大梁湾作业区结垢机理浅析及阻垢剂的筛优选

2020-05-25王茹白孟遥何麟李侃社西安科技大学化学与化工学院陕西西安710054

化工管理 2020年13期

王茹白孟遥何麟李侃社(西安科技大学化学与化工学院，陕西西安 710054)

0 引言

随着油田的不断被开采，油层本身能量不断被消耗，导致油层压力下降，油井产量大大减少，甚至停喷停产。为了弥补原油采出后所造成的地下亏空，保持或提高油层压力，实现油田高产稳产，就会对油田进行注水开采。进入注水开发阶段后，由于水的化学不相溶性和热力学不稳定性，在油田用水系统的任何位置都会发生结垢现象。结垢对于油田危害是巨大的，一方面水垢容易滋生微生物，产生垢下腐蚀，导致采油设备腐蚀损坏；另一方面垢的产生会导致油层渗透性下降，堵塞地面集输系统，增加能耗，从而过早地出现油井、设备报废等现象，严重影响油田的开发效果和经济效益。油田防垢除垢也成为各大油田研究的重要内容[1-4]。

大梁湾作业区油井虽进行了阻垢棒、阻垢剂配套投加，但问题依然没有遏制，主要表现在：(1)井筒结垢造成卡泵和断脱，已发现37口井，2017年1-10月因结垢卡泵和断脱作业41井次，影响泵效，增加能耗和油杆载荷，同时为避免结垢井卡泵将Φ28mm 泵调整为Φ32mm 泵；(2)射孔段及近井地层结垢造成堵塞，已发现5口井，日均影响产量5 t，其中姬44-E 井措施解堵后2月再次结垢堵塞。我们针对大梁湾作业区的结垢现状，结合水质分析、结垢趋势预测和垢样分析结果，通过室内阻垢剂静态评价实验，对采油二厂提供及我们根据市场调研筛选的6 种阻垢剂进行阻垢性能评价，得出适用于大梁湾作业区本身环境的阻垢剂及加注浓度。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验用品：氯化钠、氯化钙(CaCl2·2H2O)、硫酸钠、氯化镁(MgCl2·6H2O)、碳酸氢钠、氯化钡(BaCl2·2H2O)、氯化锶、氢氧化钠、EDTA、硅酸钠(Na2SiO3·9H2O)、无水氯化钙，均为分析纯。0.45μm 微滤膜、塑料瓶。阻垢剂：ZG-108、RX-211、KEW-129、CQ-Z01、TH-607B 和AD43-3。静态阻垢实验所用水样为配制水，以去离子水为溶剂，根据实验对象不同和所要求水质硬度不同选择溶质的成分和用量，制成不同硬度和浓度的水样。

主要仪器：715-ES 电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)，Varian；MiniFlex 600 型X 射线衍射仪(XRD)，日本理学公司；JSM-6460LV/INCAEDS 型扫描电子显微镜(SEM)，日本电子公司。

1.2 实验方法

水质分析。参照SY/T 5523—2016《油田水分析方法》和SY/T 5329—2012《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》对现场水样进行水质分析，通过电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)对成垢阳离子浓度进行测试，用滴定分析法对成垢阴离子浓度进行测试，pH 值由pH 计直接测定。结合水质分析数据和石油天然气行业标准SY/T 0600—2009《油田水结垢趋势预测》进行成垢趋势预测。

垢样分析。通过X 射线衍射仪(XRD)对垢样物相组成进行分析，并应用扫描电镜(SEM)对垢样颗粒形貌进行观察。

静态阻垢实验。参照SY/T 5673—93《油田用防垢剂性能评定方法》的规定，进行室内阻垢剂静态评价实验，探究6 种阻垢剂对钙垢和硫酸锶钡垢的阻垢性能，对于溶液中成垢阳离子的含量使用电感耦合等离子发射光谱仪进行检测[5-7]。采用静态阻SiO2法和静态阻硅酸盐法对6 种阻垢剂的硅垢防垢性能进行测定[8-10]，并通过电感耦合等离子发射光谱仪检测溶液中硅离子的含量。

2 结果与讨论

2.1 水质分析

水质分析结果见表1。结垢问题与水样理化性质有关，通过水质分析结果，根据苏林水型分类法可知，大梁湾作业区从注入水到采出水均为CaCl2型。水样矿化度相对较高，腐蚀性Cl-成分的质量浓度比较高，且含有较多的成垢阳离子Ca2+、Mg2+和Sr2+，Ba2+的含量相对较少，成垢阴离子主要为HCO3-和SO42-，具有形成硫酸钡锶垢、硫酸钙和碳酸钙垢的前提条件。结合水质分析数据和石油天然气行业标准对水样进行结垢趋势预测可知，所选水样均具有形成硫酸钡锶垢和碳酸钙垢的较强趋势。

表1 水质分析结果

2.2 垢样分析

油田垢样分析设备采用XRD 和SEM，XRD 分析谱图见图1，SEM 图见图2。由图2 可以看出，垢样的晶形呈块状，轮廓清晰，尺寸较大，还有一部分垢样晶形尺寸较小，排列紧密，形状不规则。结合图1 注水站油管外垢的XRD 图可以看出，在20.947°、26.708°、29.473°、35.062°、36.156°、39.671°、42.494°、55.054°等多处出现衍射峰，其中26.708°的衍射峰强度最强，与标准谱图进行对比，我们可以确定该垢样为硅垢-碳酸钙复合垢。由采油井垢样的XRD 图可以看出，在29.819°和48.198°处出现衍射峰，其中29.819°的衍射峰强度最强，与标准谱图进行对比，可以确定该垢样为硅酸盐-碳酸钙复合垢。两种垢样整体峰形较聚集，说明此时垢样主要以晶体为主。

垢样XRD 物相分析结果见表2，注水站油管外垢中主要是硅垢，其中二氧化硅含量占53.2%，硅酸盐27.6%，同时还含有19.2%的碳酸钙；采油井垢样中硅酸盐含量最高，碳酸钙含量次之。除了下表列举的两种垢样以外，在我们分析的垢样中梁三转垢样除泥沙外，几乎全部是硫酸钡锶；而集油站垢样成分主要是由31%的二氧化硅，35%的硅酸钙和34%的碳酸钙组成。

图1 油田垢样XRD分析谱图

图2 油田垢样SEM图

表2 垢样分析结果

2.3 结垢机理浅析

垢的形成过程受很多因素的影响，溶液过饱和状态、结晶的沉淀与溶解等是关键影响因素，其中过饱和是首因，它受溶解度(受温度、压力、pH值等因素的影响)、热力学、结晶动力学、流体动力学等多种因素的影响[1]。油田注水结垢主要是因为热力学不稳定性(温度、压力、pH 值等的改变)、化学不相溶性(流体不配伍性)和化学驱(或气驱)等引起的[11]。

通过上述分析结果可知，大梁湾作业区油田结垢主要是以碳酸钙和硅垢为主，另外还含有部分硫酸钡锶。大梁湾作业区从注入水到采出液，均含有大量成垢离子Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、HCO3-和SO42-等，具有形成硫酸钡垢和碳酸钙垢的较强趋势。存在能够沉淀的物质组分是前提条件，同时外在的温度、压力、pH 值等诸多因素也是促使沉淀发生的必要条件。

在油田注水过程中，当微碱性注入水进入地层后，在其流动过程中，与地层中的岩石矿物发生反应，碱液对岩石矿物的溶蚀作用使得硅含量增加，形成的硅酸根以硅酸的形式存在。硅酸不稳定，通过缩合脱水经历了从形成多聚硅酸到缩合生成硅酸凝胶，最终形成无定型SiO2产生沉积。在硅酸自身聚合的同时，硅酸负离子还与体系中的金属阳离子(如Fe2+、Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+等)反应生成硅酸盐沉淀，该沉淀物会以硫酸钡锶、碳酸钙或其他氧化物为中心，吸附在其表面上，不断吸附，最终在设备表面形成、积累，从而产生结垢[12]。其反应方程式如下：

综合以上分析，我们认为含有较高泥沙和溶解性二氧化硅的油田采出液在集输过程中，会以硫酸钡锶、碳酸钙或其他氧化物为中心，吸附在其表面上，不断吸附，最终产生结垢，硫酸钡和碳酸钙等垢物为硅酸盐沉淀提供了吸附富集的成垢环境；碱性、高矿化度和较高集输温度为成垢提供了适宜的外部条件，采出液高浓度成垢离子为成垢创造了先天优势，从而在各站库形成硅垢-碳酸钙(硫酸钡锶)复合垢。

2.4 阻垢剂的筛优选

针对结垢现状，进行室内阻垢剂筛选，得出适合大梁湾作业区的阻垢剂型号及最优加注浓度。首先通过静态阻垢实验对加注浓度为50mg/L 的6 种阻垢剂进行筛选，得出阻垢效果最佳的阻垢剂，然后对该阻垢剂在不同质量浓度下的阻垢效果进行对比分析，得出最佳加注浓度。

(1)阻垢剂的筛选。通过室内阻垢剂静态评价实验，得到不同类型阻垢剂对钙垢、钡锶垢和硅垢的阻垢性能。表3 为静态阻硅垢实验中使用ICP 测得的硅离子含量(在此仅列举两种阻垢剂来进行说明)，由测得的硅离子含量可以看出6 种阻垢剂几乎没有阻硅垢性能。阻垢剂对钙垢和钡锶垢的阻垢性能见表4，由表4 可以看出，在阻垢剂加注浓度为50mg/L 时，6 种阻垢剂均具有较好的阻钙垢性能，其中AD43-3 型阻垢剂在加注浓度为50mg/L 时对于钙垢的阻垢率即可达到95%以上，对于钡锶垢的阻垢性能相较于其他5 种阻垢剂来说也不逊色，全面阻垢效果良好。

表3 ICP测得的硅离子含量

表4 阻垢剂的筛选

(2)最佳质量浓度筛选。根据表4 得出的结论，我们对AD43-3型阻垢剂在加注浓度分别为10mg/L、30mg/L、50mg/L、70mg/L、100mg/L、120mg/L 时的阻垢效果进行对比分析(表5)。由表5可知，随着阻垢剂浓度的增加，阻垢剂对不同垢的阻垢率均成上升趋势。当加注浓度为100mg/L 时，对钙垢及硫酸钡垢的阻垢率均可达到90%以上，对硫酸锶垢的阻垢率也达到了47.5%，全面阻垢效果良好。