胡曉威 徐 波 孫曉光 于樂丹 康萬東 張鑫君

(1. 中國石油長慶油田公司第二采油廠， 甘肅 慶陽 745100；2. 西安石油大學石油工程學院， 西安 710065)

水驅開發(fā)是目前最經濟、最高效的油田開發(fā)方式。水驅開發(fā)中常見的問題是油田結垢。注入水與地層水的礦化度和離子組成有差異，它們混在一起，在一定條件下就可能在地層、井筒和管線中結垢。結垢嚴重時會導致堵塞，影響油氣田的正常生產，甚至造成很大的經濟損失。因此，科學預測油氣田的結垢趨勢、結垢部位，對油田開發(fā)而言意義重大。下面，以西峰油田長8油藏為研究對象，預測其注水開發(fā)過程中的結垢趨勢。

1 地層水和注入水的特性

1.1 地層水的特性

已有測試結果[1-2]表明，西峰油田白馬中區(qū)長81層的原始地層水的總礦化度平均為49 353 mgL，pH值6.0，水型為CaCl2型(見表1)，屬于原生地層水。這反映出該區(qū)油氣保存條件較好。

表1 長81層的原始地層水數(shù)據

1.2 注入水的特性

為了解注水站和配水間的水性是否一致，注水干線管道是否受到腐蝕[1]，對注水站大罐1個水樣和4個配水間的水樣進行了離子組成分析。從測試獲得的數(shù)據(見表2)來看，注入水的pH值為8.31，注水站大罐和配水間的水樣均為NaHCO4水型，總礦化度在1 100 mgL左右，均不含Ba2+、Sr2+。注水站大罐水樣與配水間水樣的特性是一致的，注水干線管道幾乎沒有受到污染。

對比表1和表2可知，注入水和地層水的礦化度、離子組成差異大，且水型不同。由此推斷，注入水進入地層后可能引起硫酸鹽和碳酸鹽結垢。

2 結垢趨勢預測

2.1 預測方法選擇

2.1.1 碳酸鈣結垢預測

(1) Davis-Stiff飽和指數(shù)法

Davis-Stiff飽和指數(shù)法，是根據水溶液中CaCO3的溶解平衡和H2CO3的弱電解平衡，以飽和指數(shù)(SI)來預測判斷單一水的結垢趨勢[3-4]。這是預測油田水中CaCO3結垢趨勢較成功的方法之一。該方法主要考慮了系統(tǒng)的熱力學條件，忽略了壓力的影響，適用于溫度0～100 ℃、pH值5.5～8.5、離子強度μ<6.0的水系。飽和指數(shù)按式(1)計算。結果判定：SI>0，有結垢趨勢；SI=0，臨界狀態(tài)；SI<0，無結垢趨勢。

表2 長8油藏注入水的水質分析數(shù)據

SI=pH-K-pCa-pAlK

(1)

式中： pH —— 水樣的pH值；

K—— 修正系數(shù)，由不同溫度時離子強度μ與修正系數(shù)K的關系圖查得；

pCa—— Ca2+濃度(mol/L)的負對數(shù)；

pAlK—— 總堿度(mol/L)的負對數(shù)。

(2) Ryznar穩(wěn)定指數(shù)法

Ryznar穩(wěn)定指數(shù)(SAI)是Ryznar根據大量的實驗數(shù)據和現(xiàn)場結果總結得到的一個水質判斷指數(shù)[3]。穩(wěn)定指數(shù)按式(2)計算。結果判定：SAI≥6，無結垢趨勢；SAI<6，有結垢趨勢；SAI<5，結垢趨勢嚴重。

SAI=2(K+pCa+pAlK)-pH

(2)

2.1.2 硫酸鈣結垢預測

硫酸鈣結垢，一般是由不相容的水混合而產生。受水的化學組成和溫度、壓力等因素影響，結垢過程中可形成多種晶體，因此較難預測。

(1) 熱力學溶解度法

根據水中CaSO4的溶解度來預測。此法較符合現(xiàn)場實際，但未考慮壓力影響，適用于溫度0～80 ℃、離子強度μ<2.75的水系。

(3)

式中：S—— CaSO4結垢趨勢預測值，mmol/L；

Ksp——溶度積常數(shù)，由水的離子強度和溫度的關系曲線查得；

(2) Oddo-Tomson飽和指數(shù)法

Oddo-Tomson飽和指數(shù)預測法，主要包括預測5種硫酸鹽垢(即硫酸鋇、硫酸鍶、石膏、半水石膏、無水石膏)和碳酸鹽垢的方法。這些方法考慮了溫度、壓力和離子強度對結垢的影響，可較真實地預測結垢趨勢。本次研究選擇其中預測硫酸鋇和硫酸鈣的方法[5]。

pKc(T、p、μ)

(4)

Kc=a+bT+cT2+dp+eμ0.5+

fμ+gμ0.5T

(5)

式中：IS—— 飽和指數(shù)；

Fs—— 離子的活度積與物質的容度積之比；

[Ca2+] —— 游離Ca2+濃度，mol/L；

Kc—— 條件溶度積，與壓力、溫度和離子強度有關；

T—— 溫度，℃；

p—— 壓力，MPa；

μ—— 離子強度；

a、b、c、d、e、f、g，為各種系數(shù)，與鹽的種類、相態(tài)有關。

判斷依據：IS>0，有結垢趨勢；IS=0，臨界狀態(tài)；IS<0，無結垢趨勢。

2.2 結垢趨勢預測結果

根據水質分析結果，將采出的地層水與注入水按照不同比例混合，在一定地層溫度和壓力(70 ℃，18 MPa)下，按照上述預測方法，對西峰油田白馬中區(qū)的碳酸鈣、硫酸鈣的結垢趨勢進行了預測。預測結果見表3。

表3 白馬中區(qū)油田水結垢趨勢預測結果

由表3可知，碳酸鈣和硫酸鈣的2種結垢預測方法的預測結果一致，注入水和地層水均存在碳酸鈣結垢趨勢，而沒有硫酸鈣結垢趨勢；注入水和地層水混合后，均有碳酸鈣結垢趨勢，無硫酸鈣結垢趨勢。

3 結 論

(1) 西峰油田長81層原始地層水，水型為CaCl2型，屬于原生地層水，說明該區(qū)油氣保存條件較好。

(2) 油田注入水為NaHCO4水型，這與地層水的水型不同，礦化度及離子組成差異大，注入水進入地層后，可能引起硫酸鹽和碳酸鹽結垢。

(3) 選擇運用Davis-Stiff飽和指數(shù)法和Ryznar穩(wěn)定指數(shù)法，預測了碳酸鈣結垢趨勢；運用熱力學溶解度法和Oddo-Tomson飽和指數(shù)法，預測了硫酸鈣結垢趨勢。不同方法預測得到的結果是一致的，注入水和地層水均存在碳酸鈣結垢趨勢，而沒有硫酸鈣結垢趨勢；注入水和地層水混合后，也只存在碳酸鈣結垢趨勢，而無硫酸鈣結垢趨勢。