采出水配伍性及结垢趋势评价方法与展望

马迪，柯鲁峰，张金辉，潘一，REGINA RASSADKINA

(1.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.中国石油大学 机械与储运工程学院，北京 102249； 3.辽宁石油化工大学 创新创业学院，辽宁 抚顺 113001)

多层系开采时，不同层系采出液配伍性差，混层后易产生CaSO4、BaSO4和SrSO4沉淀[1]，造成储层堵塞，对站外管线以及站内设施产生腐蚀结垢[2-4]。例如国外油田美国伯里亚、沙特油田和埃及El-Morgan油田水驱造成的CaSO4和SrSO4结垢问题[5-6]。阿联酋与伊朗在波斯湾的近海油田注水过程中发生的大规模结垢现象[7]。我国渤中油田、华北油田等也均发现了不同程度的结垢。而这些结垢将导致生产可靠性差，面临人员和设备折旧等成本的不断上升的一系列问题[8]。为了解决上述问题，需要对多层系采出水配伍性及结垢趋势预测进行研究，本文综述了国内外多层系采出水配伍性及结构趋势评价方法，并对比分析了其优缺点，展望了模拟配伍性以及结垢趋势预测的最佳方式，以期为相关研究提供参考。

1 配伍性实验

配伍性实验[9]可以用来检测是否有成垢现象，从而减少因水质不配伍性导致的注水和采油系统以及管线的结垢和腐蚀[10]。它达成了多层混合开采的目的，实行了集输过程的混合，一定程度上减少了生产所需成本，对油田的开采与发展有着极其重要的指导意义[11]。这里以地层水和注入水为例，要使两种不同水源相混后形成少量或不形成结垢沉淀量，那么这两种水源要具备良好的配伍性，这样在集输过程中才有利于采出水外输或注入水注入地层。反之，不适配的地层采出水不能直接混输或注入地层。目前，油田中一般使用的有静态配伍性和动态配伍性实验[12]。

1.1 静态配伍性实验

静态配伍性实验一般是在室内进行的，其实验样本来源于实际现场。实验过程中通过对水中存在的离子进行分析，明确实验样品的类型和矿化度，再把经过事先处理后的两种水质样品按照一定配比相混合。目前，成垢离子分析法、垢物重量分析法、透光率(浊度)分析法这三类方法运用较为常见，是用来评价配伍性实验的主要方法[13]。

宋吉峰等[14]在RX-1油田地层水分析基础上，采用成垢离子分析法对注入水(水源井水)与地层水进行静态配伍性评价(以Ca2+为例)，实测成垢离子Ca2+浓度为587 mg/L，较理论值803 mg/L大幅下降，说明注入水与地层水存在结构不配伍现象。地层水与注入水以7∶3比例混合后，Ca2+损失浓度高达350 mg/L，说明有结垢现象产生且结垢量最大。该方法测定采出水配伍性操作简单便于实施，有一定的参考价值。如果研究人员能在其基础上增加成垢离子微量检测相关实验，会使研究更为精准全面。

1.1.2 垢物重量分析法 该方法在实验中运用滤膜过滤来测量产生的垢物重量。实验过程中选取0.45 μm纤维滤膜，将混配水沿着玻璃砂芯过滤装置引流至纤维滤膜上进行抽滤，抽滤之后至少用蒸馏水或石油醚清洗上一操作中的纤维滤膜3次，直到滤膜烘干至重量无明显变化时，测量滤膜的总质量。混配水的垢物重量就是抽滤过程前后称量所得的滤膜质量差。

1.1.3 透光率(浊度)分析法 该方法评价配伍性的机理是测定混配水透光率随时间推移的情况来分析溶液的配伍性。实验过程中，当两种水源配伍性相适应时混配水的透光率较好，而且溶液中不会出现较多的垢晶体；当两种水源相混产生较多的垢晶体而使溶液透光率减弱时，表明这两种水源不配伍。

谢娟等[16]对陕北某油气井稠化酸返排液进行优化，将其pH调节为11，投加聚合氯化铝500 mg/L，聚丙烯酰30 mg/L，将处理后的返排液与注入水按照不同比例混合，运用透光率(浊度)分析法评价两者配伍性，结果表明，处理后上清液的透光率高达98.5%，配伍性良好，不同比例混合后均无CaCO3和CaSO4结垢，但该方法实验过程中易受到悬浮颗粒和颜色等干扰，不建议单独使用。

通过对照可知，这三种静态配伍性实验方法各有利弊。成垢离子分析法的优点是操作可行性高，便于实施，但其变化值在成垢离子浓度达到微量时不易检测；垢物重量分析法原理简单且不受颜色的影响，但对其结垢量分析时，要排除过滤、干燥等外界人为操作因素的影响，实际应用时较为繁琐；而透光率(浊度)分析法用透光率来进行分析，实验中悬浮颗粒和颜色变化对其结果存在误差干扰，一般不单独使用。

1.2 动态配伍性实验

动态配伍性实验[17]大多应用在注入水-地层水交替驱替过程中，该配伍性测试在恒温条件下进行，驱替速度为恒速，其评判这两种水源配伍性好坏的标准是分析注入水与地层水这两者共同作用时对孔隙渗透率降低程度(损伤度的好坏)的影响，进而确定其成垢状况。同时，动态配伍性实验也是海上油田注水开发[18]必须要进行的实验。

甘秀玉等[19]对南海北部湾盆地的WS17-2油田进行了注入水与岩心配伍性动态评价，以地层水和海水4∶1的比例进行动态配伍性实验，岩心渗透率随着注入PV数增加而减小，当PV为50时，渗透率数值为85%。通过动态配伍性实验表明，地层条件相同时海水和地层水离子含量存在较大的差异而产生不配伍性，生成部分碳酸钙垢，降低了渗透率。因此，进行注水作业时应添加防垢剂，防止结垢现象的产生。

刘美遥等[20]针对JX1-1油田注水过程中阻抗显著增加、吸水能力强度迅速降低的现状，开展了以静态实验所得数据为基础，以结垢最多时注入水(清污混合水)与地层水6∶4的配比进行配伍性动态评价实验，发现清污混合回注过程中水源水所占体积配比越大，易生成结钙质垢，对储层的渗透率形成损害也越大。因此为防止油田储层回注能力大幅下降，建议单独回注污水或者清污混合注入时加入部分CaCO3垢抑制剂。该实验方法考虑因素较全面，实验结果清晰易观察，为油田注水方式以及防垢措施的选择提供了参考。

静态配伍性实验和动态配伍性实验均能测得水质的配伍性。但是，静态配伍性实验一般是用来确定采出水配伍性，可以为多层系采出水混合外输等提供依据；而动态配伍性实验常用来研究采出水和储层水之间的配伍性，其考虑了地层等因素的影响，可以为采出水回注地层提供依据。建议将两者合理组合使用，以达到优势互补，进而全面的确定多层系采出水在外输及回注过程中的配伍性，为结垢趋势评价提供理论指导。

表1 配伍性实验评价方法及优缺点Table 1 Evaluation method of compatibility test and its advantages and disadvantages

2 结垢趋势预测

2.1 垢的形成机理

在油气集输时，经常会有结垢现象的发生。由于采出液和注入水的类型各不相同，因此产生结垢差异的因素也不完全相同。在油气集输过程中结垢机理可以归纳为下述几类[21]：不配伍理论、自动结垢、蒸发，气驱或化学驱导致的结垢。这里主要研究的是油田多层系采出水的不配伍性引起的结垢现象，即“不配伍理论”。

由“不配伍理论”形成的污垢种类一般有CaCO3和MgCO3垢、CaSO4垢、BaSO4以及SrSO4垢。

碳酸钙(镁)成垢过程的反应方程式：

(1)

(2)

(3)

硫酸盐垢成垢过程的反应方程式：

(4)

(5)

(6)

油田硫酸盐垢常见的有CaSO4、BaSO4、SrSO4。CaSO4沉淀是采油注水过程中最常见的盐类沉积类型[22]。

2.2 结垢趋势评价

根据前面对采出水配伍性的实验研究，结合集输管路中垢的形成机理和种类分析，可以选择合适的结垢趋势评价方法，避免一些易结垢离子在集输系统中直接混合产生垢沉淀，这可以大大节约资金和能耗。对于集输系统结垢趋势评价方法的探究中，静态模拟实验法、动态模拟实验法、计算机预测法等是国内外应用相对较多的评价方法。

2.2.1 静态模拟实验法 静态模拟实验法又可以称为“瓶试验”，其实验原理是模拟集输系统的实际温度，将不同的水质样本进行两两混合，待混合样本稳定一段时间后观测结垢沉淀并进行称重。其实验过程与静态配伍性实验中的垢物重量分析法类似，该方法可以对集输管路中常见的CaCO3和MgCO3垢、CaSO4垢、BaSO4以及SrSO4垢等进行结垢趋势评价。

刘书杰等[23]以中东M油田高盐度地层水为实验对象，运用静态实验模拟法，使用金属防垢器观察实际结垢效果，以渤海海水作为对比样考察其在油田的适用性，结果表明，静态条件下金属防垢器在对低矿化度的盐水具有较好的防垢效果，结垢率只达27.75%。但对于高盐度地层水作用效果则一般，结垢量约为50%。根据静态模拟实验法结果可见，实验中虽使用金属防垢器对于中东油田进行防垢但还是存在结垢现象，因此需要额外添加化学防垢剂。该方法成本低，可进行多次实验，对油田结垢状况有一定的指导作用，笔者认为还需在实验过程中进一步对实际工况因素加以考虑，将会产生一个更加详尽合理的实验体系。

静态模拟实验法的不足之处在于模拟的是静态工况，没有考虑到集输系统中流体流速、集输压力、管质材料等现场工况因素，但当无法获取实际工况时，这种方法可以在节省投资的情况下于室内进行多次初步试验，对于判断结垢趋势预测来说，仍然是一种比较典型的方法。

2.2.2 动态模拟实验法 动态模拟实验法也是在室内进行，其在静态模拟实验基础上引入了集输过程中的实际参数，通过观测这些指标的变化来判断是否发生结垢行为[24]。该方法也可以对集输管路中常见的CaCO3和MgCO3垢、CaSO4垢、BaSO4以及SrSO4垢等进行结垢趋势评价，如扫描电镜(SEM)装置、动态结垢实验仪等。

SEM使用高能电子的聚焦光束在固体样本的表面产生各种信号。衍生自电子样品相互作用的信号揭示了关于样品的信息，包括外部形态(纹理)、化学组成以及构成样品的材料的晶体结构和取向[25]。Meisam等[26]通过扫描电子显微镜(SEM)显微照片显示了在注射水流入多孔介质过程中BaSO4结垢的沉积，给出了扫描电子显微镜(SEM)所形成的结垢晶体的形貌和粒度，可利用这些结果建立一般的反应速率方程，以预测在给定温度、盐水超饱和和压差下的砂岩岩心中的BaSO4沉积。扫描电子显微镜(SEM)可呈现出清晰明了的结垢晶体信息，是一种便捷可用的高能电子装置。

余维初[27]研制出一种新型的动态结垢实验仪，该实验仪改用双泵对注入水和地层水进行同时驱替，并对岩心夹持器的调节接头进行改装，成为双孔凸起的类型，可伸进岩样内部，以保证注入水与地层水可在岩样的内部进行混合。该装置能够模拟地层真实状况，测出混合产生的最大结垢量，为结垢机理的研究提供了实践指导，能够弥补以往常规岩心驱替实验过程对进行结垢试验测试时的缺陷，对油田生产来说具有重大的指导意义。

与静态模拟实验相比，动态模拟实验法较好的模拟了集输系统的集输压力、流体温度、流体流速等参数，其实验结果与现场的结垢堵塞情况较为一致，是一种比较准确的结垢堵塞趋势评价方法。但其室内投资大，实验装置构建复杂，不适合多次的重复性实验，同时对实验参数的检测也不方便，无法在实际现场大量运用。

2.2.3 计算机预测法 计算机预测方法主要有3种类型，针对不同的结垢类型，其选择的结垢趋势评价方法有所不同：①单一碳酸钙结垢预测，Davis-Stiff饱和指数法[28-30]、Rynar稳定指数法[31-32]、Langlier 饱和指数法[33]等。②单一硫酸垢，Skillman等提出的用来预测CaSO4垢形成的热力学溶解度法[34]、基于动力学原理的结垢预测模型Bedrikovetsky[35]等。③混合垢预测技术，Oddo-Tomson饱和指数法[36]、Oli ScaleChem软件[37-38]等。

目前，上述列举的计算机预测方法，在部分油田已经进行了使用，还有的在此基础上进行改进。游靖等[39]针对华北油田京11区块，利用Davis-Stiff饱和指数法和Ryznar稳定指数法，通过设置不同条件，以地层水和注入水为研究对象，进行油田结垢趋势预测，结果表明，该区块两者都存在很严重的结垢趋势，且前者的结垢趋势要高于后者，结垢类型以CaCO3为主，模拟水样的实际结垢率可至61%。但其考虑因素不全面，如果同时对压力、流速、混合结晶等问题加以考虑，会使预测结果更加准确。胡晓威等[40]利用Davis-Stiff和Oddo-Tomson饱和指数法、Ryznar稳定指数法及热力学溶解度法，综合分析西峰长8油藏CaCO3及CaSO4的结垢趋势。实验结果显示，注入水和地层水均存在CaCO3结垢的趋势，两者混合后，存在CaCO3结垢趋势，而无CaSO4结垢趋势，对于油田开发具有重大指导意义。Amiri等[5]利用Oli ScaleChem 软件对注入水与地层水混合后的BaSO4进行了预测，确定了不同状况下的结垢趋势，Oli ScaleChem软件预测，随着压力和温度的增加，BaSO4结垢卤水的结垢趋势减小。目前Oli ScaleChem软件已应用于研究伊朗油田碳酸盐铁垢形成的潜力，作为二次采油或储层压力维持的一种方法[37]。该预测方法精确，适用范围大，应用前景广阔，对于未来结垢趋势评价有着一定的借鉴意义。

以上研究表明不配伍性引起的集输系统结垢种类以CaCO3和MgCO3垢、CaSO4垢为主。通过分析结垢形成机理，确定污垢类型，为选择合适的结垢趋势评价方法提供依据。随着计算机的普遍应用，若在原来静态/动态实验法的基础上辅以计算机预测法，将其对比分析，可以提高结垢趋势评价的准确性。

表2 结垢趋势预测方法及优缺点Table 2 Forecasting method of scaling trend and its advantages and disadvantages

3 结论

本文对采出水配伍性及结垢趋势评价方法进行对比和总结，得出以下几点研究与发展建议。

(1)成垢离子分析法原理简单，操作可行性高，技术人员可在此基础上优化成垢离子微量检测相关技术，会使其使用更加普遍，对离子浓度的精确测量来说具有很大的实际意义。

(2)结垢预测模型有着自身局限性，不同油田现场条件、地质状况、采油方式等均具有差异，而结垢预测模型又具有针对性，少数的结垢预测通用模型又缺少自身精确性，因此，开发研究更全面准确的结垢预测模型，显得十分必要。

(3)当前油田常用的结垢预测方法比较侧重于对油田结垢趋势、结垢量以及结垢类型的分析，对过程中各个时期水的结垢速率研究颇少，为了后期能更准确有效地进行防垢结垢，在运用各种方法进行预测的过程中应同时注意对水结垢速率的研究。

(4)目前结垢预测方法考虑因素尚不全面，大多预测模型只是考虑了热力学因素，为了提高模型预准确度，进行结垢趋势预测时还应全方位分析流体力学以及结晶动力学等对其的影响。