纯梁采油厂首站纯化外输水质改性体系测试

马素俊，任鹏举，李建兵，官庆卿

1.中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东 东营 257000；2.中国石化胜利油田分公司纯梁采油厂，山东 滨州 256500

纯梁采油厂首站来水性质复杂，具有较低的pH 值以及较高的HCO3-和游离CO2含量，腐蚀性较强，导致地面管线和井筒结垢现象严重。采取水质改性工艺，能够将首站污水pH 值由6.4 提升到7.8～8.0，有效减少水中成垢离子数量，降低污水腐蚀性，水质合格率明显提升。虽然改性后污水中白云石、碳酸钙镁和方解石等矿物饱和指数有一定量的降低，但结垢现象仍然存在。

受外输水质自身稳定性影响，纯化、梁家楼油田注水沿程以及井下管柱结垢问题较为突出。结垢主要导致以下3 个方面的问题：①油管结垢，导致测试遇阻，无法对水井进行测试调配、实现分层测试调配等。2021 年测试调配319 井次，其中测调遇阻44口井。在44口因测试调配遇阻的井中，31 口井遇阻位置≥2 000 m，占比达到71%。②结垢导致配水器水嘴堵塞，使得注水井的注水压力上升。③油水井井筒结垢的同时，储层也会受到不同程度结垢的损害。一旦地层具备了有利于回注水体系成垢的地质因素，就会在地层产生微晶从而导致地层结垢。水垢会堵塞地层的孔隙系统，从而损害油层，使地层的有效渗透率降低，造成地层吸水能力减弱，严重时会堵塞地层，从而缩短了部分注水井增注措施的有效期，最终影响石油开发效果。

针对这一问题，笔者开展水质改性工艺调整与优化技术研究的相关测试分析，通过测试分析筛选出首站水质改性体系配方，在确保外输水质符合率的前提下，降低外输水结垢趋势，减轻管网与井下管柱结垢程度，以期达到进一步提升水井增注效果以及测试调配成功率的目的。

1 材料与方法

1.1 实验材料

主要药品：乙二胺四乙酸二钠（EDTA）（分析纯）、氨-氯化铵缓冲溶液（pH=10）、30%三乙醇胺溶液、抗坏血酸（分析纯）、NaOH（分析纯）、KOH（分析纯）、铬黑 T（分析纯）、甲基橙（分析纯）、酚酞（分析纯）、95%乙醇（分析纯）、碘（分析纯）、碘化钾（分析纯）、硫代硫酸钠（分析纯）等。

常用防垢剂见表1。

表1 常用防垢剂清单

1.2 实验仪器

HH-4 型数显恒温水浴锅，江苏省金坛阳光仪器厂；1 L 高压釜，大连通产高压釜容器制造有限公司；JJ224BC 型电子分析天平，北京海富达科技有限公司；DZF-6092 型电热恒温干燥箱，常州市易用科技有限公司；JB-3 型磁力搅拌器，上海雷磁新泾仪器有限公司；Aeris X 线衍射仪，丹东通达科技有限公司；500 mL 具塞锥形瓶、容量瓶、具塞量筒、移液管等。

1.3 实验方法

1.3.1 垢样分析

对纯梁采油厂注水沿程的垢样作XRD（X 线衍射分析）谱图，以确定垢的主要类型和晶型。

1.3.2 水质分析

采用SY5523—2006《油田水分析方法》的相关方法对纯梁采油厂首站来水、注水沿程和外输等位置水样进行离子分析，得出水样的酸碱度、阴阳离子的种类及含量等［1］。

1.3.3 防垢性能测定方法

按照石油天然气行业标准SY/T 5673—93《油田用防垢剂性能评价方法》配制溶液，并进行防垢性能测定。

2 结果与讨论

2.1 垢样分析及结垢表征

结垢产物主要成分的XRD分析见图1。

图1 垢样的XRD分析图谱

由图1 可知：方解石占垢样组成的99%（质量分数），石英占1%，垢样的主要类型是碳酸钙垢。由于管网自投产以来，从未进行清垢处理，所取垢样为长年累积结果，且垢样取样点少，不能表明水质改性后垢样组成的变化情况。因此，需要结合水样离子分析的结果判断注水沿程结垢类型。

2.2 水样的离子分析

对纯梁采油厂水样进行离子分析，并与2014年、2015 年和2022 年首站来水、外输水中成垢离子含量检测结果进行对比，结果见表2～3。

表2 首站及下游改性污水成垢离子检测结果（2014、2015年）mg·L-1

从表2 和表3 对比数据可以看出：2014 年首站来水成垢离子基本不含Ba2+，主要是Ca2+、Mg2+、SO42-和HCO3-，而Ca2+、Mg2+成垢通常是伴生的，形成的垢应以钙垢为主；2022 年监测出首站来水的成垢离子发生了较大变化，水中监测出含量较高的Ba2+存在，无SO42—。Ca2+、Mg2+、Ba2+和HCO3—等主要成垢离子浓度随取样点的不同而不断变化，成垢离子中Ba2+、HCO3-含量随沿程逐渐降低，表明有BaCO3优先析出。

表3 首站及下游改性污水成垢离子检测结果（2022年）mg·L-1

2.3 水样的结垢特性分析

通过多点水样的离子分析，总结了水质结垢特性，确定了注水沿程、注水井井筒内的结垢类型。水质结垢特性见表4。由表4可知：目前注水沿程结垢类型以BaCO3为主，注水井井筒结垢以CaCO3为主。

表4 水质结垢特性

2.4 防碳酸钙垢的筛选与优化

将5 种有机膦酸类防垢剂和4 种聚合物型防垢剂［2-6］分别加入过滤后的一定量的油田混合水中，在 6 MPa、60 ℃（模拟井筒）条件下，将其放置高压釜中4 h，测其防垢率，结果见图2和图3。

图2 有机膦酸防碳酸钙垢性能

图3 聚合物类防碳酸钙垢性能

由图2 和图3 可知：井筒条件下防垢剂ATMP、HEDP、 PASP 和HPMA 对碳酸钙垢抑制效果较好，加药质量浓度达到 10 mg/L 时，防垢率均达到90%以上。

2.5 防碳酸钙垢剂的耐温性能评价

在水浴和老化条件下，对优选的4 种有机膦酸防垢剂在10 mg/L 质量浓度下的耐温性能进行测定，结果见图4。

图4 4种防垢剂防垢率随温度的变化

由图4可知：优选的4种防垢剂的防垢率随温度升高而下降，在地面温度下，防垢率影响不大；当使用温度高于100 ℃时，其防垢性能会受到不同程度的影响。其中，HEDP 在温度达到130 ℃时，防垢率仍维持在80%以上，其耐温性能最佳。

2.6 防碳酸钡垢的筛选与优化

筛选部分目前常用的防垢剂（防钡垢），分别考察不同防垢剂用量对其防垢性能的影响（实验条件：常温常压），结果见图5和图6。

图5 防垢剂用量对有机膦酸防钡垢性能的影响

图6 防垢剂用量对聚合物类防钡垢性能的影响

从图5 和图6 可知：在高质量浓度下，EDTMP、PASP 对钡垢抑制效果最好，当加药质量浓度为40 mg/L时，防垢率分别为67%和65%。

有机膦酸类防垢剂都是多元膦酸或多元羧酸盐，其特点是极易与二价金属离子络合，并且具有较好的“溶限效应”，可与其他多种类型药剂发挥协同效应［7-10］。因此，将有机膦酸类防垢剂与聚合物防垢剂进行复配，并将不同产品复配后的防垢率进行了对比，结果见图7～9。

图7 PASP与PAA复配后的防垢性能

图8 EDTMP与PAA复配后的防垢性能

图9 EDTMP与PASP复配后的防垢性能

由图7～9 可知：在相同质量浓度（40 mg/L）下，PASP 与PAA 复配、EDTMP 与PAA 复配、EDTMP 与PASP 复配后的防垢率分别为60%、85%和94%，其中有机膦酸防垢剂EDTMP 与聚合物类防垢剂PASP复配后抑制钡垢效果最佳。

3 结论

1）目前首站纯化外输水成垢离子构成与2015 年水质改性初期发生较大变化，有较高的Ba2+存在。注水沿程结垢类型应以BaCO3为主，注水井井筒结垢以CaCO3为主。

2）ATMP、HEDP、 PASP、HPMA对碳酸钙垢抑制效果较好。地面温度下，防垢率均影响不大。在温度达到130 ℃时，HEDP耐温性能最佳。

3）综合考虑防垢剂的抑制钡垢和钙垢性能，建议优选EDTMP与PASP复配作为防垢剂在纯化油田进行现场应用。