酒东油田注水系统结垢分析及应对措施*

李艳琦，林远平，薛新茹，李来红，谭晓琼，念大海

（中国石油玉门油田分公司工程技术研究院，甘肃酒泉 735019）

0 前言

油田注入水开发是一种常用的开采方法［1］，注入水水源主要是污水、清水或二者混合水。水源的不配伍性和外界环境（温度、压力、流速）的改变［2-3］，常会导致水中结垢离子析出、聚集，进而结垢［4-6］。酒东油田注水开发时，将K1g1 油藏采出水和K1g3油藏采出水混合后，经过处理作为油井注入水。随着注水程度逐渐深入，注水系统和地层结垢越来越严重，造成注水压力上升和地层吸水能力下降，严重影响正常注水。酒东油田目前有13 口注水井，2018 年有6 口井因结垢管堵停注，占总井数的46.1%，因此解决注水系统结垢问题成为油田增产稳产的关键。本文从分析酒东油田回注水结垢量和结垢机理入手，通过对7种阻垢剂［7-11］进行对比筛选，优选了适合油田生产的阻垢剂——聚天冬氨酸。优选的阻垢剂能够有效抑制或减缓注水系统结垢，保障油田注水系统的正常运行，确保油田正常生产。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

乙二胺四乙酸二钠（EDTA）标准溶液（0.01 mol/L）、钙指示剂、氯化钙、碳酸钙、硫酸钠、氯化镁、氯化钡，分析纯，天津化学试剂厂；有机磷酸（盐）类阻垢剂：氨基三亚甲基膦酸（ATMP），乙二胺四亚甲基膦酸钠（EDTMPS），工业品，山东泰和水处理有限公司；二乙烯三胺五甲叉膦酸七钠（DTPMP·Na7）、乙二胺四甲叉膦酸六钾（HDTMP·K6），工业品，山东鑫泰水处理有限公司；有机膦酸羧酸类阻垢剂：2-膦酸基丁烷-1，2，4 三羧酸（PBTCA），工业品，常州市江湖化工有限公司；绿色环保型：聚天冬氨酸（PASP），工业品，山东泰和水处理有限公司；聚环氧琥珀酸（PESA），工业品，山东滕望化工有限公司。

电热鼓风干燥箱，山东菏泽仪器设备有限公司；JSM-5900LV型扫描电子显微镜，日本株式会社。

1.2 实验方法

（1）水样分析

参照中国石油天然气行业标准SY/T 5523—2016《油田水分析方法》和SY/T 5329—2012《碎屑岩油藏注水水质指标及分析方法》测定水样中的离子含量，分析水样的水质。

（2）阻垢剂的阻垢性能评价

参照中国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》，采用静态阻垢法，评价在不同加剂量下阻垢剂对碳酸钙垢和硫酸钙垢的阻垢性能。按式（1）计算阻垢率E：

式中，E—阻垢剂的阻垢率，%；c0—溶液混合前的钙离子浓度的一半，mg/L；c1—未加阻垢剂混合溶液中的钙离子浓度，mg/L；c2—加阻垢剂后混合溶液中的钙离子浓度，mg/L。

（3）电镜扫描观察

采用微电子光束（微束）对结垢晶体进行形貌观察，通过高倍率下观察加入阻垢剂与未加阻垢剂的微细结构改变情况，确定阻垢剂的阻垢机理。

（4）应用效果评价

先将K1g1 油藏采出水与K1g3 油藏采出水按4∶6比例混合，再经过气浮排除水中氧气，并添加杀菌剂杀菌减缓注水系统腐蚀；然后向混合水样中加入一定量的阻垢剂，在规定温度下恒温静置24 h，测定结垢量m1，并作不加阻垢剂的对比实验。按式（2）计算阻垢剂的阻垢率：

式中：E—阻垢剂的阻垢率，%；m1—混合水加入阻垢剂后的结垢量，mg/L；m0—未加阻垢剂的结垢量，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 注入水水质分析

K1g1油藏采出水与K1g3油藏采出水的水质分析结果见表1。由表1 可知，酒东油田k1g1 油藏采出水的Ca2+含量高，而k1g3 油藏采出水中得HCO3-和SO42-含量高，两种水样水型不同，含有大量的成垢离子，混合后有成垢的可能。

表1 K1g1油藏采出水与K1g3油藏采出水的水质分析

2.2 配伍性分析

酒东油田注入水采用K1g1油藏采出水和K1g3油藏采出水的混合水，为确定两个油藏采出水的配伍性，将两个油藏采出水按不同比例混合，然后在常压下分别测定不同温度（30、50、70 ℃下静置48 h的结垢量，结果见表2。由表2可知，K1g1油藏采出水和K1g3油藏采出水的配伍性差、结垢量大，垢样主要是碳酸盐垢，并有少量的硫酸盐垢。在相同比例下，随着温度的升高，结垢量增加。在相同时间下，随着K1g1 油藏采出水所占比的增加，总结垢量、硫酸盐垢呈先增加后降低的趋势，当K1g1、K1g3 采出水比例为8∶2 时总结垢量最大，K1g1、K1g3采出水比例为7∶3时产生硫酸盐垢的量最大。

表2 K1g1油藏采出水、K1g3油藏采出水按不同比例混合后在不同温度下的结垢量（48 h）

酒东油田两种注入水水源（K1g1油藏采出水和K1g3 油藏采出水）因水型不同，含有大量的结垢离子（主要成垢阳离子为Ca2+，主要成垢阴离子为HCO3-和SO42-）配伍性差，结垢量大，结垢类型为碳酸盐垢，且含有少量的硫酸盐垢［5］。同时在垢样形成过程中，包裹了少量的氯化钠形成包裹垢。

2.3 阻垢剂的筛选

不同加量下，7 种阻垢剂分别对硫酸钙垢和碳酸钙垢的阻垢效果见表3和表4。由表3和表4可以得出，这7种阻垢剂对碳酸钙垢的阻垢效果较好，阻垢率均达到85%，PASP 的阻垢效果最好，加剂量为10 mg/L时对碳酸钙阻垢率达到96.2%，随着加剂量的增加阻垢效果降低。随着加剂量的增大，阻垢剂对硫酸钙垢的阻垢效果先增强后减弱，7 种阻垢剂对硫酸钙垢的阻垢效果较差，阻垢率均小于85%，其中PASP、PESA、DTPMP·Na7 对硫酸钙垢的阻垢效果相对较好。

表3 几种阻垢剂对碳酸钙垢的阻垢率

表4 几种阻垢剂对硫酸钙垢的阻垢率

2.4 扫描电镜分析

阻垢剂筛选实验中的空白样和加入30 mg/L的PASP 后形成的碳酸钙垢、硫酸钙垢的扫描电镜图片见图1和图2。

图1 未加阻垢剂（a）和加入30 mg/L PASP后（b）所形成碳酸钙垢的扫描电镜图

图2 未加阻垢剂（a）和加入30 mg/L PASP后（b）所形成硫酸钙垢的扫描电镜图

由图1 可以看出，在未加阻垢剂时所形成的碳酸钙晶体是非常规则的正六面体结构，而在加入PASP 后，所形成的CaCO3晶体为较疏松的棉絮状。由图2 可以看出，未加阻垢剂时所形成的硫酸钙为规整的针状晶体，而加入PASP 后，所形成的CaSO4晶体为疏松状，说明加入的PASP使CaSO4晶体也发生了畸变。

PASP的结构（见图3）中羧基（—COOH）基团数目较多，在水中水解形成羧基负离子（—COO-）与水中的Ca2+螯合，形成溶于水的螯合分子，PASP 与CO32-争夺与Ca2+的结合机会，降低了CaCO3的生成量。部分PASP 吸附到晶体表面，随着晶体的不断长大被卷入晶格中，使晶体发生错位，在晶体内部形成孔洞，导致分子间的相互作用减少，改变了晶体原有的成长方向，使晶体形态发生改变，妨碍了晶体的成长。

图3 PASP结构图

2.5 酒东注入水的使用效果评价

2019 年6 月13 日，向酒东油田注入水（K1g1 油藏采出水与K1g3油藏采出水按4∶6比例混合）加入一定量的阻垢剂（PASP、PESA、DTPMP·Na7 和ATMP），然后在50 ℃下静置48 h，阻垢剂对酒东油田注入水的阻垢效果见表5。由表5可以得出，PASP、PESA、DTPMP·Na7对酒东油田注入水的阻垢率可达到85%，其中PASP 的阻垢效果最好，加剂量30 mg/L时的阻垢率为89%。

表5 几种阻垢剂对酒东油田注入水的阻垢效果

3 结论

酒东油田注入水采用的地层采出水，因含有大量的成垢离子，易在注水管路内形成碳酸钙型垢。PASP对酒东油田注入水有较好的阻垢效果，加剂量为30 mg/L时的阻垢率为89%。PASP能使碳酸钙、硫酸钙的晶格发生畸变，从而达到阻止结垢的目的。