油田采出水結垢趨勢及工藝優化技術研究

路遙軍，石 美，刁永強，李 娟，王婷婷，劉亞靜

1.中國石油華北油田公司第五采油廠，河北辛集 052360

2.中國石油華北油田公司第一采油廠，河北任丘 062552

3.中國石油華北油田公司二連分公司，內蒙古錫林浩特 026000

4.中國石油華北油田公司儲氣庫管理處，河北廊坊 065000

5.華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司，江蘇鎮江 212000

隨著油田的深入開發，油井采出液的含水率不斷上升，采出水的處理量不斷增加。對于非均質性較強的低滲和特低滲透油藏，注水開發仍然是通過補充地層能量從而提高采收率的重要措施之一[1-2]。一旦回注水與地層水或不同回注水之間的配伍性出現問題，會導致地層滲透性變差，注水壓力上升，從地面管網到井筒發生腐蝕結垢現象，增加流動阻力，影響注水開發效果[3-5]。

華北油田公司留17水處理站于2008年建成投產，用于留17、留18、留416采出水的處理及回注，采出水處理能力為1 200 m3/d，采用沉降+兩級精細過濾的處理工藝。根據留17、留18、留416斷塊的平均空氣滲透率，目前工藝處理效果不能達到此三個斷塊的注水水質要求，即注水水質指標需達到SY/T 5329—2012的推薦水質要求（含油≤6 mg/L、懸浮物≤2 mg/L、粒徑中值≤1.5 μm）。

目前，對于油田水結垢趨勢的預測通常參照SY/T 0600—2009《油田水結垢趨勢預測》進行，該標準給出了常見碳酸鹽和硫酸鹽的結垢趨勢預測方法，但在進行多區塊配伍性試驗時，工作量較大，且試驗室通常為常溫常壓條件，無法模擬井筒中不同溫度、壓力梯度條件下的結垢量[6-7]。因此，本項目采用美國OLI的ScaleChem結垢趨勢預測軟件，根據水質分析結果，分析造成結垢的原因，篩選出合適的阻垢劑和絮凝劑，并對加藥流程和加藥點進行優化，以期為改善水質、提高注水系統效率提供參考。

1 試驗部分

（1）試驗儀器。UV5200型紫外-可見分光光度計、KYKY-EM8100型掃描電子顯微鏡SEM、Sartorius BSA224S型電子天平（精度0.01 mg）、LDY-2型多功能巖心驅替試驗裝置、人造巖心（φ20 mm×50 mm，平均滲透率10～50 mD），阻垢劑和絮凝劑均為分析純級別。

（2） 水質分析。參照SY/T 5523—2016《油田水分析方法》對水質進行全組分分析，參照SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法》對水質中的含油量、懸浮物含量進行測定，SRB的測定采用絕跡稀釋法。

（3） 結垢預測。ScaleChem軟件可以根據電荷平衡和pH值對水樣進行自動調和，模擬不同溫度、壓力和酸堿度變化條件下的熱力學結垢情況，最高可預測315℃、150 MPa、70 000 mg/L質量濃度下的結垢趨勢。采用該軟件，對兩種注入水在地面處理設備和注水井筒中的結垢量和結垢類型進行預測，井筒深度3 000 m。

（4）注水傷害試驗。參照SY/T 5358—2010《儲層敏感性流動實驗評價方法》對人工巖心進行注水傷害試驗，首先用地層水飽和人工巖心，在設定溫度下測定水相滲透率K1，隨后用注入水進行驅替試驗，測得傷害后的水相滲透率為K2，采用（1-K2/K1） 計算巖心滲透率的下降率C，當C≥30%時，認為注入水對地層的傷害很大，不能進行注入[8-9]。

2 結果與討論

2.1 采出水水質分析及結垢的預測與分析

（1） 采出水水質分析。取留17、留18、留416三個斷塊典型油井的采出液（采出水），在試驗室進行采出水水質分析，結果見表1。

表1 不同來源采出水水質分析

通過水質分析可知，不同斷塊的采出水礦化度均較高，Cl-含量達到了礦化度的一半，普遍為弱堿性水質，主要為CaCl2水型，水中的Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+等成垢陽離子和等成垢陰離子的質量濃度較高，采出水的結垢趨勢明顯。

（2）采出水在注水井筒中結垢的預測。當采出水量不能滿足油田地質的要求時，需要補充部分淺層地下水進行清污混注。以留17斷塊的采出水為例，與淺層地下水進行9∶1混合后，利用ScaleChem的“Mixing”模擬在注水井筒中的結垢趨勢，溫度從井口40℃增加到井底90℃，壓力隨井深變化從井口20 MPa增加到45 MPa，預測結果見圖1。

由圖1可知，回注水在注水井筒內存在結垢現象，以CaCO3垢樣為主，隨著井深的增加，CaCO3、BaSO4的結垢量呈下降趨勢，但對比井口和井底的條件，結垢量變化不大，在井筒底部的CaCO3的結垢量為488 mg/L，BaSO4的結垢量為154 mg/L，CaCO3垢樣的顆粒較大，如不經過處理回注到地層中，會導致儲層滲透率下降，對儲層造成不可逆的傷害。

（3）采出水在水處理設備中結垢的預測。采出水與淺層地下水混合后在采出水處理站進行處理時，同樣會在過濾器、沉降罐、調節罐、彎頭及閥門的滯留區形成垢樣[10-11]，在此通過模擬外界氣溫變化，對設備和附件中的結垢趨勢進行預測，預測結果見圖2。

圖2 采出水在水處理設備中的結垢量

由圖2可知，隨著溫度的上升，在5～20℃的條件下，CaCO3垢樣大量形成，成垢趨勢明顯，之后結垢量略微下降；BaSO4垢樣隨著溫度的上升呈下降趨勢；SrCO3垢樣在5～20℃的條件下，迅速減小，隨后趨于平穩。

（3） 采出水在水處理設備中結垢的SEM和EDS分析。分別對10℃和25℃的沉積垢樣進行電鏡掃描觀察，10℃條件下垢樣表面不平整，主要為棱角分明的六方晶系形式，顆粒之間無明顯的連接，為典型的CaCO3晶體結構，此外垢樣表面較為疏松，還存在其他顆粒狀、三角狀物質，推測可能由多種垢樣形成（見圖3（a））；25℃條件下，CaCO3迅速生長，小的六方晶體不斷聚并，晶體之間出現明顯的絲狀和帶狀連接物，晶體之間化學連接鍵的作用加強，晶核尺寸迅速生長，晶粒數和尺寸逐漸穩定（見圖3（b））；對25℃的垢樣進行能譜分析，得知Ca、Ba、C和O元素的含量較高，Sr元素含量較低，與之前的ScaleChem預測吻合（見圖3（c））。

圖3 垢樣的掃描電鏡與能譜分析

2.2 阻垢劑優選

（1）單一阻垢劑的阻垢效果。分別選取兩種有機膦系阻垢劑DTPMPA（二乙烯三胺五甲叉磷酸鈉）、EDTMPS（乙二胺四甲叉磷酸鈉）和兩種聚合物類阻垢劑PASP（聚天冬氨酸）、PESA（聚環氧琥珀酸）進行阻垢性能篩選，評定方法參照SY/T 5673—2006進行，試驗溫度70℃。在低濃度下，觀察4種阻垢劑對水樣的阻垢率，見圖4。

圖4 低濃度下4種阻垢劑的阻垢效果

由圖4可知，在低濃度加藥量下，4種阻垢劑的阻垢率均不高，在質量濃度40 mg/L的條件下，EDTMPS、PASP和PESA的阻垢率超過了60%，DTPMPA的阻垢率僅為38.2%，且阻垢趨勢變化較大，證明阻垢效果不穩定。

（2）總濃度一定時，不同比例復配阻垢劑的阻垢效果。根據試驗結果，選擇阻垢效果較好的3種阻垢劑進行兩兩復配試驗，總質量濃度為40 mg/L，結果見圖5。

圖5 阻垢劑復配效果

由圖5可知，EDTMPS和PESA的復配效果最差，與單獨使用的阻垢率相差不多，通過檢查廣口瓶中的水樣發現存在大顆粒的懸浮垢和部分沉積垢，說明阻垢效果較差；EDTMPS與PASP在2∶1的條件下阻垢效果最好，可達90.5%，觀察廣口瓶中只有少量的懸浮垢存在于水中，阻垢機理主要為分散作用和晶格畸變作用；PASP與PESA在3∶1的條件下阻垢效果最好，可達92.1%，觀察廣口瓶中只有少量的沉積垢附著在瓶底，阻垢機理主要為絡合增溶作用和閾值效應。

（3）在不同阻垢劑濃度、溫度、水質礦化度和pH值條件下，兩種復配阻垢劑（EDTMPS與PASP復配比例為2∶1、PASP與PESA復配比例為3∶1）的阻垢效果穩定性分析。分析結果見圖6。

圖6 不同因素對復配阻垢劑阻垢效果的影響

從圖6（a）可以看出，兩種復配阻垢劑的性能差異較為顯著，隨著濃度的增加，PASP與PESA復配的阻垢率曲線波動較大，EDTMPS與PASP復配后曲線趨勢平緩，阻垢率均呈現先增大后緩慢減小趨勢。

從圖6（b）可以看出，隨著溫度的升高，阻垢率均呈現先增大后減小趨勢，在70℃時阻垢效果最好，這是由于隨著溫度升高，分子間運動增強，活化反應加快，但隨著溫度繼續上升，阻垢劑束縛成垢陽離子結晶成核的動力學作用減弱，影響了阻垢效果。

從圖6（c） 可以看出，隨著NaCl含量的增加，阻垢率均呈現先明顯增加后緩慢降低趨勢，兩條曲線較為平穩，這是由于隨著溶液中NaCl含量的增加，垢樣的成核速度減小，溶解度增大，當NaCl為30 g/L時，溶解度達到最大，隨后溶解度有所下降，故阻垢率緩慢下降。

從圖6（d） 可以看出，兩條曲線在pH值呈酸性或堿性的條件下，阻垢效果較差，在pH值為7時阻垢效果最好，這是由于pH較低時，會對設備和管道產生腐蝕作用，腐蝕產物阻礙阻垢劑在金屬表面成膜，pH較高時促進了轉化為，使結垢反應向正向移動，增大了結垢量。

綜上所述，當PASP與PESA以3∶1復配時，阻垢效果起伏較大，穩定性較差；當EDTMPS與PASP以2∶1復配時，阻垢效果較為穩定。因此，選擇EDTMPS與PASP以2∶1比例復配的阻垢劑。

2.3 絮凝劑優選

由水質分析可知，不同水樣除了含有成垢離子外，懸浮物含量也超標，原工藝只添加了PAC（聚合氯化鋁）一種無機絮凝劑，出水效果并不好。經研究表明，將無機絮凝劑和有機絮凝劑進行復配，在低濃度下即可產生較好的協同作用。對CPAM（陽離子聚丙烯酰胺）、APAM（陽離子聚丙烯酰胺）、QPVP（季銨化聚乙烯吡啶）、SZYA（烴基化陽離子玉米淀粉）4種有機絮凝劑的單劑效果進行評價，加藥質量濃度1mg/L。試驗結果表明：

（1）CPAM相對其他藥劑具有絮團形成和沉降時間短、絮團相對尺寸大、上清液透光率高等特點[12]，因此選擇CPAM為與無機絮凝劑PAC復配的有機絮凝劑。

（2）無機和有機絮凝劑的添加比例、攪拌時間以及加藥間隔均會對絮凝效果產生影響，在此利用Designexpert8.0軟件進行響應曲面設計（RSM），并將試驗結果導入origin進行數據處理，每個因素設計5個水平，結果見圖7。隨著絮凝劑濃度的不斷增加，透光率呈現先上升后降低的趨勢，響應曲面呈網兜狀分布，當PAC與CPAM的質量濃度分別為70 mg/L和1 mg/L時，透光率最高；攪拌時間主要影響絮凝劑的分子擴散和流體介質的湍動能[13]，加藥間隔主要影響絮體的成形和脫穩[14]，當攪拌時間和加藥間隔分別為5 min和30 s時，透光率最高。

3 現場工藝流程優化

3.1 工藝流程改造

留17站原采出水處理及注水系統的工藝為：油區來水先進入700 m3除油罐和沉降罐，然后進兩級石英砂過濾器，最后經殺菌后進入注水罐，其流程如圖8（a）所示。該工藝存在以下問題：

（1）只添加了PAC（聚合氯化鋁）一種無機絮凝劑，絮團的形成和沉降時間較長，相對尺寸較小，加大了過濾器的負擔，反洗周期較短。

（2） 沉降罐前后流程沒有緩沖罐和調節罐，油區來水與淺層地下水混合后沉降時間不夠，出口水質懸浮物超標。

（3）除氧劑在過濾之前添加，水質經過濾后進入注水罐仍然有曝氧的可能。

（4）無罐底污泥處理裝置。

針對存在的上述問題，對該工藝進行了改進，改進后的工藝流程如圖8（b）所示：首先油區來水加入阻垢劑和緩蝕劑后進入除油罐，除去水中的浮油和分散油。隨后與淺層地下水混合后進入調節罐，通過調節罐的液位調整不同水源水的配比，達到要求后進入沉降罐沉降1～2 h，與此同時先加入70 mg/L PAC，再加入1 mg/L CPAM，加藥時間與沉降罐進水時間保持一致，保證藥劑充分混合。此后沉降罐上清液進入緩沖罐進行二次沉降，沉降后經提升泵加壓進入兩級精細過濾器，過濾后進入注水罐，并分別在注水罐前端和后端進行殺菌和除氧；而沉降罐罐底污泥則排入生物反應池，對含油污泥中的油類和有機物進行降解，而后進入疊螺機進行調制-機械分離以降低污泥中的含水率，從而減少外運體積。

圖7 不同因素對絮凝劑絮凝效果的影響

圖8 采出水處理工藝流程

3.2 改造后工藝流程不同節點的水質分析評價

對改造后工藝流程的不同節點（油區來水、絮凝罐出口、過濾器出口、注水罐出口）進行水質分析，以此確定工藝優化效果。水質分析結果如表2所示，處理后水質的含油量、懸浮物含量均有大幅降低，三種細菌的含量也大幅降低，出水水質達到SY/T 5329—2012中的推薦水質指標。

表2 改造后工藝流程不同節點的水質變化

3.3 人工巖心傷害試驗評價

取處理前后的采出水進行人工巖心傷害試驗，以評價采出水中含油量、懸浮物含量、粒徑中值、菌類和結垢產物對地層的傷害，評價結果見圖9。隨著注水倍數的增加，滲透率的下降幅度不斷增加，當注水倍數為30倍的孔隙體積時，由處理前采出水引起的滲透率下降幅度為48.2%，而處理后的下降幅度則為21.7%，未超過30%，因此處理后采出水可以作為合格的采出水進行回注。

圖9 不同注水倍數下的人工巖心滲透率下降率

4 結論

（1）利用ScaleChem結垢預測軟件，對注水井筒和采出水處理設備中的結垢量進行了預測，在井筒底部，CaCO3的結垢量為488 mg/L，BaSO4的結垢量為154 mg/L。

（2） 當PASP與PESA以3∶1進行復配時，其阻垢效果起伏較大，穩定性較差；當EDTMPS與PASP以2∶1進行復配時，其阻垢效果較為穩定。

（3）處理后水質的含油量、懸浮物含量均大幅降低，出水水質達到SY/T 5329—2012中的推薦水質指標，巖心滲透率的下降幅度為21.7%，處理后采出水可以作為合格的采出水進行回注。