延安區塊油井成垢離子趨高成因及其防垢措施研究

趙升，徐江峰，王成艷，薛東圓，黎力，郝健

（延長油田股份有限公司化驗中心，陜西 延安 716000）

隨著延安區塊油井的開發進入新階段，混層開發已經比較多見，產生的油田采出水性質也越來越復雜，但由于采出水中成垢離子含量普遍較高，其在溫度、壓力等條件變化或與其他層位采出水接觸的情況下，容易在井筒內壁結晶析出，長時間累積造成井筒中堵塞節流現象嚴重[1-2]。目前常見的結垢堵塞類型主要為固相物與緩蝕劑引起的復合堵塞、硫沉積堵塞、結鹽堵塞及水合物堵塞[3-4]。延安區塊油井目前已有上千多口井由于干線及管道等出現大量異物，造成的管道堵塞和腐蝕引起的管道穿孔、設備的損毀失效等，嚴重影響油井的正常生產，使井筒內壓差增大，產量下降，甚至導致關井停產。

國內外學者目前對油田開采過程中的結垢問題研究主要涉及結垢機理研究、結垢影響因素、結垢趨勢預測模型以及結垢速率分析等方面[5-6]，但鮮有學者研究成垢離子的來源。本文以延安區塊嚴重堵塞的單井YA-1 為研究對象，在采出水水質和堵塞異物組成分析的基礎上，對其采集的地層巖屑進行分析，研究產生結垢堵塞的成垢離子來源，并提出相應的防垢及處理措施，以期解決井筒結垢堵塞問題，為現場實現解堵及預防提供依據，達到延長油井壽命、提高產能的目的。

1 材料與方法

1.1 主要試劑與儀器

主要試劑：石油醚、鹽酸、氫氧化鈉、硝酸銀、氯化鋇、氯化鈉均為分析純。

主要儀器：HK-8100 型電感耦合等離子發射光譜儀（ICP，北京華科易通分析儀器公司）；XRF-1800型X 射線熒光光譜儀（XFS，日本島津有限公司）；X-衍射儀D/MAX-2400（XRD，日本理學公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 采出水組成及性質分析方法

實驗水樣選取延安區塊油田典型嚴重堵塞的YA-1 單井的采出水。按照石油行業標準《油氣田水分析方法》(SY/T 5523—2016)對采出水水質組成進行分析[7]。

1.2.2 堵塞異物分析方法

采集YA-1 的堵塞異物進行組分分析，將堵塞異物放于105 ℃條件下烘干2 h 測其含水率，同時使用XRF-1800 X 射線熒光光譜儀對烘干后的堵塞異物進行化學成分分析；干燥樣品后在研缽中研細，稱取一定量用石油醚萃取，取固相烘干，測定其含油率；再取一定量放入馬弗爐中至550 ℃和950 ℃下分別煅燒2 h，測定各溫度段的煅燒減量；對煅燒后的堵塞異物用1+1 HCl 溶解后過濾，濾液定容到500 mL，測其陽離子含量，濾渣用于測定酸不溶物，使用XRF-1800 X 射線熒光光譜儀對烘干后的堵塞異物進行化學成分分析。

1.2.3 成垢離子來源分析

1）巖屑XRD 分析 調取YA-1 的巖屑研碎，對其進行XRD 分析。

2）巖屑浸出實驗 稱取10 g YA-1 的巖屑，分別加入200 mL 的蒸餾水、10 000、50 000、100 000 mg·L-1的NaCl 溶液浸泡，搖勻后放于90 ℃的烘箱中，浸泡50 d 后測其水溶液中的成垢離子含量；用100 mL 1+1 HCl 溶解10 g 的巖屑，測其離子含量，確定離子來源。

1.2.4 阻垢劑優選

依據SY/T 5673—1993《油田用防垢劑性能評定方法》[8]，選擇兩種鋇阻垢劑（鋇Ⅰ和鋇Ⅱ），取8份YA-1 的采出水，兩種阻垢劑加量分別為40、80、120 和160 mg·L-1，搖勻后于70 ℃下恒溫16 h，測定兩種阻垢劑對BaSO4的阻垢率。

2 結果與討論

2.1 采出水水質分析

根據1.2.1 的分析方法，對進入分離器的YA-1采出水水質分析結果見表1。

表1 YA-1 單井采出水的水質組成分析 （mg·L-1,pH 除外）

由表1 可知，延安區塊油田的YA-1 采出水礦化度高，易成垢離子Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+含量高，且含有SO42-，易產生硫酸鹽垢沉淀；pH 值較低，采出水顯弱酸性，HCO3-電離產生CO32-的能力減弱，因此碳酸鹽垢含量可能不高，鐵離子、Cl-含量較高，會產生一定的腐蝕作用。

2.2 堵塞異物組成分析

采集YA-1 單井的堵塞物，通過化學容量法和X-熒光光譜儀對堵塞物進行化學成分分析，結果見表2 和表3。

表2 堵塞產物組成分析結果（化學容量法） 質量分數/%

表3 堵塞產物組成分析結果（XFS）以氧化物質量分數計 質量分數/%

從表2 和表3 可知，YA-1 的堵塞物含油量和有機物含量較低，排除由于油污、油井作業流體、結蠟等造成的油井堵塞，而是以酸不溶的硫酸鍶（鋇）垢為主形成的無機物堵塞。其中硫酸鍶（鋇）垢質量分數達76.60%，酸溶物中Fe 所占比例相較與其他陽離子較高，可能伴隨著一定程度的腐蝕。此外還含有少量的鈣、鈉、鋁、硅酸鹽，微量的鎂、鉀、磷酸鹽等物質。由于鋇、鍶在地層中屬于微量元素，常存在于儲層中的大量礦物中，而該井在近兩年無任何作業，故需進一步研究成垢離子鋇、鍶的來源。

2.3 成垢離子來源分析

2.3.1 巖屑組成分析

為了研究YA-1 內形成酸不溶的硫酸鍶（鋇）垢的離子來源，調取YA-1 的巖屑，對其組成進行X射線衍射晶相(XRD)分析，結果如圖1。

圖1 YA-1 巖屑XRD 圖譜

由圖1 可以看出，CaMg(CO3)2、SiO2、CaCO3和Ba0.25Sr0.75SO4的峰值較強，SrSO4、BaCO3和BaSO4的峰值較弱，說明巖屑中含有大量的CaCO3、MgCO3、SiO2和一定量SrSO4、BaCO3、BaSO4等無機物。在油井的生產過程中，地層巖屑中的的無機物會在油水環境中沖刷和浸泡的作用下溶解產生Ca2+、Mg2+、Ba2+和Sr2+等易成垢離子，且在深井條件下，酸性物質也會和巖屑中的碳酸鹽、硅酸鹽等物質發生溶解。在酸性條件下，CaMg(CO3)2、CaCO3、BaCO3等物質會和水溶液中的H+反應溶解產生Ca2+、Mg2+和Ba2+等易成垢離子，反應方程式見1-3。

SrSO4、BaSO4在濃酸條件下通過酸性侵蝕溶解作用產生也會一定量的成垢離子Sr2+和Ba2+。YA-1筒采出水為弱酸性，且含有SO42-、HCO3-等成垢陰離子，會和巖屑溶解出的（尤其是工作液為強酸性時）Ca2+、Mg2+、Ba2+和Sr2+等離子結合，產生硫酸鹽和碳酸鹽結垢，沉積在油井管道內部，使得井筒堵塞且腐蝕作用加劇。

2.3.2 巖屑浸出實驗

選用不同濃度的NaCl 溶液和1+1 HCl 對巖屑進行浸泡試驗，實驗時間為50 d，巖屑浸出液中離子分析結果見表4。

表4 浸泡巖屑后不同溶液中離子成分分析

由表4 可知，YA-1 地層巖屑在不同溶液中浸泡會溶解出一定量的成垢陽離子。其中用NaCl 溶液就可以溶解出部分Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+離子，并隨著溶液濃度的增加，Ca2+、Mg2+、Ba2+和Sr2+離子均呈明顯增加的趨勢，Fe 溶解出的量較小，這是由于當NaCl 濃度越高時，溶液中的Cl-濃度越大，礦化度越高，Cl-會穿過巖屑中的孔隙，到達巖屑內層，使得巖屑與溶液的接觸面積增大，且由于腐蝕加劇，使得巖屑更容易溶解，浸出液中的離子濃度增大。用1+1 HCl 進行巖屑浸泡實驗時，溶液中Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+和Fe 離子含量明顯高于NaCl 溶液的浸出量。由此可知，YA-1 在長時間的生產過程中，其采出水中的Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+離子在沒有外界藥劑添加情況下主要來源于地層巖屑在地層水中的溶解作用，尤其是當對儲層進行酸化作業后，酸液通過酸性侵蝕溶解作用，極大地增加了采出水中Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、Fe 離子的濃度，當遇到不同層位的地層水含有成垢陰離子時，就會在井筒或地面管線結垢，導致管線堵塞[9-11]。

2.4 防垢措施研究

2.4.1 阻垢劑的篩選

化學防垢法是目前國內外對于油氣田防垢的主要方法[12-13]。根據堵塞異物的組成成分結果可知，YA-1 的堵塞物主要是酸不溶的硫酸鍶（鋇）垢，且大部分為BaSO4垢。實驗選用兩種鋇阻垢劑，對不同濃度的阻垢劑對采出水的阻垢效果進行評價，實驗結果見圖2。

圖2 不同阻垢劑的阻垢效果

由圖2 可知，隨著阻垢劑加量的增加，阻垢率逐漸增大，當阻垢劑加量為40 mg·L-1后，兩種阻垢劑的阻垢效果基本趨于穩定。其中鋇Ⅱ的阻垢率均高于鋇Ⅰ，阻垢劑加量為40 mg·L-1時，阻垢率在95%以上，阻垢效果良好。因此，在實際工作中，可以通過投加阻垢劑的方式防止YA-1 內硫酸鍶（鋇）垢的產生，有效控制井筒內產生無機物堵塞。

2.4.2 防垢控制措施

1）投加高效鋇鍶阻垢劑。使用防垢劑是油氣田常用的控制結垢措施，添加少量防垢劑能起到延緩、減少或抑制結垢的作用。

2）嚴格控制酸化壓裂返排液排放，避免進入后續油井管線而導致的油井堵塞。

3）控制物理條件。影響硫酸鍶鋇結垢的外界因素主要有溫度、壓力、含鹽量、pH 值、成垢離子濃度、水的流動狀態、管道形狀及其他環境條件等。從設計角度考慮，要防止垢的生成，輸油管道的內壁應光滑或施以涂層，減少彎管，增大水的流速等[14-15]。

3 結論

1）YA-1 單井采出水礦化度高，易成垢離子Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+含量高，pH 值較低，Fe2+/3+、Cl-含量較高；其堵塞異物的主要成分為酸不溶的硫酸鍶（鋇）垢，并含有少量的腐蝕產物。

2）YA-1 單井內巖屑的主要成分為CaCO3、MgCO3和SiO2，并含有一定量Ba、Sr 的無機鹽；在井筒中油水環境和酸性條件下溶解產生易成垢的Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+離子。YA-1 采出水中的Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、Fe 離子主要來源于地層巖屑在水中的溶解作用，特別是地層的酸化壓裂。

3）鋇Ⅱ阻垢劑阻垢性能較好，阻垢率隨阻垢劑加量的增加而逐漸增大，在阻垢劑加量為40 mg·L-1后，阻垢效果最佳趨于穩定，阻垢率達95%以上。因此，在實際工作中，可以通過投加阻垢劑的方式防止YA-1 內硫酸鍶（鋇）垢的產生，有效控制井筒內產生無機物堵塞；也可以采取控制酸化壓裂返排液的排放和井筒內的物理條件等方式防垢。