馬麗萍，黎曉茸，譚俊領，賈玉琴，馬 云

(1.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，陜西 西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710021；3.西安石油大學 化學化工學院，陜西 西安 710065)

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CO2驅過程中碳酸鹽溶蝕和地層水結垢趨勢實驗研究

馬麗萍1,2，黎曉茸1,2，譚俊領1,2，賈玉琴1,2，馬 云3

(1.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，陜西 西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710021；3.西安石油大學 化學化工學院，陜西 西安 710065)

為研究長慶油田某長6儲層CO2驅過程中高壓CO2注入造成的碳酸鹽溶解以及降壓后碳酸鹽的析出規(guī)律，用自行構建的實驗裝置研究高CO2注入壓力下相同礦化度模擬地層水中Ca2+質量濃度對模擬地層水溶解CaCO3能力的影響，壓力下降方式以及泄壓后CO2飽和度降低對CaCO3析出量的影響。結果表明，在礦化度為100 000 mg/L的模擬地層水中，隨著模擬地層水中Ca2+含量的增加，其溶解CaCO3能力下降；快速泄壓會使CaCO3快速析出，泄壓后CaCO3析出量也會增加。因此，CO2驅過程中需關注地層水礦化度與Ca2+含量，為防止采出水在地面管網或后續(xù)工藝設備中結垢，建議CO2驅后的采出水在地面構筑物內集中快速泄壓然后再集輸至污水處理站。

二氧化碳驅；碳酸鈣溶蝕；結垢

馬麗萍，黎曉茸，譚俊領，等.CO2驅過程中碳酸鹽溶蝕和地層水結垢趨勢實驗研究[J].西安石油大學學報(自然科學版)，2016，31(5):68-72.

MA Liping,LI Xiaorong,TAN Junling，et al.Experimental study on dissolution of carbonate and scaling tendency of formation water in CO2flooding[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(5):68-72.

引　言

長慶油田某長6儲層采用CO2驅增產措施，該儲層主要由長石砂巖和巖屑長石砂巖組成，質量分數(shù)分別為18.4%～26.0%和47.0%～58.5%，砂巖中填隙物主要由雜基和膠結物組成，質量分數(shù)均小于10%。該儲層平均地層壓力約5 MPa，平均地層溫度約50 ℃。原始地層水為CaCl2水型，平均礦化度約100 g/L，注入水為處理后采出水。關于含CO2流體對長石和巖屑長石的作用前人[1-2]已作了詳細研究，含CO2流體與碳酸鹽巖的作用也有相關研究。以碳酸鈣為例，CO2與碳酸鈣的溶解-結垢平衡式為：

Ca2++2HCO32-?CaCO3↓+CO2↑+H2O

(1)

影響CaCO3溶解平衡的因素主要有CO2分壓、溫度、pH值和含鹽量等。在CO2驅替過程中，高壓CO2的注入會引起碳酸鹽的溶解，從而增加儲層滲透率[3]；但從儲層到井筒再到地面集輸系統(tǒng)，壓力會下降，流體中CO2釋放，使CaCO3發(fā)生沉積的可能性增加[4-5]。采用高壓裝置研究高CO2注入壓力下，相同礦化度模擬地層水中Ca2+質量濃度對模擬地層水溶解CaCO3能力的影響，壓力下降方式以及泄壓后CO2飽和度降低對CaCO3析出量的影響，以期對長慶油田某長6儲層CO2驅過程中儲層、井筒與地面集輸管線的結垢可能性與結垢部位提供基礎數(shù)據(jù)。

1　實驗材料與方法

1.1試劑與儀器

試劑：氯化鈉(NaCl)(AR，廣州市光華科技股份

有限公司)、無水氯化鈣(CaCl2)(AR，中國·派尼化學試劑廠)、氯化鎂(MgCl2)(AR，天津市天力化學試劑有限公司)、碳酸鈣(CaCO3)(AR，天津市紅巖化學試劑廠)、CO2氣體(純度≥99.99%，梅塞爾北方工業(yè)氣體有限公司)。

儀器：CO2增壓系統(tǒng)(GS-AGT30-60P320，天津偉肯科技發(fā)展有限公司)、pH計(PB-10，德國Sartorius集團)、分析天平(AL104，梅特勒-托利多科學儀器有限公司)、溶劑過濾器(天津津騰實驗設備有限公司)。

1.2實驗方法和步驟

為快速模擬碳酸鹽巖的溶解，直接采用碳酸鈣代替地層巖石。實驗裝置見圖1所示。準確量取400 mL不同Ca2+含量的模擬地層水，加入到1 800 mL的不銹鋼高壓釜中，同時加入1.0 g的CaCO3(完全溶解后，模擬地層水中Ca2+含量將上升1 000 mg/L)，密封后，打開高壓釜的進氣閥和出氣閥通N2吹掃1 h，使得高壓釜中空氣被完全置換；關閉N2，打開CO2低壓氣路，通氣2 h，使得模擬地層水達到CO2飽和的狀態(tài)；關閉CO2低壓氣路和出氣閥，打開CO2增壓系統(tǒng)加壓至5.0 MPa，在高壓下保持20 min后，關閉高壓釜進氣閥，于50 ℃恒溫箱中密閉靜置。將靜置5 d和11 d的高壓釜采用不同方式進行泄壓(直接泄壓為直接降壓至常壓，階段泄壓為先泄壓至原壓力的1/2，再泄壓至常壓)，泄壓完畢后打開高壓釜，取出罐內飽和CO2模擬地層水，迅速測定pH值并用溶劑過濾器進行過濾，于不同時間測定濾液中的Ca2+質量濃度(依照SY/T5523-2006《油氣田水分析方法》進行)，分析判斷高CO2壓力下模擬地層水對CaCO3的溶解程度和在CO2飽和度持續(xù)降低過程中CaCO3析出的情況(由Ca2+的變化間接計算)，并研究泄壓方式對碳酸鹽析出程度的影響。

圖1　CO2驅溶解-析出模擬實驗流程Fig.1　Process of simulation experiment for dissolution-precipitation of CO2 flooding

2　結果與討論

2.1CO2驅過程中地層水中Ca2+質量濃度對CaCO3溶解的影響

為研究方便，根據(jù)長慶油田某長6儲層地層水水質情況，配制3種礦化度均為100 000 mg/L而Ca2+質量濃度不同的模擬地層水，其離子組成見表1。

表1　不同Ca2+質量濃度的模擬地層水離子組成Tab.1　Ion composition of simulation formation water with different mass concentration of Ca2+

圖2為CO2驅過程中不同模擬地層水溶解CaCO3后溶液pH的變化，圖3為CO2驅過程中Ca2+質量濃度對模擬地層水溶解CaCO3的影響，碳酸鈣溶蝕率按

(2)

計算。式中：c′為實測Ca2+質量濃度，mg/L；c為原始Ca2+質量濃度，mg/L；1 000為加入1.0 g碳酸鈣完全溶解后地層水中Ca2+質量濃度增加量。

由圖2和圖3可知，飽和CO2后的不同模擬地層水pH隨時間延長而降低，Ca2+含量隨時間延長而增大。其原因為：①CO2溶解在模擬地層水中生成

圖2　CO2驅過程中不同模擬地層水溶解 CaCO3后溶液pH的變化Fig.2　The pH values of different simulation formation water after dissolving CaCO3 in CO2 flooding

圖3　CO2驅過程中Ca2+質量濃度對模擬地層 水溶解CaCO3的影響Fig.3　Influences of Ca2+ mass concentration in simulation formation water on its CaCO3 dissolving ability in CO2 Flooding

HCO3-和H+，使得溶液pH下降[6]；②模擬地層水中Ca(HCO3)2含量未達到飽和，水和CO2過量，導致式(1)向左進行，直至CaCO3完全溶解[7]，同時由11 d后模擬地層水1中Ca2+含量推算出CaCO3已被完全溶解也可證明。模擬地層水中Ca2+含量越高，CaCO3的溶蝕速率越小。

2.2CO2驅過程中壓力下降速度對CaCO3析出的影響

對高壓釜直接泄壓和階段泄壓，用溶劑過濾器過濾模擬地層水，迅速測定其中的Ca2+質量濃度，研究泄壓方式對碳酸鹽析出的影響。實驗結果見圖4。

圖4　CO2驅過程中壓力下降速度 對CaCO3析出的影響Fig.4　Influence of pressure drop speed on CaCO3precipitation in CO2 Flooding

由圖4可知，不同Ca2+含量的高壓飽和CO2模擬地層水階段泄壓后CaCO3失鈣率均小于快速泄壓后的失鈣率。其原因為快速泄壓使得體系穩(wěn)定性急劇破壞，CaCO3分子迅速生成，為晶體的生成提供了晶核，大量晶體堆積成垢[8-9]；而階段泄壓中，第一泄壓階段生成CaCO3沉降在底部，不能為第二泄壓階段提供晶核和聚集的依附，因此，階段泄壓的失鈣率均小于快速泄壓后的失鈣率。為降低CO2驅過程中井筒的結垢量，建議在地面快速泄壓，使得CaCO3集中在地面結垢，或者在油井井底加入固體阻垢劑。

2.3模擬地層水中CO2飽和度降低對CaCO3析出的影響

CO2驅結束時，高壓含CO2地層水隨著采出液流出地層，壓力持續(xù)下降，CO2飽和度逐漸降低也會對碳酸鹽的析出產生影響。將階段泄壓后的模擬地層水在常壓(模擬油水分離系統(tǒng)及采出水處理系統(tǒng))下放置不同時間，測定Ca2+含量，由靜置前后Ca2+的減量計算CaCO3析出量來研究CO2飽和度持續(xù)降低過程中模擬地層水的結垢情況。圖5為模擬水樣3密閉11 d后快速泄壓，放置不同時間的結

垢外觀圖。圖6(a)和圖6(b)分別為5 d和11 d后CO2飽和度持續(xù)降低過程中模擬地層水CaCO3析出量。

圖5　CO2飽和度持續(xù)降低過程中不同靜置時間 CaCO3析出后外觀Fig.5　CaCO3 precipitation appearance of simulation information water in different static storage time in continuous reducing process of CO2 saturation

圖6　CO2飽和度持續(xù)降低過程中模擬地層水CaCO3析出量Fig.6　CaCO3 precipitation amount of simulation formation water in continuous decreasing process of CO2 saturation

由圖5可知，高壓飽和CO2模擬地層水泄壓后，CO2是一個逐漸釋放的過程。首先出現(xiàn)白色晶體(CaCO3)，隨著時間的推移，模擬地層水變渾濁(4 h)，生成大量的CaCO3，說明模擬地層水還在繼續(xù)釋放CO2，16 h后模擬地層水上部較為清澈，底部出現(xiàn)白色CaCO3沉淀，說明模擬地層水中CO2已經基本釋放完全[10-11]。

由圖6可知，泄壓后飽和CO2模擬地層水中Ca2+含量隨CO2飽和度的降低而逐漸下降，對應的CaCO3析出量逐漸增加。模擬地層水中Ca2+含量越高，CaCO3析出量越大。其原因是由式(1)的平衡決定，CO2飽和度降低使得平衡向右移動，CaCO3沉淀量增大。因此，在CO2驅后的采出水應做好防垢處理，為防止采出水在地面管網或后續(xù)工藝設備中結垢，建議CO2驅后的采出水在地面構筑物內集中快速泄壓然后再集輸至污水處理站。

3　結　論

(1)同一礦化度模擬地層水中CaCO3溶蝕速率隨Ca2+含量的增加而減小。

(2)階段泄壓的CaCO3析出速度小于快速泄壓的析出速度。為降低CO2驅過程中井筒的結垢量，建議在地面快速泄壓，使得CaCO3集中在地面結垢，或者在油井井底加入固體阻垢劑。

(3)CO2飽和度逐漸降低過程中，表現(xiàn)為模擬地層水中Ca2+含量逐漸下降，CaCO3析出量逐漸增加。為防止采出水在地面管網或后續(xù)工藝設備中結垢，建議CO2驅后的采出水在地面構筑物內集中快速泄壓然后再集輸至污水處理站。

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責任編輯：賀元旦

Experimental Study on Dissolution of Carbonate and Scaling Tendency of Formation Water in CO2Flooding

MA Liping1,2,LI Xiaorong1,2,TAN Junling1,2,JIA Yuqin1,2,MA Yun3

(1.Research Institute of Oil & Gas Technology,Changqing Oilfield Company,Xi'an 710021,Shaanxi,China;2.National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-Permeability Oil & Gas Fields,Xi'an 710021,Shaanxi,China;3.College of Chemistry and Chemical Engineering,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,Shaanxi,China)

In order to understand the carbonate dissolution caused by high pressure CO2injection and the carbonate precipitation law after depressurization in CO2flooding process of a Chang 6 reservoir of Changqing oilfield,the influence of Ca2+mass concentration in the simulation formation water of the same salinity on the CaCO3dissolution ability of the simulation formation water and the influences of depressurization way and CO2saturation drop after depressurization on CaCO3precipitation are studied using self-developed experimental device.The results show that,with Ca2+mass concentration in the simulation formation water with the salinity of 100 000 mg/L increasing,the CaCO3dissolution ability of the simulation formation water decreases,quick depressurization will make CaCO3rapid precipitation,and the precipitation amount of CaCO3will increase after depressurization.Therefore,the salinity and Ca2+content of formation water need to be taken care of in CO2flooding.In order to prevent the produced water scaling in the ground pipe network or subsequent process equipment,it is suggested that the produced water after CO2flooding should rapidly depressurize in the ground structures and then be transported to sewage treatment station.

CO2flooding;CaCO3dissolution;scaling

2016-06-25

馬麗萍(1982-)，女，工程師，碩士，主要從事油田提高采收率方面的研究。

E-mail:maliping_cq@petrochina.com.cn

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.05.011

TE357.45

1673-064X(2016)05-0068-05

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