海上A油田注水井結垢分析及防垢措施研究

李 暉，于福生*

(1.中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249；2.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249)

注水是目前大多數油田主要采取的一種開發方式，尤其對于中、低滲透油藏而言，通過注水可以有效補充地層能量，達到提高油藏采收率的目的[1-4]。然而由于注入水中通常含有較多的成垢離子，如鈣離子、鍶離子、鋇離子、碳酸根離子、碳酸氫根離子以及硫酸根離子等，當注入水經過井筒注入到地層中時，溫度和壓力會發生變化，通常會導致注入水自身產生一定的結垢現象。另外，注入水與地層水接觸后，如果水型不同，其配伍性通常會較差，進而產生更加嚴重的結垢現象，會對注水井井筒或者地層產生比較嚴重的堵塞損害，嚴重影響油田注水開發的效率[5-8]。

海上A油田屬于典型的中、低滲透油藏，前期一直采取注水開發，近年來，隨著注水開發時間的不斷延長，大部分注水井出現了注水壓力升高、井筒結垢及注水量下降的現象。針對注水井堵塞，通常會采取酸化解堵措施來降低注水壓力，增大注水量。海上A油田大部分注水井前期采取過常規的酸化解堵措施，也取得了較好的解堵效果，注水井的日注水量得到明顯提高，注水壓力顯著降低，但隨著后續注水作業的持續進行，又發生注水井堵塞的現象。因此，為縮短酸化解堵措施的周期，從源頭上解決注水井結垢堵塞的問題，需要對注水井結垢現象進行分析，并研究切實可行的防垢措施[9-12]。作者以海上A油田現場平臺注入水和地層水為研究對象，分析其離子組成，測定注入水及注入水與地層水混合后的結垢量，并針對性地開展防垢措施研究，為提高海上A油田注水開發效率提供一定的技術支持。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

注入水樣，取自海上A油田現場平臺；地層水樣、天然巖心，取自海上A油田儲層段。

防垢劑HEDP、ATMP、EDTMP、PBTCA、PESA，有效質量濃度均為80%，市售；復合防垢劑FHFG-1和FHFG-2，有效質量濃度均為80%，自制。

電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；HH-6型數顯恒溫水浴鍋，金壇白塔金昌實驗儀器廠；多功能巖心驅替實驗裝置，海安縣石油科研儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 注入水和地層水離子組成測定

收集目標油田現場平臺注入水及地層水，按照石油與天然氣行業標準SY/T 5523-2016《油田水分析方法》中的規定，將水樣過濾，采用電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)對水樣的離子組成進行測定。

1.2.2 靜態結垢量測定

按照石油與天然氣行業標準SY/T 5523-2016《油田水分析方法》中的規定，通過測定水樣結垢前后成垢離子(以鈣離子為準)的濃度來測定其靜態結垢量。具體方法為：在錐形瓶中加入一定體積的水樣(注入水或者注入水與地層水混合水樣)，用保鮮膜密封，置于水浴鍋中，在不同溫度下恒溫24 h；取出冷卻，按1.2.1方法測定結垢后水樣中鈣離子濃度，按式(1)計算靜態結垢量(mg·L-1)。

(1)

式中：c0為結垢前水樣中初始鈣離子濃度，mg·L-1；c1為結垢后水樣中鈣離子濃度，mg·L-1；M1為CaCO3的摩爾質量，100.09 g·mol-1；M0為Ca2+的摩爾質量，40.00 g·mol-1。

1.2.3 防垢劑性能評價

按照行業標準SY/T 5673-2020《油田用防垢劑通用技術條件》中的規定，通過測定注入水或者注入水與地層水混合水樣中加入防垢劑前后鈣離子濃度的變化，評價防垢劑的防垢效果。

1.2.4 動態防垢效果評價

(1)將目標油田儲層段天然巖心洗油、烘干，抽真空飽和地層水，備用；(2)將巖心裝入巖心夾持器中，使用注入水(或加入防垢劑后的注入水)驅替巖心，驅替流速為0.3 mL·min-1，溫度為80 ℃，記錄驅替不同PV數時巖心的壓力值，計算滲透率，并與初始滲透率比較，計算驅替不同PV數后巖心的滲透率恢復值；(3)通過對比加入防垢劑前后注入水驅替巖心滲透率的變化情況，評價防垢劑在動態驅替過程中的防垢效果。

2 結果與討論

2.1 注入水和地層水離子組成分析(表1)

表1 目標油田注入水和地層水離子組成/(mg·L-1)

由表1可以看出，目標油田注入水中的鈣離子含量較高，達到了400 mg·L-1以上，而目標油田地層水中的碳酸氫根離子含量較高，達到了1 059 mg·L-1，當兩種水樣混合接觸后可能會產生大量的碳酸鈣垢；并且兩種水樣的總礦化度較高，均在30 000 mg·L-1左右。

2.2 注入水自身結垢情況(圖1)

圖1 不同溫度下注入水自身的結垢量

由圖1可以看出，隨著溫度的升高，目標油田注入水自身的結垢量逐漸增大，當溫度為80 ℃時，結垢量達到121.8 mg·L-1。說明在注入水經過井筒注入到目標地層的過程中，隨著溫度的不斷升高，注入水可能會在井筒中形成一定量的碳酸鈣垢。

2.3 注入水與地層水混合后的結垢情況(圖2)

圖2 不同溫度下注入水與地層水混合后的結垢量

由圖2可以看出，隨著溫度的升高，目標油田注入水與地層水按不同比例混合后的結垢量均逐漸增大，而在不同溫度下，注入水與地層水按體積比5∶5混合后的結垢量均大于其它混合比例；當溫度為80 ℃時，注入水與地層水按體積比5∶5混合后的結垢量高達489.3 mg·L-1，明顯高于注入水自身。說明注入水與地層水存在不配伍現象，在注入水經過井筒注入到地層的過程中，其與地層水混合后會產生比較嚴重的結垢現象。

綜上，無論是注入水自身，還是注入水與地層水按不同比例進行混合，均會產生碳酸鈣垢。因此，在海上A油田注水井的實際注水作業過程中，應采取防垢措施，以降低結垢對注水井井筒以及地層的損害程度。

2.4 防垢措施研究

2.4.1 不同類型防垢劑的性能評價

按1.2.3方法評價不同類型防垢劑對注入水與地層水按體積比5∶5混合后的防垢效果，防垢劑加量均為50 mg·L-1，實驗溫度為80 ℃，實驗時間為24 h，結果見圖3。

圖3 不同類型防垢劑的防垢效果

由圖3可以看出，不同類型防垢劑對注入水與地層水混合后的防垢效果有所不同，其中防垢劑PESA、FHFG-1和FHFG-2的防垢率相對較高,當其加量為50 mg·L-1時，防垢率均達到80%以上。后續針對這3種防垢劑開展加量優化實驗。

2.4.2 防垢劑加量優化

按1.2.3方法評價不同加量防垢劑(PESA、FHFG-1和FHFG-2)對注入水與地層水按體積比5∶5混合后的防垢效果，實驗溫度為80 ℃，實驗時間為24 h，結果見圖4。

由圖4可以看出，隨著防垢劑加量的增加，3種防垢劑對注入水與地層水混合后的防垢率均逐漸升高，其中防垢劑FHFG-1的防垢效果明顯優于防垢劑PESA和FHFG-2。當防垢劑FHFG-1加量為100 mg·L-1時，防垢率達到98%以上；再繼續增大防垢劑FHFG-1加量，防垢率的變化不明顯。因此，綜合考慮防垢效果和經濟成本等因素，防垢劑FHFG-1的最佳加量為100 mg·L-1。

圖4 防垢劑加量對防垢效果的影響

2.4.3 動態防垢效果評價

選擇兩塊物性相近的天然巖心(巖心長度均為6 cm，直徑均為2.5 cm，滲透率均為50 mD左右)，按1.2.4方法，對比注入水加入防垢劑FHFG-1前后巖心滲透率的變化情況，以驅替不同PV數后巖心的滲透率恢復值為評價指標，評價防垢劑FHFG-1(加量100 mg·L-1)的動態防垢效果，結果見圖5。

圖5 防垢劑FHFG-1的動態防垢效果

由圖5可以看出，隨著巖心驅替PV數的增大，未加防垢劑FHFG-1的天然巖心的滲透率恢復值呈明顯的下降趨勢，而加入防垢劑FHFG-1的天然巖心的滲透率恢復值的降幅不明顯。當驅替至100 PV時，未加防垢劑FHFG-1的天然巖心的滲透率恢復值僅為55.1%，這說明注入水在驅替過程中可能產生了結垢現象，對巖心孔隙造成了比較嚴重的堵塞，致使其滲透率下降明顯；而加入100 mg·L-1防垢劑FHFG-1后的天然巖心的滲透率恢復值達到95%以上，這說明防垢劑FHFG-1對注水過程中的結垢現象起到了顯著的抑制作用，避免結垢對巖心孔隙的堵塞損害，使巖心滲透率得到明顯的提升。

綜上，防垢劑FHFG-1能夠起到良好的動態防垢效果，在海上A油田注水井注水過程中可以發揮較好的防垢效果，有效降低結垢對井筒以及地層的損害程度，提高海上油田注水開發的效率。

3 結論

(1)海上A油田注入水中的鈣離子含量較高，而地層水中的碳酸氫根離子含量較高。當溫度為80 ℃時，注入水自身結垢量可以達到121.8 mg·L-1，而注入水與地層水按體積比5∶5混合后的結垢量則高達489.3 mg·L-1。該油田注水井注水過程中，可能會在井筒附近或者地層中產生嚴重的結垢堵塞損害。

(2)防垢劑FHFG-1具有良好的防垢效果，當其加量為100 mg·L-1時，對注入水與地層水混合后的防垢率達到98%以上。在注入水中加入100 mg·L-1防垢劑FHFG-1能使巖心驅替100 PV后的滲透率恢復值達到95%以上，動態防垢效果較好。