，不適合多次的重復性實驗，同時對實驗參數的檢測也不方便，無法在實際現場大量運用。

2.2.3 計算機預測法 計算機預測方法主要有3種類型，針對不同的結垢類型，其選擇的結垢趨勢評價方法有所不同：①單一碳酸鈣結垢預測，Davis-Stiff飽和指數法[28-30]、Rynar穩定指數法[31-32]、Langlier 飽和指數法[33]等。②單一硫酸垢，Skillman等提出的用來預測CaSO4垢形成的熱力學溶解度法[34]、基于動力學原理的結垢預測模型Bedrikovetsky[35]等。③混合垢預測技術，Oddo-Tomson飽和指數法[36]、Oli ScaleChem軟件[37-38]等。

目前，上述列舉的計算機預測方法，在部分油田已經進行了使用，還有的在此基礎上進行改進。游靖等[39]針對華北油田京11區塊，利用Davis-Stiff飽和指數法和Ryznar穩定指數法，通過設置不同條件，以地層水和注入水為研究對象，進行油田結垢趨勢預測，結果表明，該區塊兩者都存在很嚴重的結垢趨勢，且前者的結垢趨勢要高于后者，結垢類型以CaCO3為主，模擬水樣的實際結垢率可至61%。但其考慮因素不全面，如果同時對壓力、流速、混合結晶等問題加以考慮，會使預測結果更加準確。胡曉威等[40]利用Davis-Stiff和Oddo-Tomson飽和指數法、Ryznar穩定指數法及熱力學溶解度法，綜合分析西峰長8油藏CaCO3及CaSO4的結垢趨勢。實驗結果顯示，注入水和地層水均存在CaCO3結垢的趨勢，兩者混合后，存在CaCO3結垢趨勢，而無CaSO4結垢趨勢，對于油田開發具有重大指導意義。Amiri等[5]利用Oli ScaleChem 軟件對注入水與地層水混合后的BaSO4進行了預測，確定了不同狀況下的結垢趨勢，Oli ScaleChem軟件預測，隨著壓力和溫度的增加，BaSO4結垢鹵水的結垢趨勢減小。目前Oli ScaleChem軟件已應用于研究伊朗油田碳酸鹽鐵垢形成的潛力，作為二次采油或儲層壓力維持的一種方法[37]。該預測方法精確，適用范圍大，應用前景廣闊，對于未來結垢趨勢評價有著一定的借鑒意義。

以上研究表明不配伍性引起的集輸系統結垢種類以CaCO3和MgCO3垢、CaSO4垢為主。通過分析結垢形成機理，確定污垢類型，為選擇合適的結垢趨勢評價方法提供依據。隨著計算機的普遍應用，若在原來靜態/動態實驗法的基礎上輔以計算機預測法，將其對比分析，可以提高結垢趨勢評價的準確性。

表2 結垢趨勢預測方法及優缺點Table 2 Forecasting method of scaling trend and its advantages and disadvantages

3 結論

本文對采出水配伍性及結垢趨勢評價方法進行對比和總結，得出以下幾點研究與發展建議。

(1)成垢離子分析法原理簡單，操作可行性高，技術人員可在此基礎上優化成垢離子微量檢測相關技術，會使其使用更加普遍，對離子濃度的精確測量來說具有很大的實際意義。

(2)結垢預測模型有著自身局限性，不同油田現場條件、地質狀況、采油方式等均具有差異，而結垢預測模型又具有針對性，少數的結垢預測通用模型又缺少自身精確性，因此，開發研究更全面準確的結垢預測模型，顯得十分必要。

(3)當前油田常用的結垢預測方法比較側重于對油田結垢趨勢、結垢量以及結垢類型的分析，對過程中各個時期水的結垢速率研究頗少，為了后期能更準確有效地進行防垢結垢，在運用各種方法進行預測的過程中應同時注意對水結垢速率的研究。

(4)目前結垢預測方法考慮因素尚不全面，大多預測模型只是考慮了熱力學因素，為了提高模型預準確度，進行結垢趨勢預測時還應全方位分析流體力學以及結晶動力學等對其的影響。