含水油井的结垢计算和预测

试　２０１０年３月　采　技　术　ＷＥＬＬ　ＴＥＳＴＩＮＧ　ＡＮＤ　ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　含水油井的结垢计算和预测　胡业文冯耀忠　冯　鼎　（中石化胜利油田分公司公司纯梁采油厂）　摘　要　为了优化含水原油的开采、矿场集输和原油处理，该文论述了对含水油　井结垢的数学模拟，结垢过程的水质化学计算和油井工作制度与结垢的关系。　关键词　采油　含水原油　防垢　数学模拟　结垢是开采含水原油时的一个复杂的因　素。并且结垢的过程及其成分又极其复杂。　成结垢混合物。并且，其中将不断有水垢沉　积。其结果，就会在井下形成滤液，即水垢　仅矿场设备的垢样成分中，就有５０余种盐类　矿物和腐蚀产物。目前人们主要采用的阻垢　方法是预防，因防垢要比处理结垢容易和价　沉积后化学成分改变的混合水。它沿井筒上　升时，因温压条件变化其中还会产生新的结　垢。与原油一起采出的伴生水，在井口的化　学成分又不同于井底，这就可形成另一种　结垢条件。此外，在原油处理设备的加热炉　廉得多，而且矿场采用的防垢方法比较单　一，并未考虑温压条件动态和化学不相容水　混合时，由盐析作用导致的水组分变化等结　垢的主要原因。通常盐析会加剧井下的结垢　的高温下，一种垢还可转变成另一种垢，　如生石膏（ＣａＳＯ　．２Ｈ　Ｏ），可转变为熟石膏　（ＣａＳＯ４．０．５Ｈ　Ｏ），在更高的温度（２０００℃）　下，它还可转化成硬石膏（ＣａＳＯ　）。　由此可见，在地层、油井，矿场集输和　原油处理设备中均可产生结垢。并且，在温　度升高时，一种垢还可能转变成另一种垢。　过程，并可使结垢过程的计算复杂化。　为了优化油田的防垢工艺，降低保护油　井和油矿设备的阻垢剂的用量，必须时常评　价由地层、油井、矿场集输到原油处理的整　个采油工艺流程中结垢的可能性。为此，必　须用计算机对采油工艺流程中的结垢过程进　行数值模拟，搞清油井工作制度与结垢的关　系，然后提出控制结垢的方法，提高防垢的　效果和经济效益。　２水质化学计算和结垢数值模拟Ⅱ　在矿场，为了控制结垢就必须根据复杂的　水质化学计算，评价采出水化学组分的变化和　结垢的可能性。但在油田开发过程中，因油井　１开采含水油时的结垢机理Ⅱ　油田注水开发时，注入地层的水与地层　含水不断升高和测试的工作量巨大，这一任　务是相当繁重的。因此，必须开发一种利用计　矿物和流体间的组分交换，就可在地层中形　算机技术的系统的自动化方法，在人机对话的　作者简介：胡业文，男，１９６３年出生，工程师，２０００年毕业于中国石油大学石油工程专业，现主要从事油田的采油和注水的技术　管理工作。地址：（２５６５０４）山东省博兴县。　２０１０年３月　胡业文冯耀忠冯鼎：含水油井的结垢计算和预测　状态下，进行结垢过程的数值模拟。　２．１结垢过程的水质化学计算　在进行结垢过程的水质化学计算时，需　要一系列常数和参数，而这些数值必须在不　同的温压条件下用实验确定。这时判断结垢　趋势的主要参数，是平衡状态下盐类化合物　的溶度积或溶解度常数Ｌ。根据季．叶．奥德多　和姆．布．托木松等人的研究，可推导出采油过　程中最普遍的盐类化合物的米单位制的溶解　度常数方程（表１）。根据表ｌ中的公式，就　可在结垢计算中考虑盐析效应，预测结垢性　能，并可定量评价结垢的情况。　表１确定溶解度常数的方程式　１　“０６３／￣　－２．７８７，ｕ＋　０．６　９，ｕ￣ｓ＋３．３３＊１０－３￣ｏ　＋　（　）　，，＋７　５６１’１０　ｒ一３　７７５　１０一　＋７　７０９　１０一　口一１０　０　硫酸锶（ｓｒｓ０４）ｌｇ工．２：２．１４２／Ｊ。　一０　９４４　＋８　６５’１０　＋３　３７１　１０　７　。　一　一４　６８８　１０一　ｒ一１　８５９　１０一　ｒ　＋６　６８７’１０一’Ｐ一６１６８　ｆ　１￡￡，：Ｏ９１４　一５　２４　１０－２　一８　５２　１０－２　＋　３；６２．１（】　。　５６１．１【ｌ。　－２＿９２５．１０　ｒ　ｍ８１．１０．．口一　一３．６　半水右膏’　ｌｇＬ４：１．７５５　。　一０５６２　十２１７　１０　¨＋１１５８　１０’１０一　７　。　＋　．ｃａｓ０　Ｏ　５“　＋ｌ　９１３　ｒ一３　６９４，ｌＯ　１０一　＋ｌ　０２５　ｌ０一　口一４　０ｏ８　硬石膏’ｃ蛳ｌｇＬ　＝２．０９６　。　一ｌ　２６７／Ｊ＋０１９ｕ　＋５　７５１’１０一’７　一　一１．６８１　１０一　ｒ一０　６１＊１０　ｒ　＋４９３　１０～Ｐ一３．８１２　硫酸镁，Ｍｇ　ＩｇＬ６：３．９８８￣。　一２２８￣＋０　４５９ｕ’　＋１　０８７　１０　ｎ　一　一３　６５７　１０一　ｒ一１　４７５　１０一　ｒ　＋１　１３１’１０一　Ｐ一２．３６１　硫酸钙・ｃａｓｑ　ｌｇＬ　：２．７３４　。　一１　１８３　＋０　１２７　。　＋５　２２７Ｔ／￣　一９９６４　１０－３Ｔ一　一３　６２３‘１０一　＋１　Ｏ１１　１０一　Ｐ一８　１４６　注：ＪＩ——溶液的离子强度，ｍｏｌ／ｄｍ　；卜温度，ｏＣ；　表ｌ方程中的参数——溶液的离子强度　，可由下式确定；　＝　Ｃ　＋２∑ｃ：＋３￣－－＂Ｃ３）／２　１０　（１）　式中：　∑Ｃｌ，∑Ｃ２，∑Ｃ３——分别为一价、二价　和三价离子的浓度，ｍｏｌ／ｄｍ　。　结垢，是由一定范围内的化学不相容的　水混合形成的。因此结垢过程的数值模拟的　重要阶段，是计算混合水中每种水的分数。　采油实际中水是以各种方式混合的，直接确　定含水井的混合水中每种水的分数是不可能　的。在实际应用时，它只能用下式进行水质　化学计算确定：　１ｏ０　）　（２）　式中：　——混合水中第一种水的体积百分数；　，。，　，，ｃ——分别为第一、二种相混合水和　混合水中的离子含量，ｔｏｏＬ／ｄｉｎ　。　这时可根据最稳定的水组分氯离子ｃｌ一来　计算，因它不会形成难溶化合物，极少被地　层吸附，也不能用生物方法清除。通常采用　的是，由混合水中某些稳定组分资料求出由　它确定的水的平均体积。　用表１的方程求得的溶解度常数与其实验　值的对比结果（表２）。采用的是不同离子强　度的ＣａＳＯ　和ＳｒＳＯ　溶液的溶解度实验值。由表　２可以看出，其偏差在５％以内，这在实际应用　中是允许的。　表２溶解度常数的计算值和实验值对比　为了考虑盐析效应评价化学不相容水混合　时的结垢，可利用根据俄罗斯的夫・伊・纳扎　洛克等人的研究求得的表达式（表３）。　表３考虑盐析效应定量评价结垢的关系式　Ａ＝－４￡（　Ｘ吖　）　・（吖　＋吖　）　Ｂ＝　相种　Ａ十ＢＣａ—ＤＣａ＋Ｃａ√　＋Ｅ　２ＢＬＭ＋Ｄ　ｃ＝２（Ａ　Ｘ＾ｆ　＋Ｍ　）　云丽　Ｄ＝（ＸＯＭ￣＋（　）　ｎ离　Ｅ＝４Ｌ（Ｍ　（＾，　）　Ａ＝【　ｊ：Ｍ　一　）　Ｍ　Ｂ＝Ｍ　∞　一Ｋｔ　）一Ｍ　（Ａｎ　一Ａ　）　Ｇ＝ＡＣ　＋　）＋口“Ｆ　Ｂｃ）～　ＢＦ＋　Ｃ＝２Ａｎ２（¨　＋Ｍ　）　＋【ｃ＋　＋ＥＦ一２ＡＢｃｔ＋Ｂ　ｄ　Ｄ＝２Ｍ　Ｄ（Ａ曲）十　＋ＥＦ一２ＡＢａ＋Ｂ　Ｅ＝２Ｌ∞　）　Ｍｋ　Ｆ＝２（Ａｎ　－Ａｎ：Ｘ　＋＾，　）　试采技术　表中：　一水垢的质量含量，ｇ］ｄｍ　；　Ｌ——在给定的温度和压力下，溶液在平　衡状态下结垢化合物的溶解度常数；　Ｍ——离子的原子量之和；　（Ｉ＜Ｉ）和（Ａｎ）——结垢的正负离子浓度，　ｍｏｌ／ｄｍ　；　ｏＬ——　合水中厉洼水的质量　予数，％。　２．２结垢的数值模拟　以上我们给出了水质化学计算方法。但因　计算工作量太大，单靠人力是无法完成的。因　此，必须用计算机对其进行数值模拟。　根据离子化合方程式，它们形成的盐的　溶解度由小到大的排序为：　口　Ｓ０４２。：Ｓｒ　ＳＯ４　：　ｃ口　Ｃ０３　；Ｍｅ，　∞　一；　；Ｃａ　（ＨＣＯ－３）　；　Ｎａ　ＨＣＯ；；Ｎａ　ｓｏ；：Ｎａ　ｃｏ；；　Ｍｇ　．　：一；Ｎａ　ＣＬ－等等。　根据上述的盐类溶解度顺序，采用结垢　过程的水质化学计算方法，就可进行采油过　程的任一阶段的盐类组分结垢定量评价的计　算机模拟。　因经济和环保的要求，必须采用密闭注　水，即将采出水经处理后再注入地层。而这　些水与地层水混和后就会形成二次沉淀，并　且沉淀后的滤液再以另一比例混合时，还可　形成新的沉淀。这时可在地表将采出水与地　层水进行多级混合，直至沉淀析出，就可求　出它与地层水混合时，不产生沉淀的混合比　例。注人水的最佳混合比例的复杂的选择程　序，也可由计算机数值模拟简化。很显然，　结垢最严重的不相容水的混合比例不是由结　垢离子的绝对浓度确定，而是与混合水中它　们的初始浓度比有关。这就可根据形成二次　沉淀的反应方程式，利用表１的溶解度方程进　行计算，以便经济地减缓油井和集油管线的　结垢。　采用该种油层注水时结垢的计算机模　拟，可在无限的化学分析和井数范围内，快　速对采油的所有工艺环节，进行结垢可能性　预测，从而可合理选择注人水的化学成分控　制结垢。该种计算机数值模拟程序，可用于　模拟实际可能结垢条件下的采油过程的不同　的自动化系统。　３油井工作制度与结垢的关系　为选择最佳的油井防垢工艺，就必须准　确确定油井的结垢特点及其主要影响因素。　通常与油井工作制度有关的结垢危险区，均　位于油井的结垢条件曲线与其生产温压曲线　的交点。人们采用各种防垢工艺的目的，　就是不使这两条曲线相交。通常采用两种方　法：添加阻垢剂或改变原油组分，使结垢曲　线偏向低温高压区；采用加热方法使取决于　油井产量、含水和井筒温度等的生产温压曲　线偏离。　３．１结垢条件计算　首先计算液体Ｌ、气体Ｇ、固态垢Ｈ和水Ｗ　等的四相平衡。它们的相平衡条件：　（７１，Ｐ）＝　。　，Ｐ）＝　，Ｐ）＝　，Ｐ）（３）　式中：　矗且　对应相中ｉ组分的挥发性，％；　Ｔ——温度，ｑｃ；　Ｐ——压力，Ｐａ。　组分的挥发性可根据以下模式计算：　油和气——可由片格一罗宾逊状态三次方　程确定；　结垢——根据静态热力方程：　。＝　。ｅｘｐ（－△　ｊ　／ＲＴ）　（４）　式中：　２０１０年３月　胡业文冯耀忠冯鼎：含水油井的结垢计算和预测　Ｂ——假定的空水合物晶格；　Ｒ——通用气体常数；　△　ⅣｌｔＨ（２）运移量方程：　＋ｇ　＋唬　ｐ２）ｃ。ｓ　＋　）ｒ　＋　式中：　刃＋破。　）＝０（９）　——２０空和实际水合物晶格的化学　势之差。它可由下式确定：　ｔｌ△　ｆｌ－　。＝ｇ——重力加速度；　ＲｒＺ　ｌｎ（１＋∑　Ｊ（５）　Ｄ——井眼直径，ｍＥ；　０——井斜角，。；　式中：　∑　——孔腔类型；　∑，——有气体组分进入。　其中；　Ｃ　ｉ——拉格纽尔常数，它可由相应的孔　腔半径ｒ的积分求得：　ｃａｒ）＝４　』ｅｘｐ　（ｒ）／ｋｒｌｒ２ｄｒ　（５）　式中：　Ｃ　；（ｒ）——ｍ型孑Ｌ腔中Ｊ分子的位能。　水的挥发性由下式确定：　ｆＬ０＝ｒｎ２０ＸＨ２Ｄ　（７）　式中：　Ｈ２厂含水　进入水、盐和各种阻垢剂系统中的ｉ组分　的活性系数ｒｉ由尤尼法克状态方程确定。　为了做出油井的结垢曲线和确定油井生　产时的温压状态，必须占有准确的地层混和　物及其理化性质的资料。并根据这些资料，　对油井的结垢条件进行计算。　３．２油井温压状态计算　计算油井温压状态时，采用如下主要方程：　（１）连续性方程：　刃。＋破　万　）＝　＋　Ｑ，）＝ｄＱ￣／ｄｚ＝０（８）　式中：　Ｚ——深度；　Ｐ　，Ｐ２——分别为液相（油、水）和气相　的密度，ｇ／ｃｍ　；　——各相的实际平均含量，％；　Ｑｒ——混合物的比质量流量，　ｓ。　：　／８　珂。＋　：万：　）——管壁切　向应力公式；　——相速度，ｒｏｄ／ｓ。　（３）能量方程：　｝＋０：Ｐ２Ｗ￣　）］＋　乡　刃　＋　】＋ｇ　ｐ。万　＋　ｐ　ｚ）ｃｏｓＯ　式中：　ｕｉ——内能，Ｊ；　Ｆ——油管横截面积，ｍＥ　；　Ｑ——热流，Ｊ／Ｓ。　将下列关系式引人方程组：　（１）为确定热物理学性能——气液相状　态方程；　（２）为确定相问传质——气液相混合物　组分挥发平衡条件；　（３）为确定气液黏度和导热性——相关　关系式；　（４）为确定实际平均含气量——由气液混　合物流动模型及其物理性质确定的关系式。　岩石的导热性，水泥环的热容量和其它　必须参数，均取该地区的平均值。　油管内的压力和温度剖面计算，包括两　相流性能，相问相对速度和实际含气量。此　外，还计算了气液相的热物理学参数：密　度、比热、黏度、压缩系数和表面张力等。　油井的结垢过程的总计算程序如下：　（１）资料　流体性能：　①地层原油状态资料：组分（分子含　量），馏分（温度，体积含量），产出层段。　试采技术　②地层水资料：溶解的盐类组分，井号。③阻　垢剂资料：最常用的醇类，组分一电解质。　（２）油井资料　①油井结构性能：井号，井身结构等。　②主要参数：井底（井口）压力，井底（井　口）温度，产油量，含水。　（３）计算程序　①结垢计算：气液平衡（Ｌ＋Ｇ＋Ｈ＋ｗ），　结垢条件的温压曲线，阻垢剂作用和盐类影　响。②管外空间计算：气液相平衡计算，气　液混合物流水力学性能计算，与周围岩石热　交换计算，油井生产时的温压性能计算。③　最后计算结垢危险带，确定有结垢危险的生　产方式和变化参数的影响。　３．３结垢条件和强度预测　下面我们研究油井产量、含水、地层　温度等对结垢条件和结垢危险带大小的影　响。，当油井产油量由５　ｍ　／ｄ上升至１５　ｍ　／ｄ　时，结垢危险带的温压曲线偏移，结垢井段　缩小。油井的产油量超过２０　ｍ　／ｄ时，　油井的　生产温压曲线与结垢条件曲线不相交，即不　存在结垢。产油量为１０　ｍ　／ｄ时，随含水升高，　油井的温压曲线缓慢离开结垢危险区。油井　的含水超过２０％时，所有的地层均不结垢。　油井的生产时间对结垢，也有重大影　响。因油井长期生产将地层加热，可使其　温度升高。为了定量评价该因素，计算了油　井生产时问对结垢过程的影响。计算结果表　明，随油井生产时间的延长，其温压曲线明　显偏向无结垢危险区。油井长期在该产量下　生产，就不存在结垢条件。在其他地层中也　可观察到类似的情况。　井口压力对结垢也有影响。压力升高会　形成结垢条件，而降低压力则会消除结垢的　危险性。计算结果表明，有时不大的井口压　力降低，就可预防油井结垢。因此，改变井　口压力，也是一种防垢方法。　４结论　通过含水井结垢的数学模拟、水质化学　计算和油井温压状态计算，并根据油井结垢　条件和强度，就可确定油井发生结垢危险的　工作制度。计算表明，井下温度随井深变化　的特点、产量和含水，对油井生产时的结垢　危险参数，有较大的影响。　在优化油井的防垢措施时，应遵循已建立　的这些性能关系，并选择合理的油井工作制度　和有效的防垢措施，来预防含水油井结垢。　参考文献：　【１］Ｍ．ＥＢｍ＇，－ｌｎｎｎｎ．１蛆ｐ：Ｏｎｐｅａｅａｅｎｎｅｐｅ￣．Ｏ４－ＭＯＭＨ　３０Ｈ　ｒ￣ｊｌｐｏａＴｏ６ｐａ３ｏＢａｎｍｑ　Ｂ．ｅ￣Ｔ．．ｂＸＸ　ＧＫＢａ）ＫＨＩ－ＩａＸ．　（（ＨｅｑｂＴ．Ｘ—Ｂｏ），２０００．７，３８—４３　［２］Ｂ．Ｅ．ＫａｍａＢＵｅＢ：ＨＴｅｐａＩｔＨＯＨＯｅ　ＭＯ，Ｒｅ￣ＨｐＯ－－Ｂ．ａＨＨｅ　ＫＤＭＩＬｑｅＫＣＨＯＦＯ　ｃｏａｅｏ６ｐａＢａｔｍ．ｑｎｐｎⅡｏ６ｂｌ　｛ｅｏ６ｓｏ￣ｅｎｎｏｆｉ　ｕｅ＇ｌ￣．（（ＨｅｑｂｘＸ－ｓｏ））．２００４．９，３８—４１　（收稿日期：２００９—０８—２３）