油氣田采出水配伍性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)影響因素研究現(xiàn)狀

張瑤，劉壯，陳星，鐘偉，馬云

1.西安石油大學(xué) 陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（陜西 西安 710065）2.西部低滲-特低滲油藏開(kāi)發(fā)與治理教育部工程研究中心（陜西 西安 710065）3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠采氣工藝研究所（陜西 靖邊 718500）

0 引言

隨著油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，多層系混合開(kāi)采已成為常用的開(kāi)發(fā)手段。多層系開(kāi)采中，若不同層系的采出液配伍性差，會(huì)堵塞地層造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞，礦垢的沉積也會(huì)在油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中導(dǎo)致許多嚴(yán)重問(wèn)題，如：導(dǎo)致管線及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)施發(fā)生腐蝕結(jié)垢等[1-5]。注入水與采出水配伍性的好壞，將直接影響采出效率[6-10]。多種類型的混合水注入既能節(jié)約成本又能保護(hù)環(huán)境，但當(dāng)不配伍的水注入儲(chǔ)層后，將對(duì)地層產(chǎn)生破壞性影響[11-17]。配伍性實(shí)驗(yàn)可以用來(lái)檢測(cè)混合水樣的配伍性，從而避免結(jié)垢現(xiàn)象的出現(xiàn)。此外，可以通過(guò)配伍性評(píng)價(jià)來(lái)了解混配水樣的結(jié)垢情況，從而能人為處理采出水使其達(dá)到輸送標(biāo)準(zhǔn)，減少管道腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象的產(chǎn)生[18-22]。然而，國(guó)內(nèi)外并未建立統(tǒng)一的配伍性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

在油田中，常見(jiàn)的垢沉積物主要包括硫酸鋇、碳酸鈣和硫酸鈣，而硫酸鋇和硫酸鍶通常是同時(shí)出現(xiàn)的[23-26]。礦物垢是從鹽溶液中沉淀出來(lái)的堅(jiān)硬礦化化合物，主要涉及兩種不配伍水時(shí)對(duì)油田注水系統(tǒng)造成傷害，其中硫酸鈣垢是石油工業(yè)中導(dǎo)致嚴(yán)重結(jié)垢現(xiàn)象的一種[27-30]。目前，研究注入水與地層水配伍性的方法主要包括靜態(tài)配伍性評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)配伍性評(píng)價(jià)[31]。

1 靜態(tài)配伍性評(píng)價(jià)

靜態(tài)配伍性實(shí)驗(yàn)一般用于注入水與地層水配伍性評(píng)價(jià)，是在室內(nèi)進(jìn)行的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)原理是：通常使用水浴加熱的方式模擬相應(yīng)的地層溫度，讓混配水樣在該溫度下靜置一段時(shí)間，最后觀察結(jié)垢情況，依據(jù)ISO 6058—1984《水質(zhì)-鈣含量的測(cè)定—EDTA 滴定法》測(cè)定混配水樣中鈣離子含量的變化。成垢離子分析法、比色（濁）分析法、結(jié)垢重量分析法，是目前較為常用的3 類配伍性實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法[23]。

1.1 成垢離子分析法

該方法的評(píng)價(jià)機(jī)理是通過(guò)檢測(cè)混配水樣中成垢離子的含量變化，從而確定混配水樣的配伍性程度。實(shí)驗(yàn)中需測(cè)定不同比例混配水樣中各成垢離子的實(shí)測(cè)值和理論值。當(dāng)實(shí)測(cè)值和理論值的差值較大時(shí)，說(shuō)明結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重，混配水樣配伍性差；而當(dāng)兩值接近時(shí)，說(shuō)明混配水樣配伍性較好。

成垢離子分析法操作簡(jiǎn)單、便于實(shí)施，主要用于垢量較大時(shí)定量。垢量小時(shí)，由于規(guī)律性較差，該方法只能判定所分析的成垢離子形成的垢物?；炫渌畼拥念伾矔?huì)影響該實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果。

吳新民等人[32]采用成垢離子分析法，對(duì)典型“三低油田”—姬塬油田進(jìn)行配伍性實(shí)驗(yàn)。將按不同比例混合的采出水與注入水，在同一溫度80 ℃（模擬儲(chǔ)層溫度）下，靜置20 d。研究表明，混合水樣中硫酸根離子濃度沒(méi)有明顯變化，鈣離子濃度隨混合水樣中地層水所占比例的增大而大幅下降，出現(xiàn)較明顯的結(jié)垢現(xiàn)象。結(jié)果表明：姬塬長(zhǎng)8 儲(chǔ)層地層水與注入水混合后會(huì)對(duì)地層造成嚴(yán)重破壞，需要對(duì)注入水進(jìn)行防垢處理。

1.2 比色（濁）分析法

該方法的評(píng)價(jià)機(jī)理是通過(guò)檢測(cè)混配水樣的透光率來(lái)確定混配水樣的配伍性程度。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)混配水樣配伍性好時(shí)，水樣中形成的垢晶體少，混配水樣的透光率好；當(dāng)混配水樣配伍性較差時(shí)，形成的垢晶體增多，從而導(dǎo)致混配水樣的透光率降低。

比色分析法通常用于半量定量。該實(shí)驗(yàn)方法適用于垢量較大，且結(jié)垢在水中呈懸浮狀態(tài)的情況。但它容易受到溶液顏色的影響，無(wú)法測(cè)量容器壁所結(jié)垢，而且測(cè)量沉淀垢時(shí)，測(cè)量誤差明顯。

謝娟等人[33]對(duì)陜西某氣井稠化酸返排液進(jìn)行一系列處理，以降低稠化酸返排液與注入水的結(jié)垢趨勢(shì)。采用提高稠化酸返排液pH 的方法降低鈣離子濃度，再通過(guò)添加絮凝劑聚合氯化鋁、聚丙烯酰進(jìn)行沉降處理除去SS，最后利用比色分析法對(duì)混合水樣（優(yōu)化后的稠化酸返排液與注入水按不同比例混合的混合物）進(jìn)行配伍性評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)表明，處理后上清液的透光率高達(dá)98.5%，混合水樣未出現(xiàn)硫酸鈣和碳酸鈣結(jié)垢趨勢(shì)。但溶液顏色對(duì)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響較大，為了獲得精確結(jié)果，往往不建議單獨(dú)使用。

1.3 結(jié)垢重量分析法

結(jié)垢重量分析法實(shí)驗(yàn)原理:采用濾膜過(guò)濾，對(duì)抽濾前后濾膜上的質(zhì)量差進(jìn)行測(cè)定，從而得到混配水樣結(jié)垢量[34]。實(shí)驗(yàn)中選取纖維濾膜對(duì)混配水樣進(jìn)行抽濾，然后測(cè)量烘干后的濾膜質(zhì)量，抽濾過(guò)程前后所測(cè)量的纖維濾膜質(zhì)量差就是混配水樣的垢物質(zhì)量。

結(jié)垢重量分析法原理簡(jiǎn)單、使用廣泛，定量較好，其優(yōu)點(diǎn)在于其測(cè)量結(jié)果不受溶液顏色的影響，垢量測(cè)量結(jié)果會(huì)比較準(zhǔn)確。結(jié)垢重量分析法適用于生成的垢量較大且在水中呈懸浮狀態(tài)的結(jié)垢現(xiàn)象，對(duì)測(cè)量垢量較少或結(jié)垢主要依附在容器壁上的結(jié)垢情況誤差較大。采出水樣中的懸浮固體也會(huì)對(duì)該方法的結(jié)果準(zhǔn)確性帶來(lái)影響，且該方法易受到人為操作因素影響，對(duì)過(guò)濾、干燥等步驟進(jìn)行準(zhǔn)確操作可有效降低人為操作誤差[35]。

劉絲雨等人[34]對(duì)陜北定邊區(qū)塊長(zhǎng)7 層位采出水和淺層地層水采用結(jié)垢重量分析法測(cè)定混合水樣中硫酸根離子的含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)混配水樣比例中V（淺層地層水）∶V（長(zhǎng)7 層位采出水）=2∶8時(shí)，結(jié)垢量最大，混配水樣中的硫酸根離子降低量也最大，再將水樣進(jìn)行絮凝處理可使混配水樣達(dá)到回注標(biāo)準(zhǔn)，使其能作為回注水回注地層。結(jié)垢重量分析法原理簡(jiǎn)單，可行性強(qiáng)，但容易受到人為操作因素的影響。對(duì)過(guò)濾、干燥等步驟進(jìn)行準(zhǔn)確操作可有效降低人為操作誤差。

通過(guò)上述比對(duì)分析可知，這三類常用的靜態(tài)配伍性實(shí)驗(yàn)方法各有其適用情況和優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)不同的水樣特征來(lái)選擇合適的配伍性方法，以排除干擾物的影響。

2 動(dòng)態(tài)配伍性評(píng)價(jià)

參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5523—2006《油氣田水分析方法》對(duì)懸浮固體進(jìn)行動(dòng)態(tài)配伍性評(píng)價(jià)。動(dòng)態(tài)配伍性實(shí)驗(yàn)原理：在模擬地層條件的情況下，將多種不配伍水連續(xù)注入天然巖心或人造巖心模型中，以了解不配伍水型混合后對(duì)儲(chǔ)層滲透率的損害情況。動(dòng)態(tài)配伍性實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用環(huán)境為：注入水—地層水交替驅(qū)替過(guò)程；該配伍性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件為：溫度，恒定溫度[36]；驅(qū)替速度：恒定速度；動(dòng)態(tài)配伍性實(shí)驗(yàn)中兩種水源的配伍性好壞評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為：注入水與地層水共同作用時(shí)對(duì)孔隙滲透率降低程度（損傷程度）的影響[37]。

動(dòng)態(tài)配伍性實(shí)驗(yàn)也稱驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，是海上油田注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中所必須進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)[31]。影響動(dòng)態(tài)配伍性評(píng)價(jià)的主要因素是二價(jià)鐵離子，尤其是在含鐵量較高的采出水樣中。

甘秀玉等人[38]在混配水（V（地層水）∶V（海水）=4∶1）注入過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)配伍性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，隨著注入PV數(shù)的增大，混配水出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，而結(jié)垢會(huì)對(duì)巖石空隙造成阻塞，從而導(dǎo)致巖心滲透率越來(lái)越低。當(dāng)注入PV=50 時(shí)，滲透率為85%。由此可見(jiàn)，由于地層水和海水的離子含量差異較大，在同等地層條件下兩者的配伍性也較差。因此，在實(shí)際注水作業(yè)時(shí)添加防垢劑是必要的。

陳華興等人[39]以海上聚合物驅(qū)示范油田綏中36-1 油田含聚污水回注為例，通過(guò)動(dòng)態(tài)配伍性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，研究了污水回注地層的結(jié)垢機(jī)理。結(jié)果表明未加防垢劑時(shí)，水源水對(duì)儲(chǔ)層巖心的損害率為中等偏弱損害，加入防垢劑后變?yōu)槿鯎p害。即長(zhǎng)期注入單一水源井水，不采取防垢措施時(shí)，還是會(huì)對(duì)儲(chǔ)層巖心造成嚴(yán)重?fù)p害。

劉美遙等人[40]對(duì)JX1-1 油田混配水樣進(jìn)行了動(dòng)態(tài)配伍性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中結(jié)合靜態(tài)配伍性實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，選用配比為V(清污混合水)∶V(地層水)=6∶4，因?yàn)榇伺浔冉Y(jié)垢量最大。在清污混合水回注地層的過(guò)程中，隨著清污混合水中水源水所占比例的增大，其對(duì)儲(chǔ)層滲透率的傷害越大。為了保持沙河街儲(chǔ)層回注能力，單獨(dú)回注污水是必要的。

在多層系采出水外輸及回注過(guò)程中，靜態(tài)配伍性實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)配伍性實(shí)驗(yàn)都能測(cè)得采出水的配伍性。但靜態(tài)配伍性評(píng)價(jià)一般為多層系采出水混合外輸提供依據(jù)，動(dòng)態(tài)配伍性評(píng)價(jià)一般為采出水回注地層提供依據(jù)。而且實(shí)驗(yàn)室方法只能有效模擬出地下溫度的變化情況，無(wú)法對(duì)地下壓力的真實(shí)變化情況進(jìn)行有效的模擬，其結(jié)果的準(zhǔn)確性還有待提高[41]。在實(shí)際的工程操作中，建議將這兩種方法結(jié)合使用，進(jìn)而得到更全面更貼切的結(jié)果[13]。

通過(guò)上述常用配伍性試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的對(duì)比分析，總結(jié)出各種方法的適用情況和優(yōu)缺點(diǎn)（表1）。

表1 配伍性評(píng)價(jià)常用方法對(duì)比

3 配伍性實(shí)驗(yàn)影響因素屏蔽方法研究現(xiàn)狀

3.1 懸浮固體的影響及屏蔽方法

在配伍性實(shí)驗(yàn)里，采出水中的懸浮固體會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成較大影響[42]。實(shí)驗(yàn)室中通常采用過(guò)濾法來(lái)預(yù)處理懸浮固體。為了保證過(guò)濾效果，通常會(huì)用較細(xì)的濾紙進(jìn)行過(guò)濾，但過(guò)濾過(guò)程中混配水樣的晶種必然會(huì)損失，目前尚無(wú)此方面的誤差計(jì)算。而且，在采出水的過(guò)濾過(guò)程中，采出水的加熱、溶解氧的增加會(huì)使二價(jià)鐵轉(zhuǎn)化為氧化鐵垢物，也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性[23]。所以這樣處理就顯得依據(jù)不足。

為了屏蔽采出水中懸浮固體對(duì)配伍性實(shí)驗(yàn)的影響，采用已經(jīng)稱重處理過(guò)的微孔薄膜來(lái)過(guò)濾混配前的各水樣，然后經(jīng)過(guò)洗鹽、洗油、烘干、稱重等一系列步驟得出測(cè)量結(jié)果，再將該值等比例從最終結(jié)果中減除。

3.2 二價(jià)鐵離子的影響及屏蔽方法

鐵垢產(chǎn)生的機(jī)理為混配水中的二價(jià)鐵離子與溶解氧發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化鐵，氫氧化鐵不穩(wěn)定分解得到Fe2O3沉淀。

在實(shí)際的地層環(huán)境中，溶解氧含量極低，地層水中的二價(jià)鐵離子幾乎無(wú)法轉(zhuǎn)變成鐵垢，而在實(shí)驗(yàn)室中一系列的實(shí)驗(yàn)操作會(huì)不可避免地引入溶解氧。所以在含鐵量較高的采出水中，二價(jià)鐵離子對(duì)混配水樣配伍性的影響往往較大。

屏蔽采出水中二價(jià)鐵離子對(duì)配伍性實(shí)驗(yàn)的影響是一直在探索的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多次經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出該方法：為了區(qū)分水樣混配前已形成的鐵氧化物和混配恒溫加熱后所形成的鐵氧化物，選擇采用磺基水楊酸比色法[43-47]來(lái)測(cè)量混配前后不同混配比下的溶液中Fe2+和Fe3+的含量，然后通過(guò)差減法進(jìn)行減除。最后，將磺基水楊酸比色法測(cè)得的混配前后鐵離子的差值折算成Fe2O3沉淀，從總垢量中減除。

3.3 靜置時(shí)間的影響及屏蔽方法

為得到更準(zhǔn)確的配伍性結(jié)果，靜置時(shí)間往往越長(zhǎng)越好?；炫渌械慕Y(jié)垢量會(huì)隨靜置時(shí)間的延長(zhǎng)而增加[48]。不同的混配水樣，其最佳靜置時(shí)間往往不同。為屏蔽靜置時(shí)間對(duì)配伍性實(shí)驗(yàn)的影響，可以將不同比例的混配水樣靜置處理，通過(guò)觀察混配水樣中結(jié)垢量隨靜置時(shí)間的變化得出該水樣的最佳混配時(shí)間。

宋紹富等人［48］以延長(zhǎng)油田瓦窯堡油藏地層水為研究對(duì)象，對(duì)配伍性實(shí)驗(yàn)中的靜置時(shí)間做了研究。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于低比例混合水，即V（長(zhǎng)2 水）∶V（長(zhǎng)6 水）為1∶4～1∶10 時(shí)，靜置時(shí)間大于8 h 后，結(jié)垢量變化不大；對(duì)于高比例混合水，即V（長(zhǎng)2 水）∶V（長(zhǎng)6 水）為1∶0.1～1∶0.7 時(shí)，靜置時(shí)間大于24 h 后，結(jié)垢量變化不大。

由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件有限，動(dòng)態(tài)配伍性實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜難以在現(xiàn)場(chǎng)展開(kāi)，因此在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，建議采用原理簡(jiǎn)單、操作易行的比色分析法。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)油田采出水配伍性評(píng)價(jià)及影響因素做了對(duì)比和總結(jié)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論和建議：

1）靜態(tài)配伍性評(píng)價(jià)中結(jié)垢重量分析法原理簡(jiǎn)單，不受溶液顏色影響，應(yīng)用廣泛。可以進(jìn)一步優(yōu)化該方法，將混配水樣中懸浮固體分為懸浮垢和沉降垢，并利用多種微觀分析手段對(duì)配伍性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，這對(duì)提高結(jié)果的精確性有重大意義。

2）靜態(tài)配伍性評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)配伍性評(píng)價(jià)都能測(cè)得采出水的配伍性，動(dòng)態(tài)配伍性評(píng)價(jià)考慮了地層因素。實(shí)驗(yàn)室中，為了得到更全面更貼切的結(jié)果，可以考慮將靜態(tài)、動(dòng)態(tài)配伍性評(píng)價(jià)結(jié)合使用。

3）國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)配伍性實(shí)驗(yàn)的影響因素做了大量研究，提出了一系列注水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但適用性不強(qiáng)，難以保證油田經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)采，建立采出水及污水回注水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，顯得十分必要。

4）國(guó)內(nèi)外尚未建立統(tǒng)一的配伍性評(píng)價(jià)方法，采用不同的評(píng)價(jià)方法會(huì)得出不同的結(jié)論。為了便于實(shí)驗(yàn)室間的結(jié)果比對(duì)與指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，迫切需要建立多層系開(kāi)發(fā)采出液及采出水回注的配伍性評(píng)價(jià)方法。