CaCO3结垢趋势预测在张天渠油田中的应用

李贻浩，杨 平，高 斐，闵江本，寿 翔 （长江大学石油工程学院，湖北武汉430100）

吴 琼 （中石化河南油田分公司勘探开发研究院，河南 南阳473132）

腐蚀是引起套管损害的重要原因之一，它始终伴随在油气田开发过程中。通过对盐池采油厂套损原因的分析可知，腐蚀是导致盐池采油厂套漏的主要因素，因此有必要对盐池采油厂套管的腐蚀结垢趋势预测进行研究，为预防套管的损坏奠定基础。

油气井发生的腐蚀一般与所处环境的地层水或注入水的组成、腐蚀性介质、细菌以及油井的温度和压力有关。因此，在项目研究过程中，全面分析注入水和产出水中离子成分、伴生气的组成是相当重要的，只有进行全面准确的分析、判断，才能对张天渠油田结垢趋势预测找出真正的腐蚀原因所在，进一步研究出腐蚀的机理及规律，最终达到有效控制腐蚀的目的。

1 张天渠油田腐蚀环境分析

张天渠油田是套损的多发地区，盐池采油厂82%的套损井都在该地区，因此主要以张天渠油田为对象展开研究。考虑到不同环境套管腐蚀的状态不同，因此有必要对张天渠油田油水井采出水和注入水的水质情况有一个比较全面的了解和认识。笔者有针对性的选取了注污水井、注清水井、清水受效油井、污水受效油井的水样，确定了5口油水井即D985井、HK17A井、HK17C井、HK20A井、D598B井进行水质普查，分析水的组成。

按SY 5523-2006《油气田水分析方法》标准对现场水样进行了Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋、Cl-、、Fe2＋、S2-、溶解氧、pH值、温度、矿化度、SRB（硫酸盐还原菌）和水型的调查与分析，结果如表1、表2所示。据此确定各井水质结垢倾向及腐蚀性，查找腐蚀因素，确定成垢离子，在此基础上进行腐蚀因素和水质结垢试验研究。

表1 现场取样井基本情况

表2 延长组注入水及油层采出水水质分析

2 影响油田水中CaCO3垢结垢因素

影响油田水中CaCO3垢结垢因素主要为：一是富含成垢离子的内因，如Ca2＋、Mg2＋、Ba2＋、Se2＋、、、等离子；二是影响结垢的外因，如温度、压力、矿化度、pH值等［1-2］。

1）温度 CaCO3的溶解度随着温度升高而降低，CaCO3结垢趋势增大。相反，CaCO3的溶解度随着温度降低而升高，CaCO3结垢趋势减小。CaCO3的溶解度随着温度的变化因结晶水含量不同而有所不同。

2）矿化度 CaCO3的溶解度随着矿化度升高而升高，CaCO3结垢趋势减小。相反，CaCO3的溶解度随着矿化度降低而降低，CaCO3结垢趋势增加。

3）系统压力 当系统压力增大时，CO2在水中的分压也会增大，同时水中CaCO3的溶解度也增大，结垢倾向将减小。反之CaCO3结垢倾向就会增大。CaSO4的溶解度随压力的增加而增加，NaCl的浓度对CaSO4溶解度也有影响，一定的NaCl浓度对应于一定的临界压力，临界压力随NaCl浓度增大而降低，在临界压力以上CaSO4溶于蒸馏水而不溶于NaCl水溶液，在临界压力以下则相反。

4）pH值 CaCO3在水中的溶解度随着pH值升高而降低，CaCO3结垢倾向将增加；反之，CaCO3结垢倾向将会减小。而对CaSO4垢，pH值影响不大。

引起结垢的主要因素是压力下降，就注入水油井而言，矿化度降低对结垢的影响很大，也是不可忽视的重要因素。压降可达数个兆帕的生产井近井地带是一个 “压降漏斗区”。向生产井运移的含水的地层流体在经过近井地层时，水中如果含有CO2，那么CO2会因压力下降而逸出，这一过程破坏了水的原始平衡状态，可能形成CaCO3垢［3］，其反应式为：

近井垢可以使地层堵塞，进而地层渗透率下降，产液量也会随之减少。近井垢直接影响油田油井产液量，导致产液量下降。

延安组地层水水型大部分为NaSO4和NaHCO3型。水性偏弱酸性，Ca2＋、Mg2＋、、、都是成垢离子，具备产生碳酸盐、硫酸盐垢的条件。强采方式开采原油，油井流压会很低，当地层油水吸入泵筒和流入井底时，由于液柱压力远低于地层水溶解CO2气体的最小分压，将会导致CO2气体逸出，Ca（HCO3）2在水中的动态平衡方程式会向有利于生成CaCO3垢的方向移动，形成大量碳酸钙垢。

在形成CaCO3垢过程中，垢晶体将会吸附周围环境的原油、腐蚀物、泥砂等物质一起沉积增大，形成无机垢混合物。CaCO3垢聚集在油管内外壁、筛管、尾管、套管内壁等处，通过使管径变小来影响泵效。井下设备和套管中的结垢能使有杆泵的抽油杆时常断脱。结垢物长时间聚集还会引起严重的垢下腐蚀现象。其中井筒垢对采油开发生产造成的损害是直接的，是研究防垢除垢的重点部位。

3 碳酸盐垢的饱和度指数预测方法

用于油田生产碳酸盐垢的饱和度指数预测方法［4］的计算公式如下：

式中，SI为饱和度指数，也称结垢指数；pH为实测水样的pH值；pCa为Ca2＋浓度的负对数；pAlk为总碱度的负对数；K为Stiff和Davis常数，是温度和离子强度的函数。

SI＜0，CaCO3不会结垢；SI＝0，CaCO3处于饱和状态；SI＞0，CaCO3过饱和，产生结垢。

4 现场应用效果

在整体把握张天渠延2油田的腐蚀环境后，对多相关动态生产资料进行分析处理，应用上述方法对张天渠延2油田的7口井CaCO3的结垢趋势进行了计算，预测结果见表3。由表3可知，由饱和度指数预测方法计算结垢指数得出的结论与实际情况之间的误差很小，满足了工程的需要，说明该方法适合于该地区的CaCO3结垢趋势的预测。

表3 延2的油井碳酸钙结垢情况的预测

［1］中国腐蚀与防护学会 .腐蚀试验数据的统计分析 ［M］.北京：化学工业出版社，1988：112-143.

［2］化学工业部化工机械研究院 .腐蚀与防护手册：腐蚀理论、试验及监测 ［M］.北京：化学工业出版社，1989：134-145.

［3］朱世东 .CO2腐蚀机理及其预测防护 ［J］.热处理技术与装备，2008，29（6）：3-4.

［4］李国浩，谷坛，唐永帆，等 .CO2腐蚀预测模型 ［J］.石油化工腐蚀与防护，2007，24（6）：5-6.