华庆油田三叠系延长组地层水配伍性研究

张丰峰　李军亮　廖锐全　刘保磊　姜毅

摘      要： 华庆油田三叠系延长组油藏采用注水开发且以污水回注为主，由于多层系采出水组成性质的差异，容易对储层造成污染。本文在分析华庆油田延长组地层水的性质、各离子含量以及水型的基础上，将主力开发层位长6地层水与其他层位地层水按不同比例混合后，在不同温度下测定混合液中的成垢离子含量，计算结垢量，分析结垢类型，并对结垢趋势进行预测。研究结果表明：长6地层水与其他层位地层水混合后均有不同程度的结垢现象，且以碳酸钙垢为主，可见多层系水的不配伍性是导致注水开发过程中长6储层污染的主要原因，从而为污水选择性回注及防垢解堵提供了理论依据。

关  键  词：注水开发;配伍性;结垢;污水回注

中图分类号：TE357.8       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）07-1414-06

Research on Formation Water Compatibility of

Yanchang Formation of Triassic in Huaqing Oilfield

ZHANG Feng-feng1，2， LI Jun-liang11，2， LIAO Rui-quan1，2， LIU Bao-lei1，3， JIANG Yi1

（1. School of Petroleum Engineering， Yangtze University， Wuhan Hubei 430100， China;

2. Research Office of Yangtze University， Key Laboratory of CNPC for Oil and Gas Production， Wuhan Hubei 430100， China;

3. Key Laboratory of Education of Oil and Gas Resources and Exploration Technology of Ministry， Wuhan Hubei 430100， China）

Abstract： The reservoir of Yanchang Formation of Triassic in Huaqing oilfield is developed by sewage reinjection. Because of the difference of the composition of the produced water in the multi-layer system， it is easy to pollute the reservoir. Based on the analysis of the properties， ion contents and water types of formation water in Yanchang formation of Huaqing oilfield， after mixing Chang 6 formation water with other formation water in different proportion， the content of scaling ion in the mixed solution was measured at different temperatures， the scaling amount was calculated， the scaling type was analyzed， and the scaling trend was predicted. The results showed that there were scaling phenomena in different degrees when the formation water of Chang 6 was mixed with that of other layers， and the main scaling was calcium carbonate. It can be seen that the incompatibility of multi-layer system water is the main cause of reservoir pollution in the process of water injection development， which provides a theoretical basis for selective injection of sewage and anti-scaling and descaling.

Key words： Oilfield water injection development; Compatibility; Scaling; Sewage reinjection

目前我國陆上油田普遍采用注水开发^[1-3]，在水资源严重短缺的现状下，采出水用于回注^[4]。多层系开采时，不同层系采出水配伍性差，采出水混合后注入地层易产生 CaCO₃、CaSO₄、BaSO₄和 SrSO₄沉淀^[5]，造成储层堵塞及集输系统结垢，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进行研究。

华庆油田位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡南部^[6]，三叠系延长组油藏开发主要层位为长6、长8、长1、长4+5，平均孔隙度为11.07%，平均渗透率为2.4×10^-4 μm²，具有典型的低孔低渗特征^[7]。為保持地层压力平衡，华庆油田采用注水开发方式。随着油田不断开发，原油含水逐渐上升，采出水量愈来愈大。油田采出水处理后用于回注，既减少清水使用量和废水排放量，又能注入地层驱油保护环境，给油田带来了巨大的经济和社会效益。但油田注入水与地层水接触、混合，由于水质离子含量不同、流体组成的热力学不稳定性、pH值、温度、压力、流速等条件的变化致使不同层系地层水存在不同程度的不配伍性^[8]，为了尽可能减少污水回注对储层的伤害，对长6与其他层位地层水混合回注过程中的配伍性进行了实验研究。

1  油田地层水性质及结垢机理

由于地层差异及钻井工艺不同等原因，油田地层水的成分复杂、水质各异、水质极不稳定，是高矿化度介质，含有大量的CO₃^2-、HCO₃^-、SO₄^2-、Ca²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺等成垢离子。压力、温度等条件的变化，会导致各种类型垢的形成。

由于油田地层水类型不相同，产生结垢差异的因素不相同，多层系地层水的不配伍性通过结晶作用，形成不同产状的结垢。

1.1  碳酸盐结垢机理

碳酸盐垢[CaCO₃、CaMg（CO₃）₂]是由于钙、镁离子与碳酸根或碳酸氢根结合而生成的，反应式如下：

碳酸盐垢是油田生产过程中最为常见的一种沉淀物，油井在生产过程中，当流体从地层流向井筒，再从井筒进入到集输系统的过程中，由于压力和温度的下降，CaCO₃溶解度下降并析出沉淀。

1.2  硫酸盐结垢机理

硫酸盐垢[CaSO₄、CaMg（SO₄）₂]是由于钙、镁离子与硫酸根离子结合而生成的，反应式如下：

硫酸盐垢也是油田生产过程中最为常见的一种沉积物，最常见形式有石膏（CaSO₄·2H₂O）、硬石膏（CaSO₄）、半水硫酸钙CaSO₄·1/2H₂O等。

油田在注水开发过程中，含SO₄^2-的注入水与成垢阳离子反应，在油层和近井地带或井筒生成硫酸盐垢。不同层位的采出液在集输站点混合都可能产生硫酸盐垢。

2  华庆油田延长组长6与不同层位地层水配伍性研究

2.1  华庆油田延长组地层水水质分析

参照SY/T5523-2000《油气田水分析方法》、SY/T5329-94《碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法》，结合离子色谱技术，系统分析水的组成和性质特点，包括Cl^-、CO₃^2-、HCO₃^-、SO₄^2-、K⁺+Na⁺、总Fe 、Fe²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺含量，并确定水型。华庆油田三叠系延长组地层水和清水水质分析结果如表1所示。据离子检测结果分析看，华庆油田延长组地层水的水质差异较大，矿化度分布从

36 000～130 000 mg·L^-1不等，多为CaCl₂水型;注入水矿化度为9 894 mg·L^-1，为Na₂SO₄水型。水样均未检出Ba²⁺与Sr²⁺。以上情况说明华庆油田延长组层系地层水结垢以碳酸钙垢与硫酸钙垢为主。

2.2  水配伍性实验研究

在油田水离子含量测定的基础上，将典型区块白153区长6地层与其他地层水按10∶0、8∶2、6∶4、5∶5、4∶6、2∶8、0∶10等7个比例混配，分别在25 ℃和油层温度60 ℃下进行配伍性实验。静置240 h测定不同混配比例水中的成垢离子含量，采用化学滴定测定计算结垢量，并依据溶度积规则和静置前后成垢离子变化预测结垢趋势。

表2-表6中为两种水样按照不同比例混合后的钙离子含量，初配值是由两种水样所含钙离子浓度以及混合比例计算得来。实验所测得钙离子含量与理论预测值相比较，两者的差值为失钙量，两者差值越大，则说明两个水样不配伍性越严重。

由图1可以得出以下结论：（1）长6与不同层位地层水进行配伍，静置时间为240 h时，整体上60 ℃的失钙量大于25 ℃的失钙量。（2）长6和其他地层水配伍失钙量由大到小的排列顺序为：长3>长9>长8>清水>长4+5。因此长6与长3的配伍性最差，25 ℃和60 ℃条件下失钙量基本相当，最高失钙量为842 mg·L^-1，并且混合体系中随着长6含量的减小失钙量增多，结垢量增加，这是因为相比长6而言长3地层水矿化度较高，Ca²⁺的含量较多，两者的配伍性差。（3）清水与长6的配伍性仅次于长4+5，混合后失钙量普遍在200 mg·L^-1左右，这是因为注入水矿化度较低，Ca²⁺离子的浓度较低。

3  结垢趋势预测分析

通过对长6与不同层系的地层水开展结垢趋势预测，可以判断不同层系地层水的配伍程度，为防垢解堵和污水选择性回注提供理论依据。由于垢物成分多样，因而预测方法也是多样的^[9]，本論文通过Davis-stiff饱和指数（SI）法和饱和系数（S）法对结垢趋势进行预测。

3.1  碳酸钙结垢趋势预测

对碳酸钙结垢预测采用Davis-stiff饱和指数（SI）法^[10-11]，此方法是先计算饱和指数SI，然后进行判断。

SI的计算方法为：

SI=pH-pHs

=pH-K+lgC[Ca²⁺]+lg（2C[CO₃^2-]+C[HCO₃^-]）

式中K由水温和水中离子强度μ决定的修正值。不同温度时，离子强度μ与碳酸钙修正系数K的关系查图版得到^[12]。

μ=0.5∑C_iZ_i²

式中：C[CO₃^2-]-CO₃^2- 的浓度，mol·L^-1;

C[HCO₃^-]-HCO₃^-的浓度，mol·L^-1;

pH-水样的实测pH值;

pHs-CaCO₃ 达到饱和时的pH值;

C[Ca^{2 +}]- Ca^{2 +}的浓度，mol·L^-1;

C_i -各离子的浓度，mol ·L^-1;

Z_i -各离子的价数;

SI-饱和指数。

结垢预测依据：SI>0，表示CaCO₃已达过饱和状态，会结垢; SI<0，表示水中CaCO₃未达到饱和状态，不能结垢;SI = 0，表示CaCO₃刚达到饱和点。

CaCO₃结垢趋势如图2所示。（1）在60 ℃条件下长6地层水自身有轻微的碳酸钙结垢趋势，  25 ℃条件下自身无碳酸钙结垢趋势，长6与其他不同地层水混合在60 ℃的碳酸钙结垢趋势大于  25 ℃的结垢趋势。（2）长6与其他地层水碳酸钙结垢趋势由大到小的排列顺序为：长3>长9>长8>清水>长4+5，与长3的碳酸钙结垢趋势最大，在60 ℃和25 ℃下当两者的比例分别达到4∶6和   2∶8时SI最大;长6和长4+5混合液整体上碳酸钙结垢趋势最小，这是因为长6和长4+5地层水矿化度相接近。

（3）长6和清水的结垢趋势略大于长4+5的结垢趋势，这是因为Ca²⁺离子的浓度较低。由此可见长6与不同层系地层水混合碳酸钙结垢趋势与配伍性实验吻合，即失钙量越大，碳酸钙结垢趋势就越大。

3.2  硫酸钙结垢趋势预测

采用饱和系数法（S）对硫酸钙结垢趋势进行预测，饱和系数法考虑了离子间的不同离子效应、温度、压力以及水体系的多元预测方法^[13]。根据水体系中硫酸钙成垢物质的平衡方程S的计算方法为：

S=（C（Ca^{2 +}）·C（SO₄^2-））/Q_sp

式中： S-饱和系数;

C（Ca²⁺）-Ca²⁺的浓度，mol·L^-1;

C（SO₄^2-）-SO₄^2-的浓度，mol·L^-1;

Q_sp-CaSO₄的溶度积;

Q_sp-由水温和水中离子强度μ共同决定，查阅图版可以得到。

判断依据：S>1，表示水中CaSO₄有结垢倾向;S=1，表示CaSO₄处于饱和状态;S<1，表示CaSO₄没有结垢倾向。

CaSO₄的结垢趋势如图3所示。

1）在25 ℃和60 ℃条件下，长6与不同地层水的混合样S均小于1，说明长6与不同地层水混合后在地面和储层条件下均无硫酸钙结垢趋势存在。在两种温度条件下的S值基本一致，说明CaSO₄的结垢趋势基本不受温度的影响。

2）整体上随着长6含量的减少，S上升，主要是长6地层水中成垢离子SO₄^2-的浓度较低。

3）长6与注入水以不同比例混合后硫酸钙的结垢趋势大于与地层混合后的，这主要是注入水矿化度比较低，含有较高浓度的成垢阴离子SO₄^2-，所以随着注入水的增加S增大。

4  结 论

1）华庆油田长6地层水与不同层位地层水混合后均有不同程度的结垢现象，其中长6与长4+5地层水配伍性最好，与长3配伍性最差，因此对于长6储层应当选择性回注污水，以矿化度相接近的长4+5为宜，避免高矿化度的长3地层水与长6储层接触。

2）长6地层水与其他层位地层水稳定性差，碳酸钙结垢趋势明显，无硫酸钙结垢趋势，碳酸钙结垢趋势与配伍性实验基本吻合，60 ℃条件下碳酸钙结垢趋势大于25 ℃条件下的结垢趋势，其中长6与长3的结垢趋势最大，长6与长4+5的结垢趋势最小。

3）长6与不同层系地层水混合后主要生成碳酸钙垢，在油田开发过程中应采取以盐酸为主的地层解堵措施，注水过程中加入碳酸钙抑制剂，避免差异较大的不同层系采出水混注。

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基金项目：国家自然科学基金资助项目（项目编号：61572084）。

收稿日期：2020-04-21

作者简介：张丰峰（1993-），男，甘肃省庆阳市人，硕士研究生，研究方向：石油与天然气工程。E-mail：1307997269@qq.com。

通讯作者：李军亮（1977-），男，副教授，博士，研究方向：采油采气工艺。E-mail：lijunliang01@163.com。