1中国石油冀东油田分公司南堡油田作业区 河北省唐山市 063000；
2冀东油田油气集输公司 河北省唐山市 063000；3冀东油田人事处 河北省唐山市 063000；
4冀东油田南堡作业区王东勃 河北省唐山市 063000
摘要：为了明确南堡油田作业区1号构造注水井成垢离子来源，引入Stiff-Davis方法预测碳酸钙结垢，将该方法同生产实际相结合，建立了结垢预测模型，找出临界钙离子浓度，计算临界钙离子含量。根据南堡油田历年来三相水出口离子含量数据，采用线性回归方法，建立不同时间的钙离子含量变化的曲线，与临界钙离子含量相对比，找出结垢离子的来源。通过研究表明:南堡油田作业区1号构造主要垢质类型是碳酸钙垢，主要成垢离子Ca2+和HCO32-来源于高密度压井液。
关键词：Stiff-Davis方法；碳酸钙结垢；临界钙离子浓度；高密度压井液
目前，国内外学者对注入水井结垢开展了不同程度的研究，结垢原因比较复杂，受很多因素的影响，因此各个油田的结垢情况也不一样，结垢预测技术比较多。有的方法虽简单但考虑的结垢因素不周全，而有的方法比较复杂难以在现场进行应用，且各自适用的条件也不一样。为此，结合南堡油田1号构造注水井实际结垢状况，筛选了适合南堡油田1号构造结垢趋势预测模型，引入Stiff-Davis方法预测碳酸钙结垢。
1南堡油田1号构造注水井结垢现状
自2012年至2013年4月，南堡油田1号构造在作业时发现多口注水井存在不同程度的结垢现象，井筒结垢比较严重，已经发现结垢注水井共10口，其中南堡采油一区2口，采油三区7口，采油二区1口。南堡油田共有注水井109口，其中1号构造72口，占注水井比例的66%，1号构造的注水井水源来自南堡油田采油一区的污水处理站。
南堡油田1号构造注水井结垢情况统计（见图1）
从图中可以看出，垢质类型主要是碳酸钙，还有少部分的碳酸镁。
碳酸镁的溶解度大于碳酸钙，在蒸馏水中碳酸镁溶解度比碳酸钙大四倍。因此对于大多数既含碳酸镁同时也含碳酸钙的水来说，任何使碳酸镁和碳酸钙溶解度减小的条件，首先会形成碳酸钙垢。
对南堡1号构造注水水源各环节出水进行水性分析，报告显示：钙离子普遍是镁离子的3-8倍。所以，南堡1号构造注水井结垢的主要垢质类型是碳酸钙垢。
3碳酸钙结垢预测模型
对南堡油田结垢井油管取出垢样经干燥、灼烧、酸溶等一系列处理，并采用酸式滴定法对垢样做了化验，化验结果表明：垢质类型主要是碳酸钙，还有少部分的碳酸镁，以及少部分的硫酸盐垢、铁化合物垢与有机垢，主要成垢离子是Ca2+和HCO32-。[1]
3.1 Stiff-Davis方法预测碳酸钙结垢[2]
根据Stiff-Davis方法预测碳酸钙结垢，（见公式1-1）
SI=A-pCa-pAlk-K （1-1）
式中
A——实际测定的水样PH值；
pCa——Ca2+浓度的负对数，浓度单位mol/L;
pAlk——总碱度的负对数，总碱度是水中HCO3-和CO32-浓度之和，浓度单位mol/L;
K——Stiff-Davis常数，是温度和离子强度的函数；
SI——饱和度指数，也叫结垢指数。
SI小于0，CaCO3未饱和，不会结垢；SI大于0，CaCO3饱和，可能结垢。
首先，由公式（1-1）转化得到公式（1-2）
pCa=A-pAlk-K-SI （1-2）
当SI=0时，即碳酸钙在水中饱和时，可以推导出临界钙离子浓度的计算公式（1-3）
Ccr=10- pCa=10-（A-pAlk-K-SI） （1-3）
那么，可以得到临界钙离子含量的计算公式（1-4）
Ncr=Ccr×40g （1-4）
若能够计算出不同温度下的钙离子含量的临界值，与水性分析中钙离子含量相对比，即可预测南堡油田1号构造碳酸钙是否存在结垢趋势。
3.2 定解条件
从公式1-1中可以看出，影响碳酸钙饱和度指数的因素主要取决于pCa 、pAlk 、A 和K。
K为常数可通过查表得到，需知道离子强度，离子强度I≈TDS（mg/L）/58400。TDS是总矿化度 。[2]
南堡1号构造注水井水源，即南堡油田采油一区污水处理站外输水，PH值一直保持在7.0，故A=7.0。
常压条件下，取2010年4月至2013年2月，南堡油田1号构造污水的总矿化度和总碱度做为研究对象，（见图5，图6）
因为水性分析化验的条件为常压室温，室温接近20℃。20℃时，常压下，南堡油田1号构造污水的临界结垢钙离子含量为51.6mg/L。
4钙离子来源分析
根据南堡油田1号构造注水井注水水源流程走向，利用逆推的方法，从南堡油田采油一区外输水注意向上游追溯成垢离子来源。
4.1 三相分离器水出口水性分析
因为，三相分离器水出口至南堡1-1人工岛外输水期间经过原油脱水和污水处理系统，这个过程中的所进系统外来液，仅有老爷庙污水和所加药剂，主要药剂是：三相所加破乳剂为聚醚类，接收水罐所加反相破乳剂为聚季铵盐类，浮选机所加混凝剂、助凝剂为无机的聚合氯化铝，杀菌剂为双季铵盐类，均不含成垢离子，基本不改变水性。[3]
又因为，老爷庙污水钙离子含量低于临界离子含量，总碱度及总矿化度均接近外输水平均值，常压下不存在结垢趋势，（见表3）。
通过对比分析可知，三相分离器水出口均有不同程度的结垢趋势，其中2#三相分离器水出口结垢趋势严重，即南堡油田采油三区来液。
4.2 系统来液水性分析
三相分离器水出口的对比分析表明南堡油田各采油区系统来液均有不同程度的结垢趋势。所以，对南堡油田各采油区系统来液进行水性分析。南堡油田各采油区系统来液，包括油井采出水、水源井采出水和压井液三部分。
4.2.1 油井采出水水性对比分析
选择不同区块，不同层位的代表井作为研究对象，进行水性分析，将钙离子含量与临界结垢钙离子含量进行对比分析。（见表4、5、6、7、8）
由上表可见，南堡油田1号构造注水井结垢离子源自高密度压井液中的氯化钙。
5 结论
（1）南堡油田作业区1号构造，主要垢质类型是碳酸垢，大部分为碳酸钙垢，存在少量的碳酸镁垢，主要成垢离子Ca2+和HCO32-。
（2）利用Stiff和Davis方法模拟计算出南堡油田作业区1号构造外输水常压室温下的临界结垢钙离子含量为51.6mg/L，以此与水性分析报告中的钙离子含量对比，可以判断是否存在结垢趋势。
（3）确定南堡油田1号构造注水井结垢主要成垢离子Ca2+和HCO32-来源于高密度压井液，为南堡油田1号构造注水井结垢的治理明确了目标，奠定了基础。
参考文献:
[1]中石油天然气总公司 SY/T 0600-1997.油田水结垢趋势预测 1997
[2]陈海阳，任红贤，侯兴华.垢的生成及预测，[J].国外油田工程, 1995年02期
[3]蒋伟，郑云萍，司先锋。油田水预测研究综述[J].特种油气藏，2006年05期
作者简介：
李天祥（1983-），男，工程师， 2006年7月毕业于东北石油大学油气储运专业，获学士学位；4就职于冀东油田南堡油田作业区采油六区，任油建工程师，主要从事地面工程建设。
论文作者:李天祥1,赵强2,吴建超3,王东勃4
论文发表刊物:《防护工程》2017年第4期
论文发表时间:2017/7/7
标签：油田论文; 离子论文; 碳酸钙论文; 碳酸镁论文; 临界论文; 作业区论文; 水性论文; 《防护工程》2017年第4期论文;