華慶油田三疊系延長(zhǎng)組地層水配伍性研究

張豐峰　李軍亮　廖銳全　劉保磊　姜毅

摘????? 要： 華慶油田三疊系延長(zhǎng)組油藏采用注水開(kāi)發(fā)且以污水回注為主，由于多層系采出水組成性質(zhì)的差異，容易對(duì)儲(chǔ)層造成污染。本文在分析華慶油田延長(zhǎng)組地層水的性質(zhì)、各離子含量以及水型的基礎(chǔ)上，將主力開(kāi)發(fā)層位長(zhǎng)6地層水與其他層位地層水按不同比例混合后，在不同溫度下測(cè)定混合液中的成垢離子含量，計(jì)算結(jié)垢量，分析結(jié)垢類型，并對(duì)結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究結(jié)果表明：長(zhǎng)6地層水與其他層位地層水混合后均有不同程度的結(jié)垢現(xiàn)象，且以碳酸鈣垢為主，可見(jiàn)多層系水的不配伍性是導(dǎo)致注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中長(zhǎng)6儲(chǔ)層污染的主要原因，從而為污水選擇性回注及防垢解堵提供了理論依據(jù)。

關(guān)? 鍵? 詞：注水開(kāi)發(fā);配伍性;結(jié)垢;污水回注

中圖分類號(hào)：TE357.8?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A?????? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）07-1414-06

Research on Formation Water Compatibility of

Yanchang Formation of Triassic in Huaqing Oilfield

ZHANG Feng-feng1，2， LI Jun-liang11，2， LIAO Rui-quan1，2， LIU Bao-lei1，3， JIANG Yi1

（1. School of Petroleum Engineering， Yangtze University， Wuhan Hubei 430100， China;

2. Research Office of Yangtze University， Key Laboratory of CNPC for Oil and Gas Production， Wuhan Hubei 430100， China;

3. Key Laboratory of Education of Oil and Gas Resources and Exploration Technology of Ministry， Wuhan Hubei 430100， China）

Abstract： The reservoir of Yanchang Formation of Triassic in Huaqing oilfield is developed by sewage reinjection. Because of the difference of the composition of the produced water in the multi-layer system， it is easy to pollute the reservoir. Based on the analysis of the properties， ion contents and water types of formation water in Yanchang formation of Huaqing oilfield， after mixing Chang 6 formation water with other formation water in different proportion， the content of scaling ion in the mixed solution was measured at different temperatures， the scaling amount was calculated， the scaling type was analyzed， and the scaling trend was predicted. The results showed that there were scaling phenomena in different degrees when the formation water of Chang 6 was mixed with that of other layers， and the main scaling was calcium carbonate. It can be seen that the incompatibility of multi-layer system water is the main cause of reservoir pollution in the process of water injection development， which provides a theoretical basis for selective injection of sewage and anti-scaling and descaling.

Key words： Oilfield water injection development; Compatibility; Scaling; Sewage reinjection

目前我國(guó)陸上油田普遍采用注水開(kāi)發(fā)^[1-3]，在水資源嚴(yán)重短缺的現(xiàn)狀下，采出水用于回注^[4]。多層系開(kāi)采時(shí)，不同層系采出水配伍性差，采出水混合后注入地層易產(chǎn)生 CaCO₃、CaSO₄、BaSO₄和 SrSO₄沉淀^[5]，造成儲(chǔ)層堵塞及集輸系統(tǒng)結(jié)垢，為了解決上述問(wèn)題，需要對(duì)多層系采出水配伍性及結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行研究。

華慶油田位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡南部^[6]，三疊系延長(zhǎng)組油藏開(kāi)發(fā)主要層位為長(zhǎng)6、長(zhǎng)8、長(zhǎng)1、長(zhǎng)4+5，平均孔隙度為11.07%，平均滲透率為2.4×10^-4 μm²，具有典型的低孔低滲特征^[7]。為保持地層壓力平衡，華慶油田采用注水開(kāi)發(fā)方式。隨著油田不斷開(kāi)發(fā)，原油含水逐漸上升，采出水量愈來(lái)愈大。油田采出水處理后用于回注，既減少清水使用量和廢水排放量，又能注入地層驅(qū)油保護(hù)環(huán)境，給油田帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但油田注入水與地層水接觸、混合，由于水質(zhì)離子含量不同、流體組成的熱力學(xué)不穩(wěn)定性、pH值、溫度、壓力、流速等條件的變化致使不同層系地層水存在不同程度的不配伍性^[8]，為了盡可能減少污水回注對(duì)儲(chǔ)層的傷害，對(duì)長(zhǎng)6與其他層位地層水混合回注過(guò)程中的配伍性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1? 油田地層水性質(zhì)及結(jié)垢機(jī)理

由于地層差異及鉆井工藝不同等原因，油田地層水的成分復(fù)雜、水質(zhì)各異、水質(zhì)極不穩(wěn)定，是高礦化度介質(zhì)，含有大量的CO₃^2-、HCO₃^-、SO₄^2-、Ca²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺等成垢離子。壓力、溫度等條件的變化，會(huì)導(dǎo)致各種類型垢的形成。

由于油田地層水類型不相同，產(chǎn)生結(jié)垢差異的因素不相同，多層系地層水的不配伍性通過(guò)結(jié)晶作用，形成不同產(chǎn)狀的結(jié)垢。

1.1? 碳酸鹽結(jié)垢機(jī)理

碳酸鹽垢[CaCO₃、CaMg（CO₃）₂]是由于鈣、鎂離子與碳酸根或碳酸氫根結(jié)合而生成的，反應(yīng)式如下：

碳酸鹽垢是油田生產(chǎn)過(guò)程中最為常見(jiàn)的一種沉淀物，油井在生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)流體從地層流向井筒，再?gòu)木策M(jìn)入到集輸系統(tǒng)的過(guò)程中，由于壓力和溫度的下降，CaCO₃溶解度下降并析出沉淀。

1.2? 硫酸鹽結(jié)垢機(jī)理

硫酸鹽垢[CaSO₄、CaMg（SO₄）₂]是由于鈣、鎂離子與硫酸根離子結(jié)合而生成的，反應(yīng)式如下：

硫酸鹽垢也是油田生產(chǎn)過(guò)程中最為常見(jiàn)的一種沉積物，最常見(jiàn)形式有石膏（CaSO₄·2H₂O）、硬石膏（CaSO₄）、半水硫酸鈣CaSO₄·1/2H₂O等。

油田在注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中，含SO₄^2-的注入水與成垢陽(yáng)離子反應(yīng)，在油層和近井地帶或井筒生成硫酸鹽垢。不同層位的采出液在集輸站點(diǎn)混合都可能產(chǎn)生硫酸鹽垢。

2? 華慶油田延長(zhǎng)組長(zhǎng)6與不同層位地層水配伍性研究

2.1? 華慶油田延長(zhǎng)組地層水水質(zhì)分析

參照SY/T5523-2000《油氣田水分析方法》、SY/T5329-94《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》，結(jié)合離子色譜技術(shù)，系統(tǒng)分析水的組成和性質(zhì)特點(diǎn)，包括Cl^-、CO₃^2-、HCO₃^-、SO₄^2-、K⁺+Na⁺、總Fe 、Fe²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺含量，并確定水型。華慶油田三疊系延長(zhǎng)組地層水和清水水質(zhì)分析結(jié)果如表1所示。據(jù)離子檢測(cè)結(jié)果分析看，華慶油田延長(zhǎng)組地層水的水質(zhì)差異較大，礦化度分布從

36 000～130 000 mg·L^-1不等，多為CaCl₂水型;注入水礦化度為9 894 mg·L^-1，為Na₂SO₄水型。水樣均未檢出Ba²⁺與Sr²⁺。以上情況說(shuō)明華慶油田延長(zhǎng)組層系地層水結(jié)垢以碳酸鈣垢與硫酸鈣垢為主。

2.2? 水配伍性實(shí)驗(yàn)研究

在油田水離子含量測(cè)定的基礎(chǔ)上，將典型區(qū)塊白153區(qū)長(zhǎng)6地層與其他地層水按10∶0、8∶2、6∶4、5∶5、4∶6、2∶8、0∶10等7個(gè)比例混配，分別在25 ℃和油層溫度60 ℃下進(jìn)行配伍性實(shí)驗(yàn)。靜置240 h測(cè)定不同混配比例水中的成垢離子含量，采用化學(xué)滴定測(cè)定計(jì)算結(jié)垢量，并依據(jù)溶度積規(guī)則和靜置前后成垢離子變化預(yù)測(cè)結(jié)垢趨勢(shì)。

表2-表6中為兩種水樣按照不同比例混合后的鈣離子含量，初配值是由兩種水樣所含鈣離子濃度以及混合比例計(jì)算得來(lái)。實(shí)驗(yàn)所測(cè)得鈣離子含量與理論預(yù)測(cè)值相比較，兩者的差值為失鈣量，兩者差值越大，則說(shuō)明兩個(gè)水樣不配伍性越嚴(yán)重。

由圖1可以得出以下結(jié)論：（1）長(zhǎng)6與不同層位地層水進(jìn)行配伍，靜置時(shí)間為240 h時(shí)，整體上60 ℃的失鈣量大于25 ℃的失鈣量。（2）長(zhǎng)6和其他地層水配伍失鈣量由大到小的排列順序?yàn)椋洪L(zhǎng)3>長(zhǎng)9>長(zhǎng)8>清水>長(zhǎng)4+5。因此長(zhǎng)6與長(zhǎng)3的配伍性最差，25 ℃和60 ℃條件下失鈣量基本相當(dāng)，最高失鈣量為842 mg·L^-1，并且混合體系中隨著長(zhǎng)6含量的減小失鈣量增多，結(jié)垢量增加，這是因?yàn)橄啾乳L(zhǎng)6而言長(zhǎng)3地層水礦化度較高，Ca²⁺的含量較多，兩者的配伍性差。（3）清水與長(zhǎng)6的配伍性僅次于長(zhǎng)4+5，混合后失鈣量普遍在200 mg·L^-1左右，這是因?yàn)樽⑷胨V化度較低，Ca²⁺離子的濃度較低。

3? 結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)6與不同層系的地層水開(kāi)展結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)，可以判斷不同層系地層水的配伍程度，為防垢解堵和污水選擇性回注提供理論依據(jù)。由于垢物成分多樣，因而預(yù)測(cè)方法也是多樣的^[9]，本論文通過(guò)Davis-stiff飽和指數(shù)（SI）法和飽和系數(shù)（S）法對(duì)結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1? 碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)

對(duì)碳酸鈣結(jié)垢預(yù)測(cè)采用Davis-stiff飽和指數(shù)（SI）法^[10-11]，此方法是先計(jì)算飽和指數(shù)SI，然后進(jìn)行判斷。

SI的計(jì)算方法為：

SI=pH-pHs

=pH-K+lgC[Ca²⁺]+lg（2C[CO₃^2-]+C[HCO₃^-]）

式中K由水溫和水中離子強(qiáng)度μ決定的修正值。不同溫度時(shí)，離子強(qiáng)度μ與碳酸鈣修正系數(shù)K的關(guān)系查圖版得到^[12]。

μ=0.5∑C_iZ_i²

式中：C[CO₃^2-]-CO₃^2- 的濃度，mol·L^-1;

C[HCO₃^-]-HCO₃^-的濃度，mol·L^-1;

pH-水樣的實(shí)測(cè)pH值;

pHs-CaCO₃ 達(dá)到飽和時(shí)的pH值;

C[Ca^{2 +}]- Ca^{2 +}的濃度，mol·L^-1;

C_i -各離子的濃度，mol ·L^-1;

Z_i -各離子的價(jià)數(shù);

SI-飽和指數(shù)。

結(jié)垢預(yù)測(cè)依據(jù)：SI>0，表示CaCO₃已達(dá)過(guò)飽和狀態(tài)，會(huì)結(jié)垢; SI<0，表示水中CaCO₃未達(dá)到飽和狀態(tài)，不能結(jié)垢;SI = 0，表示CaCO₃剛達(dá)到飽和點(diǎn)。

CaCO₃結(jié)垢趨勢(shì)如圖2所示。（1）在60 ℃條件下長(zhǎng)6地層水自身有輕微的碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)，? 25 ℃條件下自身無(wú)碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)，長(zhǎng)6與其他不同地層水混合在60 ℃的碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)大于? 25 ℃的結(jié)垢趨勢(shì)。（2）長(zhǎng)6與其他地層水碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)由大到小的排列順序?yàn)椋洪L(zhǎng)3>長(zhǎng)9>長(zhǎng)8>清水>長(zhǎng)4+5，與長(zhǎng)3的碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)最大，在60 ℃和25 ℃下當(dāng)兩者的比例分別達(dá)到4∶6和?? 2∶8時(shí)SI最大;長(zhǎng)6和長(zhǎng)4+5混合液整體上碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)最小，這是因?yàn)殚L(zhǎng)6和長(zhǎng)4+5地層水礦化度相接近。

（3）長(zhǎng)6和清水的結(jié)垢趨勢(shì)略大于長(zhǎng)4+5的結(jié)垢趨勢(shì)，這是因?yàn)镃a²⁺離子的濃度較低。由此可見(jiàn)長(zhǎng)6與不同層系地層水混合碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)與配伍性實(shí)驗(yàn)吻合，即失鈣量越大，碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)就越大。

3.2? 硫酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)預(yù)測(cè)

采用飽和系數(shù)法（S）對(duì)硫酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，飽和系數(shù)法考慮了離子間的不同離子效應(yīng)、溫度、壓力以及水體系的多元預(yù)測(cè)方法^[13]。根據(jù)水體系中硫酸鈣成垢物質(zhì)的平衡方程S的計(jì)算方法為：

S=（C（Ca^{2 +}）·C（SO₄^2-））/Q_sp

式中： S-飽和系數(shù);

C（Ca²⁺）-Ca²⁺的濃度，mol·L^-1;

C（SO₄^2-）-SO₄^2-的濃度，mol·L^-1;

Q_sp-CaSO₄的溶度積;

Q_sp-由水溫和水中離子強(qiáng)度μ共同決定，查閱圖版可以得到。

判斷依據(jù)：S>1，表示水中CaSO₄有結(jié)垢傾向;S=1，表示CaSO₄處于飽和狀態(tài);S<1，表示CaSO₄沒(méi)有結(jié)垢傾向。

CaSO₄的結(jié)垢趨勢(shì)如圖3所示。

1）在25 ℃和60 ℃條件下，長(zhǎng)6與不同地層水的混合樣S均小于1，說(shuō)明長(zhǎng)6與不同地層水混合后在地面和儲(chǔ)層條件下均無(wú)硫酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)存在。在兩種溫度條件下的S值基本一致，說(shuō)明CaSO₄的結(jié)垢趨勢(shì)基本不受溫度的影響。

2）整體上隨著長(zhǎng)6含量的減少，S上升，主要是長(zhǎng)6地層水中成垢離子SO₄^2-的濃度較低。

3）長(zhǎng)6與注入水以不同比例混合后硫酸鈣的結(jié)垢趨勢(shì)大于與地層混合后的，這主要是注入水礦化度比較低，含有較高濃度的成垢陰離子SO₄^2-，所以隨著注入水的增加S增大。

4? 結(jié) 論

1）華慶油田長(zhǎng)6地層水與不同層位地層水混合后均有不同程度的結(jié)垢現(xiàn)象，其中長(zhǎng)6與長(zhǎng)4+5地層水配伍性最好，與長(zhǎng)3配伍性最差，因此對(duì)于長(zhǎng)6儲(chǔ)層應(yīng)當(dāng)選擇性回注污水，以礦化度相接近的長(zhǎng)4+5為宜，避免高礦化度的長(zhǎng)3地層水與長(zhǎng)6儲(chǔ)層接觸。

2）長(zhǎng)6地層水與其他層位地層水穩(wěn)定性差，碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)明顯，無(wú)硫酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)，碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)與配伍性實(shí)驗(yàn)基本吻合，60 ℃條件下碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)大于25 ℃條件下的結(jié)垢趨勢(shì)，其中長(zhǎng)6與長(zhǎng)3的結(jié)垢趨勢(shì)最大，長(zhǎng)6與長(zhǎng)4+5的結(jié)垢趨勢(shì)最小。

3）長(zhǎng)6與不同層系地層水混合后主要生成碳酸鈣垢，在油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)采取以鹽酸為主的地層解堵措施，注水過(guò)程中加入碳酸鈣抑制劑，避免差異較大的不同層系采出水混注。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：61572084）。

收稿日期：2020-04-21

作者簡(jiǎn)介：張豐峰（1993-），男，甘肅省慶陽(yáng)市人，碩士研究生，研究方向：石油與天然氣工程。E-mail：1307997269@qq.com。

通訊作者：李軍亮（1977-），男，副教授，博士，研究方向：采油采氣工藝。E-mail：lijunliang01@163.com。